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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:辜政融
研究生(外文):KU,CHENG-JUNG
論文名稱:畜牧業物聯網與私人雲端伺服器的整合應用
論文名稱(外文):Integrate Internet of Things and Private Cloud Server for Animal Husbandry
指導教授:許騰仁
指導教授(外文):Terng-Ren Hsu
口試委員:呂明峯、鄧俊修
口試委員(外文):LU, MING-FENG、DENG, JIUN-SHIOU
口試日期:2020-06-19
學位類別:碩士
校院名稱:中華大學
系所名稱:電機工程學系
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:2020
畢業學年度:108
語文別:中文
論文頁數:42
中文關鍵詞:物聯網環境控制嵌入式微控制器私人雲端伺服器無線網路
外文關鍵詞:Internet of Things (IoTs)Environmental ControlEmbedded MicrocontrollerPrivate Cloud ServersWireless Network
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畜牧業對人類來說是重要的糧食產業,隨著全球人口不斷的增長,食物的需求隨之增加,因此畜牧業的產業規模也愈來愈大,導致對應的環境汙染問題也在不斷的擴大。為了改善畜牧業的汙染問題與畜牧場環境,本論文使用空氣品質感測器、溫濕度感測器與照度感測器評估畜牧場中的環境;使用環境控制裝置例如:負離子產生器、臭氧產生器、超音波霧化器、風扇與燈泡,改善畜牧場與周遭的環境。整合嵌入式微控制器、無線網路與雲端伺服器建構畜牧業物聯網,應用資通科技增進畜牧業的生產效率。
本論文使用 Arduino Due R3 嵌入式微控制系統開發板作為感測節點的核心,利用 MQ-135 與 MQ-7 氣體感測模組量測畜牧場的空氣品質與一氧化碳濃度、利用 DHT-11 溫溼度感測模組量測畜牧場內外的溫濕度、利用光敏電阻模組量測畜牧場的照度,評估感測的數據,驅動負離子產生器、臭氧產生器、超音波霧化器、風扇與燈泡等裝置改善畜牧場的環境。
系統監控數值與控制器狀態使用 UART 介面由 Arduino Due R3 傳至 NodeMCU,再透過 NodeMCU 連接無線網路將數據上傳雲端伺服器,本論文的雲端伺服器使用樹莓派單板微電腦 (Raspberry Pi 3B+) 為基礎建置,使用者可以透過網頁瀏覽器讀取畜牧場的環境狀態。

Animal husbandry is an important food industry for human beings. As the global population continues to grow, so does the demand for food. The corresponding environmental pollution problems are also expanding. In order to improve the pollution problem of animal husbandry and the environment of livestock farms, we use air quality sensors, temperature and humidity sensors and luminance sensors to evaluate the environment, and use environmental control devices such as negative ion generators, ozone generators, ultrasonic atomizers, fans and bulbs to improve the environment. Integrate embedded microcontrollers, wireless networks and private cloud servers to construct animal husbandry internet of things and improve the production efficiency of animal husbandry.
In our proposal, the Arduino Due R3 evaluation board (EVB) is used as the core of the sensing node. For the environmental sensing of livestock farms, MQ-135 and MQ-7 gas sensor modules are used to measure indoor and outdoor air quality and indoor carbon monoxide concentration, DHT-11 temperature and humidity sensor modules are used to measure indoor and outdoor temperature and humidity, and the photoresistor modules are used to measure the indoor luminance. Evaluate the sensed data to drive anion generators, ozone generators, ultrasonic atomizers, fans and light bulbs to improve the environment of livestock farms.
The sensing data and the controller status are transferred from the Arduino Due R3 EVB to the NodeMCU EVB by UART interface, and then these data are uploaded to the private cloud server via WiFi wireless networks. In this thesis, a Raspberry Pi 3B+ single-board microcomputer is used to construct the private cloud server. Users can observe the environmental status of livestock farms through a web browser of a smart device.

摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 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 1
1.3 論文架構 2
第二章 理論介紹 3
2.1 畜牧場的環境介紹 3
2.2 環境感測的原理 3
2.2.1 溫度與濕度感測的原理 3
2.2.2 氣體感測的原理 4
2.2.3 亮度感測的原理 4
2.3 環境控制的原理 5
2.3.1 溫度控制的方式 5
2.3.2 濕度控制的方式 5
2.3.3 空氣品質控制的方式 6
2.4 無線通訊技術簡介 6
2.5 物聯網簡介 6
2.6 雲端儲存空間簡介 6
第三章 系統設計與硬體架構 8
3.1 系統架構 8
3.2 嵌入式微控制系統的規劃 9
3.2.1 Arduino Due R3 開發板 9
3.2.2 NodeMCU 開發版 11
3.3 嵌入式微控制系統周邊模組的電路設計 12
3.3.1 RTC 時間模組 13
3.3.2 SD 卡模組 13
3.4 環境感測模組的電路設計 14
3.4.1 DHT-11 溫濕度感測模組 14
3.4.2 MQ-135 氣體感測器 15
3.4.3 MQ-7 一氧化碳感測器 16
3.4.4 亮度感測模組 17
3.5 周邊硬體裝置的控制應用 18
3.5.1 風扇的控制 19
3.5.2 灑水系統的控制 19
3.5.3 負離子產生器的控制 20
3.5.4 臭氧產生器的控制 20
3.5.5 燈泡的控制 21
3.5.6 超音波霧化模組的控制 21
3.5.7 排水系統的控制 22
3.5.8 排風系統的控制 22
3.6 電路整合 23
第四章 系統整合與測試 24
4.1 嵌入式微控制器的韌體規劃 24
4.2 私人雲端伺服器的建置 25
4.2.1 樹莓派單板微電腦的簡介 25
4.2.2 Apache 伺服器的架設 26
4.2.3 MySQL Server 資料庫的架設 27
4.2.4 PHPMyAdmin 管理介面的安裝 27
4.3 私人雲端伺服器的傳輸 28
4.3.1 NodeMCU 的連接 29
4.4 系統測試 29
第五章 結論與未來展望 31
5.1 結論 31
5.2 未來展望 31
參考文獻 32

[1] 周明顯,“8周明顯畜牧場及堆肥場臭味之控制技術文稿,"
https://tagis.coa.gov.tw/FileUpload/Public_Manage/Ref/2017/20171121170405.pdf., 2017.

[2] 林坤佑,“應用於畜牧業的私人雲端物聯網設計,"中華大學,2019.
[3] 盧明智,“感測器應用與線路分析,"全華圖書, 2008.
[4] Light Dependent Resistor LDR: Photoresistor,
https://www.electronicsnotes.com/articles/electronic_components/resistors/light-dependent-resistor-ldr.php

[5] 曾煜棋、林政寬、林致宇、潘孟鉉,無線網路--通訊協定、感測網路、射頻技術與應用服務,碁峰資訊股份有限公司, 2011.
[6] H. Technology, ESP8266 NodeMCU WiFi Devkit,
https://www.handsontec.com/pdf_learn/esp8266-V10.pdf.

[7] 蔡湘羽,“基於物聯網技術之工廠環境安全檢測系統,"2019.
[8] arduion 官方網站.
https://store.arduino.cc/usa/due.

[9] 盧靈斌,“應用於畜牧業的農業物聯網設計,"2018.
[10] RTC_datasheet,Maxim integrated.
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS1307.pdf.

[11] SD module datasheet,eBay.
http://datalogger.pbworks.com/w/file/fetch/89507207/Datalogger%20-%20SD%20Memory%20Reader%20Datasheet.pdf.

[12] 樹莓派官網.
https://www.raspberrypi.org/documentation/hardware/raspberrypi/bcm2711/rpi_DATA_2711_1p0_preliminary.pdf

[13] 周明顯、張筱瑜、李尚娟,“畜牧場及堆肥場臭味控制技術手冊,”畜牧污染防治資訊系統,行政院農業委員會,
https://tagis.coa.gov.tw/Public/Propaganda.aspx, 2017.

[14] 陳履學,“雲端空氣品質監測系統,"2016.
[15] 易欣民,“居家安全與生活環境的私人雲端監測系統,"2017.
[16] 劉幼琍、孔令信、江亦瑄、何吉森、吳世豪,大數據與未來傳播,五南圖書出版股份有限公司,2011.
[17] William Desportes , Michal_Čihař, Madhura Jayaratne、Isaac Bennetch、Deven Bansod、Dan Ungureanu、Maurício Meneghini Fauth, phpMyAdmin, https://www.phpmyadmin.net/,2003-2019.

[18] 樹莓派3B+技術規格和性能基準測試,樹莓派愛好者。
https://kknews.cc/digital/qnm4nxr.html.

[19] 陳鐘誠,陳鐘誠.http://ccckmit.wikidot.com/lk:introduction.

[20] Linux官網. https://www.kernel.org/.

[21] Apache官網. https://httpd.apache.org/.

[22] PHPMyAdmin官網. https://www.phpmyadmin.net/.


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