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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:李丞遠
研究生(外文):LEE, CHEN-YUAN
論文名稱:整合於智慧型手機之居家環境監測與個人健康管理系統
論文名稱(外文):Integrated into Smartphones of Living Environment Monitoring and Personal Health Management System
指導教授:許騰仁
指導教授(外文):Terng-Ren Hsu
學位類別:碩士
校院名稱:中華大學
系所名稱:電機工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:55
中文關鍵詞:居家環境感測生理狀態偵測室內行動偵測智慧生活個人健康管理
外文關鍵詞:Home Environment SensingPhysiological State DetectionIndoor Action DetectionSmart LivingPersonal Health Management
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隨著少子化與經濟不景氣的影響,很多都是雙薪家庭才能夠撐起一個家庭的開銷,然而當年長的父母獨自在家時,外出工作的兒女都會擔心父母的狀況,因此,本論文整合居家環境監測系統、生理狀態量測系統與室內行動偵測系統,能夠監測家庭環境、個人生理狀況與室內人員活動,當有異常發生時或使用者有需求時能夠立即發出求救訊息,降低獨居老人發生危險的機會。
本研究開發的感測電路可區分成三個部份,分別進行居家環境監測、生理狀態量測與室內行動偵測,這三部分皆使用 Arduino 開發板作為核心;居家環境監測溫溼度、火災與空氣品質,使用的感測器包含溫溼度感測器、火焰感測器、可燃性氣體感測器、一氧化碳感測器與二氧化碳感測器;生理狀態量測體溫、心律與活動狀態,使用的感測器包括半導體溫度感測器、PPG 感測器與動作感測器;室內行動偵測則偵測人員室內行動的狀況,使用人體紅外線感測器與振動感測器。居家環境的監測數據與生理狀態的量測數據及室內活動偵測的狀況將傳送到 Android 系統的應用程式,當數值異常時立即發出警示訊號,並依設定時程發送警示簡訊給預設的聯絡人。
本論文所開發的『整合於智慧型手機之居家環境監測與個人健康管理系統』整合居家環境監測裝置與穿戴式生理狀態偵測裝置及室內活動偵測裝置的訊號,並傳送至智慧型手機處理,能夠滿足智慧生活與個人健康管理的需求。

With the low birth rate and the impact of the economic downturn, most families need double income to compensate their spending. When the aged stay alone at home, their issues who work outside will be concerned about them. In this study, we construct a home envi-ronment monitoring system, a physiological status measurement system and an indoor action detection system. By our proposal, these devices can monitor the home environment, user's physiological conditions and one's indoor action. When any exceptional event or a help call demand occurs, a distress message is sent automatically by smartphone. Our goal is to reduce the chance of accidents for elderly people living alone.
In this study, the circuits of home environment monitoring, physiological state meas-urement and indoor action detection are based on Arduino evolution board, respectively. Home environment monitoring system monitors temperature, humidity, fire and air quality. This part contains temperature and humidity sensors, flame sensors, flammable gas sensors, carbon monoxide sensors and carbon dioxide sensors. Physiological state measuring system monitors body temperature, heart rate and body activity. It use semiconductor temperature sensors, PPG sensors and motion sensors. Indoor action detection system detects the status and the position of dwellers in the house. This part uses body infrared sensor and vibration sensor. The resulting data transmit from Arduino embedded systems to the Android applica-tions by Bluetooth modules. If any abnormal event occurs, the alert message is sent to default contacts immediately.
In this thesis, an "Integrated into Smartphones of living environmental monitoring and personal health management system" is proposed. We use smartphones to handle and inte-grate the messages from home environment monitoring devices, wearable physiological state detection device and the indoor activity detection device. Our proposition will meet the re-quirements of smart living and personal health management.

摘要 i
ABSTRACT ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 論文架構 3
第二章 理論基礎 4
2.1 生活環境監測 4
2.1.1 溫度感測器 4
2.1.2 溼度感測器 5
2.1.3 火焰感測器 7
2.1.4 氣體感測器 7
2.2 室內人員活動偵測 8
2.2.1 人體紅外線感測器 9
2.2.2 振動感測器 9
2.3 生理狀態監測 10
2.3.1 活動偵測 10
2.3.2 體溫感測 13
2.3.3 光體積描記圖 13
2.4 短距離無線通訊技術 14
第三章 系統架構與硬體設計 16
3.1 系統架構 16
3.2 電路的電源設計 17
3.3 嵌入式微控制器 18
3.4 通訊介面 21
3.4.1 通用同步非同步接收與發送介面 21
3.4.2 I²C 串列通訊介面 21
3.5 周邊硬體裝置的應用 21
3.5.1 LED 的驅動電路 22
3.5.2 蜂鳴器的驅動電路 22
3.5.3 藍牙無線模組的應用 23
3.6 感測器驅動電路的設計 24
3.6.1 DHT11 溫溼度感測器 24
3.6.2 火焰感測器 25
3.6.3 MQ-2 可燃性氣體感測器 25
3.6.4 MQ-9 一氧化碳氣體感測器 26
3.6.5 MQ-135 煙霧與有害氣體感測器 27
3.6.6 人體紅外線感測器 28
3.6.7 振動感測器 29
3.6.8 MPU-6050 六軸運動感測器 30
3.6.9 LM335 溫度感測器 31
3.7 PPG 類比前端電路設計 31
3.7.1 轉阻放大器 32
3.7.2 高通濾波器的設計與模擬 32
3.7.3 前級放大器的設計與模擬 33
3.7.4 低通濾波器的設計與模擬 34
3.7.5 後級放大器的設計與模擬 35
3.7.6 類比前端電路的整合與模擬 36
3.7.7 類比前端電路的實測結果 37
3.8 電路整合 38
第四章 韌體設計與軟體整合 40
4.1 韌體架構介紹 40
4.2 Android 系統介紹 42
4.3 Android 應用程式開發環境與工具 42
4.4 藍牙無線通訊介面的連結 43
第五章 系統整合與測試 47
5.1 系統整合 47
5.2 系統測試 48
第六章 結論與未來展望 51
6.1 結論 51
6.2 未來展望 51
參考文獻 53

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[35] MQ-2 datasheet, http://www.winsensor.com/product_pdf/MQ/MQ-2.pdf, 鄭州煒盛電子科技有限公司
[36] MQ-9 datasheet, http://www.winsensor.com/product_pdf/MQ/MQ-9.pdf, 鄭州煒盛電子科技有限公司
[37] MQ-135 datasheet, http://www.winsensor.com/product_pdf/MQ/MQ-135.pdf, 鄭州煒盛電子科技有限公司
[38] MPU-6050 datasheet, https://store.invensense.com/datasheets/invensense/MPU-6000EVB.pdf.

[39] LM335 datasheet, http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm335.pdf, TI, 2013

[40] I. W. Q. M. P. Tracker, International Data Corporation (IDC), http://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prUS25589215

[41] MIT App Inventor 2 Beta, http://appinventor.mit.edu/explore/.

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