臺灣博碩士論文加值系統

嵌入式系統具有低耗能及穩定長時間工作的能力，是一個成本低廉且效益足擔大任的程式運作模板。因此，本研究以機器人「SPA(Sense, Plan, Act)典範」將其微小化定義為「微架構」。以Sense、Trigger、Transport及Actuator四大環節，完成實作感測盒的「STTA-loop微架構」雛形。

本研究以Raspberry Pi系統電路板作為開發平台並以Python語言為開發工具，以感測盒實作的方式完成兩個案例的呈現。感測盒的開發以瀑布模式的設計步驟為基礎，歸納出實作的七大設計步驟，藉UML 塑模圖表精確地描述系統元件的互動與狀態。

搭配冷熱調適量測(手指心跳 )及超音波距離量測兩個案例，藉由感測器模組的輸入獲得高低溫和距離資料，並利用蜂鳴器、LED及8X8點距模組為輸出元件作資料的觀測。結合物聯網的概念，可將感測資料傳輸到ThingSpeak雲端作業平台上作資料的記錄及存放，以及趨勢表的呈現和遠端監控。藉由Python的人機介面設定展示門檻觸發機能，以彰顯異常通知的機制，展示如何將感測資料篩選出異常資料，再傳送到指定的Gmail的信箱。

The embedded systems have low energy-consuming and long-term stable operation with relative low-cost system architecture. To miniaturize the existing robot SPA (Sense, Plan, Act) model to work in a card-size board as cost-effective micro-architecture is our application goal of sensor box. A STTA-Loop microstructure is well defined as the loop of Sense, Trigger, Transport and Actuator states, and then makes critical sensing data easily and continuously send to a cloud site possible.

Our study has used Raspberry Pi system board to implement a sensor box and has made good use of Python language as development tool to carry out two case studies. A conventional waterfall model is presented by 7 major design steps, that are mostly illustrated by UML model diagrams to describe the interactive behaviors and states of system board and its attached GPIO devices.

Two case studies have been used to demonstrate the I/O functions of sensor box with finger pulse data sensed on sudden cold (or hot) environment and ultrasonic wave effects on distances. The sensors can get the real floating data within the assigned temperature range, and use a buzzer and four 8x8 dot matrix modules to indicate the output status. This system would take a proper GMAIL-notification action for exceptional filtered data. Our study made a data-sent-out and store-and-browse implementation to interact with ThingSpeak cloud platform by short python code with triggering thresholds UI and simple API call .

摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VIII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究主題與目的 1
1.3 研究範圍 2
1.4 論文架構 3
第二章 相關文獻與技術探討 5
2.1 嵌入式系統的軟硬體概述 5
2.1.1 ARM的處理器架構 7
2.1.2 GPIO的原理 8
2.2 嵌入式系統的應用案例 9
2.3 Raspberry Pi樹莓派 10
2.4 Python語言應用 12
2.5 物聯網與Electric Imp應用例 14
2.6 雲端作業平台-ThingSpeak 16
2.7 監控雲端應用趨勢 19
2.8 國內外物聯網發展應用 21
第三章 嵌入式感測盒實作議題 23
3.1 感測盒設計概念 24
3.2 感測盒規劃及微架構 26
3.2.1 系統規劃構想 27
3.2.2 微架構 28
3.3 系統設計目標 30
3.4 開發程序 33
3.5 設計規劃 36
3.5.1 手指心跳功能設計 38
3.5.2 溫度功能設計 40
3.5.3 超音波模組感測器 42
3.6 資料儲存格式 43
3.7 程式流程圖 44
第四章 系統塑模 46
4.1 前言 46
4.2 參考案例概述 48
4.3 UML 塑模方式 51
4.4 實作架構 52
4.4.1 UML 塑模方法 54
4.4.2 案例運作流程的建立 58
4.4.3 系統狀態圖 59
4.4.4 系統循序圖 61
4.4.5 系統程式架構的建立 63
4.5 小節 64
第五章 系統實作與測試 65
5.1 機能測試 65
5.1.1 單元測試 66
5.1.2 結合測試 68
5.1.3 綜合測試 71
5.1.4 程式架構 72
5.1.5 ThingSpeak Channel 設定 74
5.1.6 使用者介面設定 75
5.2 實作測試及結果 81
5.2.1 冷熱調適量測案例 83
5.2.2 距離量測案例 85
5.2.3 雲端作業平台呈現及驗證 86
5.2.4 結果呈現 88
5.3 討論 89
5.3.1 ThingSpeak雲端作業平台 89
5.3.2 實作過程 89
5.4 小結 90
第六章 結論與未來展望 91
6.1 結論 91
6.2 未來展望 92
6.2.1 建立資料庫的網站 92
6.2.2 嵌入式系統的選用 92
6.2.3 居家安全 92
6.2.4 穿戴式感測裝置 92
參考文獻 94
附錄A 硬體架構與案例概述 97
A.1 I2C同步串列通訊 97
A.2 SPI串列外設介面 98
A.3 UART 100
A.4 Raspberry Pi硬體規格 101
A.5 紀錄太陽能充電過程中電池的溫度案例 102
附錄B 實作案例使用的元件概述 105
B.1 輸入元件 105
B.1.1 手指心跳感測器 105
B.1.2 模擬溫度感測器 105
B.1.3 超音波感測器 106
B.1.4 按鈕開關 107
B.2 輸出元件 107
B.2.1 蜂鳴器 107
B.2.2 MAX7219 點陣模組 108
B.3 類比輸入擴充板 108

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