對於許多家庭來說每個月的電費帳單總是一筆額外的支出，但我們時常在看帳單時，才了解到上個月的用電狀況，才開始後悔為何如此的奢侈的用電。為了減少金錢與能源的浪費，本篇論文使用訊息推播方式結合電力監測實作出一套智慧電力監測系統，使用者可以藉由手機接收的資料，即時的了解電器的使用狀況與耗能。在此論文中我們使用了MQTT協定和藍牙協定作為通訊基礎，並使用智慧型手機、樹莓派3、Arduino、電力監測電路完成智慧電力監測系統，此系統分為兩個部分，一是電力監測系統，另一部分是MQTT推播系統，電力監測系統是藉由電力監測電路得知電器耗能，並使用藍牙協定將資料傳送給MQTT推播系統，MQTT推播系統則是利用網際網路將由電力監測系統得的資料傳遞給智慧型手機，使用者可藉由這些資訊決定電器的使用。

For many families, the electricity bill can be a burden every month, and many people will have regrets when they use electricity extravagantly and see the next month’s bill.
In order to help consumers conserve money and energy, this study uses the method of message publishing and broadcasting combined with power monitoring to comprise a smart power monitoring system. Users can monitory the energy consumption of their electrical appliances with data received by mobile phones.This study attempts to use MQTT protocol and Bluetooth protocol as the basis of communication, and combine smart phones, Raspberry Pi 3, Arduino, and a power monitoring circuit to complete the smart power monitoring system.
This system is divided into two parts: a power monitoring system, and the MQTT system. The power monitoring system uses the power monitoring circuit to read the electrical energy consumption and send data to the MQTT system by Bluetooth protocol. The MQTT system connects the internet to transmit power information to the smart phone. Users can make informed decisions about how to use each appliance.

目錄
摘要 I
ABSTRACT II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 X
第一章 緒論 1
1.1 研究目的 1
1.2 研究背景 3
1.3 相關研究 5
第二章 背景知識 6
2.1 MQTT 6
2.1.1 簡介與專有名詞 6
2.1.2 發佈與訂閱 10
2.1.3 MQTT控制封包 12
2.1.4 控制封包格式 15
2.1.5 Quality of Service 19
2.2 藍牙 22
2.4.1 藍牙簡介 22
2.4.2 BLE通訊模式 23
2.3 Raspberry Pi 3 25
2.4 Arduino 、藍牙模組簡介 26
2.5 電流感應器 28
第三章 系統架構 29
3.1 MQTT 29
3.1.1 MQTT發佈端 30
3.1.2 MQTT中間伺服器 31
3.1.3 MQTT訂閱端 31
3.2 電力監測系統 32
3.2.1 電力監測電路 32
3.2.2 藍牙傳輸協定 33
第四章 實驗測試與分析 34
4.1 智慧家庭電力監測實驗 34
4.1.1 實驗目的與介紹 34
4.1.2 實驗環境與步驟 34
4.1.3 實驗結果與分析 37
第五章 結論 44
參考資料 45


圖目錄
圖 (1-1)、電力消費(按照部門) 3
圖 (1-2)、平均每人能源消費與用電量 6
圖 (1-3)、家庭用每度電比較 6
圖 (1-4)、物聯網概念 7
圖 (2-1)、MQTT標誌 3
圖 (2-2)、MQTT 發佈／訂閱架構 6
圖 (2-3)、QoS 0傳遞關係圖 19
圖 (2-4)、QoS 1傳遞關係圖 20
圖 (2-5)、QoS 2傳遞關係圖 21
圖 (2-6)、藍牙標誌 22
圖 (2-7)、BLE Single-Mode 標誌 23
圖 (2-8)、BLE Dual-Mode 標誌 23
圖 (2-9)、BLE裝置在Broadcaster 模式的傳輸情形 24
圖 (2-10)、BLE裝置在Connection模式下的傳輸情形 25
圖 (2-11)、樹莓派標誌 26
圖 (2-12)、樹莓派開發版 26
圖 (2-13)、Arduino開發版 27
圖 (2-14)、HC-06藍牙模組 27
圖 (2-15)、SCT-013電流感應器 28
圖 (3-1)、系統架構 29
圖 (3-2)、訊息傳遞流程 30
圖 (3-3)、MQTT系統的發佈端樹莓派 30
圖 (3-4)、MQTT系統的中間伺服器樹莓派 31
圖 (3-5)、電力監設電路圖 32
圖 (3-6)、藍牙傳輸協定主從關係 33
圖 (4-1-1)、藍牙連線模組 34
圖 (4-1-2)、電流感應器 35
圖 (4-2)、偵測電器 35
圖 (4-3)、實驗程序圖 36
圖 (4-4)、MQTT連線與主題訂閱完成 37
圖 (4-5)、第一筆用電資訊 37
圖 (4-6)、所有收到的用電資訊 38
圖 (4-7)、第一個間隔讀取的工作電流 38
圖 (4-8)、第二個間隔讀取的工作電流 39
圖 (4-9)、第三個間隔讀取的工作電流 39
圖 (4-10)、第四個間隔讀取的工作電流 40
圖 (4-11)、第五個間隔讀取的工作電流 40
圖 (4-12)、第六個間隔讀取的工作電流 41
圖 (4-13)、第七個間隔讀取的工作電流 41
圖 (4-14)、第八個間隔讀取的工作電流 42
圖 (4-15)、第九個間隔讀取的工作電流 42
圖 (4-16)、第十個間隔讀取的工作電流 43


表目錄
表 (2-1)、MQTT控制封包結構 12
表 (2-2)、Fixed Header 格式 12
表 (2-3)、MQTT Control Packet Type 13
表 (2-4)、Flags 說明 14
表 (2-5)、Packet Identifier bytes 15
表 (2-6)、PUBLISH Fixed Header 15
表 (2-7)、QoS Level 定義 16
表 (2-8)、PUBLISH 控制封包範例 17
表 (2-9)、PUBLISH Variable Header範例 18
表 (2-10)、預期響應 18
表 (2-11)、BLE 支援情況表 23
表 (4-1)、消耗電能 43

參考資料
[1]經濟部能源統計手冊，經濟部. (2016, May 10) [Online]. Available:https://www.moeaboe.gov.tw/ECW_WEBPAGE/FlipBook/EnergyStaHandBook/mobile/index.html#p=I
[2]電價與電費支出 ，台灣電力公司. (2015, Aug 20). [Online].Available:https://www.taipower.com.tw/content/govern/govern01.aspx?MType=5&MSType=14
[3]A. Al-Fuqaha, M. Guizani, M. Mohammadi, M. Aledhari and M. Ayyash, “Internet of Things: A Survey on Enabling Technologies, Protocols, and Applications,” in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 17, no. 4, pp. 2347-2376, Fourth quarter 2015.
[4]K. Peter, “Smart Meter based energy management system,” in: ICREPQ, (11th International Conference on Renewable Energies and Power Quality) 2011.
[5]Sticknfind, (2013, April 26). Meter Plug [Online]. Available: https://www.indiegogo.com/projects/meterplug-lower-your-electricbill-measure-real-electric-cost#/
[6]MQTT.ORG. (2014, Nov 7). Frequently Asked Question [Online]. Available: http://mqtt.org/news
[7]MQTT.ORG. (2014, April 10). MQTT Version3.1.1PlusErrata [Online]. Available: http://docs.oasisopen.org/mqtt/v3.1.1.html
[8]趙英傑, Arduino互動設計入門2, 3nd ed. Taiwan, 旗標出版社出版, 2016
[9]THDC.com. (2011, July 26). Split core current transformer [Online]. Available: http://www.mcielectronics.cl/website_MCI/static/documents/Datasheet_SCT013.pdf
[10]Schaerer.com, (2015). Scherer Coffee Joy [Online]. Available: https://www.schaerer.com/en/coffee-machines/schaerer-coffee-joy/
[11]Arduino.cc, (2014). ARDUINO UNO [Online]. Available: https://store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3
[12]Raspberry.org, (2015). RASPBERRY PI 3 MODEL B [Online]. Available: https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-3-model-b/
[13]Cacoo.com, (2017). Cloud-based diagrams, the easy way [Online]. Available: https://cacoo.com/
[14]Mosquitto.org, (2013, Nov 26). Eclipse Mosquitto [Online]. Available: https://mosquitto.org/