物聯網系統整合應用 IOT (Internet of things)
物聯網(IOT)系統整合應用 課程安排 Part 1, 物聯網系統架構介紹 實作: 各裝置硬體實體之熟悉, 以及Beaglebone WebServer基本操作
Part 2, 3 Arminno 軟硬體環境介紹及藍芽應用, 與ZigBee Coordinator 流程介紹 實作: Arminno 開發環境使用熟悉及 Arminno+ZigBee 程式練習
Part 3,4 Arduino 軟硬體及相關Ozone模組介紹, 及ZigBee End Devices 流程介紹 實作: Arminno 開發環境使用與ZigBee End, 以及其他感測器相關模組程 式練習
Part 5,6 Beaglebone WebServer 流程, 及 Phthon Script 程式 介紹 實作: 修改Beaglebone程式, 與其他Linux指令操作練習
主題 (Part 1)
物聯網概述 物聯網相關應用 利基物聯網系統架構與流程介紹 物聯網系統實例操作 以終端裝置連接WebSever系統 各個網路層次軟體環境使用
2014 電子產業三大趨勢 穿戴式裝置 (Wareable Device) 雲端處理 (Cloud Processing) 巨量資料分析 (Big Data Analysis) 機器自動化 (Machine Automation)
物聯網 IOT (Internet of Things), or M2M (Machine to Machine)
何謂 物聯網? 物聯網(Internet of Things, IOT)一詞，最早由國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)於2005年所發布的報告「The Internet of Things」中提出 什麼是物聯網(Internet Of Things)？簡單來說，就是讓所有物品都能連上網 路、進而利用網路功能，達成即時查詢、遠端控制、遠端監控、並且透過智 慧管理的方式進行多項加值應用，達成「全面感知、可靠傳遞、智慧處理」 三大特徵的智慧生活境界。 物聯網所涉及之技術，包括 嵌入式作業系統、微處理控制、感測器技術、存 取控制網路、聯網伺服器建置技術、不同的應用技術與服務平台，這中間自 然涉及許多相關介面標 準、安全、認證機制等。
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物聯網架構的三個技術層次 應 用 層
網路及雲端運用 智能醫療 環境監測 公共安全
網 絡 層
各式有線網路
感 知 層
感測器
RS485 USB ADSL 光傳輸 ……
溫度/濕度 距離/影像 速度/位置 ……
智能家居 智能生活 智能物流
智能程式 食品追朔 …… 無線網路
網際網路 Ethernet
綜合識別 感知整合
2G/3G/4G WIFI WiMax/LTE Zigbee/Bluetooth ……
物體 人/服裝 汽車/飛機 貨品/零件 ……
哪些已經或即將發生的IOT應用 .... 1. 運動器材大廠 FitBit 及 Nike 於活動裝置上裝感測器 來記錄運動數據並上傳 2. 成衣廠在衣料中裝改測器來進行健康偵測並上傳 3. 智慧隱形眼鏡, 將糖尿症患者感測眼淚並將數據上傳 4. 家中裝感測器偵測溫度, 及通風系統並將數據上傳 5. 環境偵測, 亞馬遜雨林裝感測器並將數據上傳以防盜 砍 6. 紐約市政府策劃聯網垃圾桶, 加裝感測器並回傳資料 7. Audi Car 將於車載裝置加裝感測器並回傳資料 8. Samsung 預期將於數年內所有生產家電加裝感測器 以達互動之目地
2018 年全球物聯網裝置量將達 90
億部
2014 年度CeBIT 展 (3/10) 創意產品 運動器材
無線照明
有鑑於物聯網對使用者有過多抽象之概念與技術 上之門檻障礙 因此利基科技公司特地 針對物聯網所需之感知 層、網路層各項之軟硬 體加以整合，並透過一 系列由淺到深之學習文 件及範例，讓使用者可 以以漸進式之方式完全 了解務聯網所需之運作 原理與實務經驗
應用層
物聯網系統方塊圖 網絡層
網絡層
ethernet UART
智慧感知資訊 分配控制器
無線訊號 封包橋接器
Slave端 無線Zigbee模組
無線訊號 封包橋接器
Slave端 無線Zigbee模組
無線訊號 封包橋接器
Slave端 無線Zigbee模組
無線訊號 封包橋接器
CMDBUS
Slave端 無線Zigbee模組
CMDBUS
Webserver 模組
UART
無線訊號 封包橋接器
CMDBUS
Master端 無線Zigbee模組
無線wifi模組
Slave端 無線Zigbee模組
CMDBUS
Zigbee 無線訊號
無線訊號 封包橋接器
CMDBUS
wifi/3G 無線訊號
Slave端 無線Zigbee模組
感知層
Mp3聲音播放 模組 加速度感測模 組 顏色感測及 LED顯示模組 溫溼度量測模 組 超音波測距模 組 Servo馬達控 制模組
物聯網系統實體介紹 網絡層 無線:wifi模組
網絡層: webserver模組
網絡層:智慧感知 資訊分配控制器
網絡層:Master 無線Zigbee模組
聲音播 放用揚 聲器
感知層: Servo 馬達 感知層: Mp3聲 音播放 模組
感知層: Servo 馬達控 制模組
感知層: 超音波測距模組
感知層: 溫溼度量測模組
網絡層: 無線訊號封 包橋接器
網絡層: Slave無線 Zigbee模組
感知層: 顏色感測及 LED顯示模組
感知層: 加速度感 測模組
物聯網系統架構示意圖 WebServer (Beaglebone)
ZigBee Coordinator (Arminno)
ZigBee Protocol ZigBee End Devices (Ozone) + Sonar
ZigBee End Devices (Ozone) + Acc
ZigBee End Devices (Ozone) + Servo
ZigBee End Devices (Ozone) + MP3
ZigBee End Devices (Ozone) + Temp
系統流程 (三套不同的系統 ) BeagleBone
感測器資料 (Sensor Data)
Arminno
控制指令 (Command)
Ozone
Ozone Ozone …
各位同學即將學習到的 ... 系統
硬體
軟體
BeagleBone
ARM Cortex A-Serial
Linux / Python
Arminno
ARM Cortex M-Serial
Keil-C (ANSI_C)
Ozone
Arduino Leonado
Arduino C
Webserver 模組
BeagleBone 開發板
BeagleBone™為本系統的 WebServer 模組，採用 TEXAS INSTRUMENTS 的 AM3358 cortex-A8 為核心，透過高彈性的 Linux 核 心，可簡化在 BeagleBone 上各類感測器和控制的開發工作，使用現有驅動程 式與介面應用，以降低學習輸入╱輸出的複雜度。此外，它還提供內建乙太網 MAC、 A/D 轉換器、支援 PHY 的 USB 以及其他週邊，將所需的外部元件數量 減至最低，進一步簡化設計。
BeagleBone網頁 程式架構圖
Initial Uart Initial Webserver
No
Press button Data from Arminno? Send command to Arminno
Display
執行指令
接收資料與顯 示
BeagleBone物 聯網首頁 透過有線或無線網路，使用 者可利用手機或PC 等裝置， 經由物聯網首頁，得知各感 知器的即時狀態 ，或透過網 頁去遠端遙控各種裝置。 IOT Server 使用說明
相關雲端運用 連結圖 USER
Internet IOT Server
智慧感知資訊 分配控制器
Arminno™單板電腦 Arminno™為本系統的核心，它是一個小型的單板電腦(SingleBoard Computer)，採用盛群半導體(HOLTEK)以Cortex M3為 核心所生產之HT1765高速微處理器，Cortex M3為ARM嵌入 式系統的最新核心之一。在程式編寫過程的除錯階段，或者程 式碼的下載時，Arminno™透過USB線與PC連接，方便它與PC 間的資料傳遞，但當程式下載完畢，它也可以脫離PC而獨立作 業。其擁有豐富內建硬體周邊及充足之記憶體，使其可執行眾 多各式不同之任務。 Arminno相關使用資料 智慧感知資訊分配控制器程 式範例
智慧感知資訊 分配控制器 系統方塊圖
BeagleBone
UART0
ZigBee Coordinator (Master)
Arminno UART1
Zigbee Module
Initial Uart0/Uart1
智慧感知資訊 分配控制器 程式架構圖
Wait 2 Second
Arminno + ZigBee 流程
Get Zigbee Association List Initial Timer Tm0
Uart 0 <-> WebSever Uart 1 <-> ZigBee
No over 2 sec?
Reset Timer Tm0
Send command to end device & Receive Data from end device via Uart1 Merge Receive Data from end device
Last End device?
No Send Receive Data to Webserver via Uart0
Data from Web server via Uart0?
No Process Data
無線訊號封包橋接器
OZONE™單板電腦 OZONE™採用國際大廠ATMEL所生產之ATmega32u4高速微處理控制器， 其採用目前最普遍之AVR控制核心，具有20個數位的輸出/輸入點，其中有7個可以做為 PWM的輸出，另外12個可以做為類比輸入。其擁有32KByte Flash及2.5KByte SRAM程式 空間，運作時脈高達16MHz。
OZONE™ 100%完全相容於由Arduino™所最新推出之Leonardo™控制器 ，也可使用目前擁有最高支援度之開放程式碼Arduino™程式開發環境，其內建 USB及程式開發階段簡易硬體除錯介面，使用者只需透過USB線與PC連接，即可透過 Arduino™即時過程除錯功能及程式碼之下載，此外當程式下載完畢，它也可以脫離PC而 獨立作業。 OZONE™內建多種硬體加速及擴充支援功能，例如TIMER、UART、I2C、SPI， EEDATA…等，擁有這些功能不僅可讓OZONE™可加速相關指令執行，更可在同時間進行 多種不同程序處理。利基在此一基礎上進一步開發了CMDBUS™內建功能相關函式庫，擁 有多達50種不同功能模組可供使用(同時最多31個)，讓使用者可以直接享受由OZONE™所 帶來之易於上手及快速開發之便利性。
OZONE相關使用資料
CMDBUS
CMDBUS™週邊模組
CMDBUS™智慧週邊模組的使用是利基所提供的開發系統特色之一。 CMDBUS™匯流排為利基針對所有CMDBUS™模組所開發之通用匯流排 ，可利用定義不同Module ID將所有模組串接於CMDBUS™匯流排上。
OZONE
周邊模組總覽
智慧感知資訊 Arduino Software 分配控制器 系統方塊圖
CMDBUS 周邊感測模組
CMDBUS OZONE TM
ZigBee End-Device (Slave)
UART
Zigbee End Device
智慧感知資訊 分配控制器 程式架構圖
Ozone + ZigBee 流程 Initial Module
Uart <-> ZigBee
No Send Data to Zigbee
Command from Zigbee?
Process Command
Execute command
Read type command?
No
無線Zigbee模組
ZigBee是一種低速短距離傳輸的無線網路協定，底層是採用 IEEE 802.15.4 標準規範的媒體存取層與實體層。主要特色有低速、低耗電 、低成本、支援大量網路節點、支援多種網路拓撲、低複雜度、快速 、可靠、安全。
短距離無線通訊技術比較 RF2.4G
Bluetooth
ZigBee
(IEEE802.15.1 (IEEE802.15.4 ) )
電源持續
days
days
節點數 傳輸距離 網路拓樸
NA 280m Point to Point
7 10m Piconet (1 to 7)
傳輸率 安全性
years
65536 10m~300m Star、Mesh 、Cluster Tree 250 Kbps 1 Mbps 250 Kbps NA 64bit, 128bit 128bit 紅色表示規格較優
ZigBee 技術背景 ZigBee是IEEE 802.15.4協定的代名詞。ZigBee 這個字 源自於蜜蜂群藉由跳 ZigZag(八字舞)形狀的舞蹈，來通 知其他蜜蜂有關花粉的方位信息，以達到彼此溝通訊息 之目的。ZigBee 先前亦被稱為「HomeRF Lite」、「RFEasyLink」或「FireFly」後來統一稱為ZigBee, 有人翻 譯成”群蜂網路”。 特點是近距離、低復雜度、低功耗、低資料速率、低成 本。 ZigBee 適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入 各種設備。 29
意象及生活應用圖
各種ZigBee網路架構
Mesh
Star
Cluster Tree ZigBee Coordinator (Master) ZigBee Router ZigBee End Device (Slave)
ZigBee 聯盟
ZigZee聯盟於2013年提出智慧能源管理規範 (SEP2.0 version)與家庭自動化規範(HA1.2 version)
ZigBee聯盟制定ZigBee規範 (HA1.2/SEP2.0 in 2013)
以運用於三大領域: 1. 家庭自動化 Home Automation 2. 建築自動化 Building Automation 3. 工業自動化 Industrial Automation
不斷增長之物聯網行業應用版圖