臺灣博碩士論文加值系統

隨著科技快速發展,自動化科技產品也越來越普及,造成的結果是,傳統的人力作業漸漸被取代,傳統水質檢測方法需要操作人員前往多個地點進行取樣、運送與分析水質狀態等步驟,顯然的,傳統的水質檢測方法是非常耗時的,因此,我們開發自動水質檢測方法。

本論文以無人水域載具(Unman Maritime Vehicle,UMV) 結合遠端水質偵測,實現監測船的功能。以 Arduino Uno 做監測船的行進控制與避障核心;另外,搭配Raspberry Pi 做 GPS 導航與水質偵測的核心。操作人員透過手機 APP 設定目的地,以 Raspberry Pi 計算目前監測船與目的地相差的距離與角度,讓監測船以自動的方式前往目的地進行水質偵測,在航行的途中,操作人員可直接透過手機 APP 觀看監測船的即時影像與位置。最後,透過 WIFI 將水質偵測資料傳送至雲端資料庫,操作人員可以透過手機 APP掌握水質偵測狀況。

Pue to the rapid development of technology, automation products are becoming more popular. As a result, traditional manpower operations are gradually replaced. Particularly, traditional water quality testing methods require operator to go to multiple locations to sample water and analyze the quality. Apparently, traditional water quality testing methods being time consuming, hence we are motivated to develop automatic water quality testing methods.

In this thesis, we used an unmanned marine vehicle (UMV) and combined it with the remote water quality detection to implement a surveillance ship. In detail, the Arduino Uno is the control core to deal with the ship’s moving and obstacle avoidance; The Raspberry Pi core is used for GPS navigation and water quality detection. In addition, the operator sets the destination via a phone APP, and then Raspberry Pi will determine the current distance and the angle deviation between the surveillance ship and the destination; The surveillance ship automatically advances to the destination for water quality detection; Moreover, during the ship voyage, the operator can immediately cheak the view in front of the ship and the ship’s location by using the phone APP we designed. Finally, the detection data of water quality will be furth transmitted to the cloud database via WIFI, and the operator can grasp the water quality detection status through the phone APP.

1 緒論 1
1.1 研究動機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.2 研究目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
1.3 論文架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
2 系統軟硬體介紹 4
2.1 系統架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
2.2 硬體介紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 遙控船. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3工具介紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.1 3D印表機 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4控制核心介紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4.1 Raspberry Pi 3 . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4.2 Arduino Uno . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5感測器介紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
2.5.1 超音波感測器 . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.5.2 藍牙模組 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.5.3 GPS模組 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.5.4 電子羅盤 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5.5 水溫感測器 . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.6 影像視訊模組 . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.7 動力系統介紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.7.1 步進馬達驅動模組 . . . . . . . . . . . . . . 21
2.7.2 鎳氫電池 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.8 雲端資料庫 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.8.1 Firebase . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
2.8.2 MediaTek Cloud Sandbox . . . . . . . . . . 25
2.9 開發軟體介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . .26
2.9.1 Raspbian . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
2.9.2 Arduino IDE. . . . . . . . . . . . . . . . .27
2.9.3 Tinkercad . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.9.4 ReplicatorG . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.9.5 App Inventor 2[42] . . . . . . . . . . . . 30
2.9.6 JSFiddle . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
3 系統設計與軟硬體實現 32
3.1 手機APP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.1.1 主畫面 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
3.1.2 目的地設定 . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.3 控制面板 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.1.4 視訊與 GPS 位置呈現於雲端資料庫 . . . . . . . 37
3.1.5 水溫量測數據呈現於雲端資料庫 . . . . . . . . .37
3.2 避障處理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
3.3 導航 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4 實驗結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
4 結論與未來展望 46

[1] 無人載具五大效益, https://www.itri.org.tw/chi/Content/NewsLetter/contents.aspx?SiteID=1MmmID=5000SSize=10SYear=2017Keyword=MSID=745142702071323063.
[2] 無人船彌補傳統監測短板, https://mp.ofweek.com/instrument/a545663723956.
[3] 世紀號超大模型船7004, https://goods.ruten.com.tw/item/show?21603705389756.
[4] 雙馬7004 世紀號競速充電遙控快艇, http://item.jd.com/1065139076.html.
[5] 3D列印機原理, https://findergithub.gitbooks.io/3d-printer/13d/3d.html.
[6] 3D列印的發展現況, https://ejournal.stpi.narl.org.tw/sd/download?source=10311-04.pdfvlId=254DBE09-AB70-4348-B759E678BD8862FDnd=1ds=1.
[7] 樹莓派-維基百科, https://zh.wikipedia.org/wiki/樹莓派.
[8] 樹莓派3介紹, http://yehnan.blogspot.com/2016/04/raspberry-pi-3.html.
[9] 台灣樹莓派, https://www.raspberrypi.com.tw/10684/55/.
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[11] Arduino介紹-中央研究院, http://newsletter.ascc.sinica.edu.tw.
[12] Arduino規格-廣華電子商城, http://shop.cpu.com.tw/product/40500/pdf2/.
[13] 超音波感測器介紹, http://coopermaa2nd.blogspot.com/2012/09/.
[14] 超音波測距模組-廣華電子, http://shop.cpu.com.tw/product/45466/info/.
[15] 藍牙-維基百科, https://zh.wikipedia.org/wiki/藍牙.
[16] HC-05藍牙模組說明, https://swf.com.tw/?p=693.
[17] HC-05藍牙模組, https://www.raspberrypi.com.tw/7573/1413/.
[18] 全球定位系統-維基百科, https://zh.wikipedia.org/wiki/全球定位系統.
[19] GPS定位原理, https://blog.xuite.net/honorfiend/honorimage/65357363.
[20] GPS L80-39微控制器科技, https://goods.ruten.com.tw/item/show?21718164429645.
[21] 電子羅盤-華人百科, https://www.itsfun.com.tw/wiki-000874-604154.
[22] HMC5883L模組電子指南針, https://www.taiwaniot.com.tw/product.
[23] 水溫感測器規格表, http://www.quick-teck.co.uk/Management/EEUploadFile/1420644897.pdf.
[24] Raspberry Pi USB Camera, https://goods.ruten.com.tw/item/show?21718086585034.
[25] L298N馬達驅動模組介紹, http://web.htjh.tp.edu.tw/B4/105-2robot/L298N 馬達驅動模組介紹.pdf.
[26] L298N DC 直流電機驅動板, https://www.taiwaniot.com.tw/product/l298n-dc.
[27] L298N晶片步進馬達驅動模組-廣華電子, http://shop.cpu.com.tw/product/46920/info/.
[28] 鎳氫電池-維基百科, https://zh.wikipedia.org/wiki/鎳氫電池.
[29] 鎳氫電池和鋰電池的差別, https://www.euleven.com/blog/636.
[30] Firebase是什麼, https://blog.gcp.expert/firebase-gcp/.
[31] Firebase網頁教學, http://sj82516-blog.logdown.com/posts/1048782/.
[32] 聯發科技創意實驗室, https://labs.mediatek.com/zh-tw.
[33] MCS Lite 介紹, https://mcs-lite-introduction.netlify.com/zh-tw/.
[34] Raspbian實用軟件介紹, https://www.techapple.com/archives/17342.
[35] Raspberry Pi 桌面登上 PC, https://www.linuxpilot.com/raspberrypipixelfordesktopuseage.
[36] 介紹 Raspberry Pi 幾個熱門的系統, https://www.techapple.com/archives/15665.
[37] Arduino開發環境介紹, http://www.powenko.com/wordpress/arduino-開發環境介紹/.
[38] Arduino介面簡介, http://icerc.tnssh.tn.edu.tw/download/epaper/epaper43/20091130.pdf.
[39] Tinkercad, https://www.tinkercad.com/things/dyEDELFcKWM-thinkcad.
[40] Tinkercad線上3D 建模, https://www.techbang.com/posts/41611.
[41] 走進3D 打印世界, https://books.google.com.tw/books.
[42] APP Inventor 2, http://ai2.appinventor.mit.edu/?locale=en5015751526318080.
[43] 開發 Android APP, http://im.thu.edu.tw/upload/newsupload/InventorøÜÿUà.pdf.
[44] JsFiddle, https://jsfiddle.net/aheycot6/16/.
[45] JsFiddle-線上檢測網頁, https://www.webdesigns.com.tw/jsFiddle.asp.
[46] JsFiddle, https://blog.miniasp.com/post/2011/02/07/Useful.
[47] App Inventor 中文學習網, http://www.appinventor.tw/exm.
[48] APP Inventor 2輔助教學網, http://isrc.ccs.asia.edu.tw/course/ai2/.
[49] 藍牙模組常見的指令使用教學, http://blog.cavedu.com/2017/10/18/雙a計畫藍牙模組 hc05、hc06常見的指令使用教學.
[50] 經緯度計算距離, http://wywu.pixnet.net/blog/post/26533759.
[51] 兩點經緯度間的距離計算, https://blog.csdn.net/vernice/article/details/46581361.
[52] Haversine公式-維基百科, https://en.wikipedia.org/wiki/Haversineformula.
[53] 大圓距離-維基百科, https://zh.wikipedia.org/wiki/大圓距離.
[54] 方位角-維基百科, https://zh.wikipedia.org/wiki/方位角.
[55] 起始方位角與終端方位角, https://www.zhihu.com/question/19952958.
[56] 趙英傑, Arduino 互動設計入門第2版, 旗標出版, 2016.
[57] 施威銘研究室, 網頁程式設計的16堂課, 旗標出版, 2016.
[58] 蔡宜坦, App Inventor2 Android App 範例教本, 旗標出版, 2016.
[59] 柯博文, Raspberry Pi 最佳入門與實戰應用第2版, 碁峰出版, 2015.
[60] 羅際宇 基於物聯網之即時水質監測系統, 國立台灣海洋大學電機工程學系, 2017.
[61] 王昭雄 無人船自動導航控制系統設計, 國立臺灣大學應用力學研究所, 1997.
[62] 涂昆源 全球定位系統在無人船導控之應用, 國立臺灣大學電機工程研究所, 1996