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系統識別號 U0002-1307201920382400
中文論文名稱 硬體實現環境汙染源溯源行動載具系統
英文論文名稱 Hardware Realizing Environmental Pollution Source Traceability Mobile Device System
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Electrical And Computer Engineering
學年度 107
學期 2
出版年 108
研究生中文姓名 陳建霖
研究生英文姓名 Jian-Lin Chen
學號 706440103
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2019-06-26
論文頁數 69頁
口試委員 指導教授-李揚漢
共同指導教授-李世安
委員-徐丞志
委員-許獻聰
中文關鍵字 自動控制  智能載具  升壓模組  感測器 
英文關鍵字 Automatic control  Smart machine  Boost  Sensor 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 本論文是設計出一套硬體實現環境汙染源朔源行動載具,使用Arduino UNO R3平台做為控制核心,並使用MQ-137氨氣感測模組、ESP8266 WIFI收發無線模組,作為偵測汙染源以及遠端遙控的模組。行動載具藉由感測器模組偵測環境中氨氣的濃度,將感測器所監測到的氨器濃度數據經由運算後,行動載具將朝向偵測濃度最高的區域移動。最後本論文將設計一套能為市面上常見的行動電源所使用的Boost升壓模組,可藉由Boost升壓模組升壓行動電源之輸出,將行動電源取代一般行動載具所使用的18650電池,將其導入至行動載具以達到提升行動載具之續航力。
英文摘要 This thesis is to design a hardware realizing environmental pollution source traceability mobile device, using Arduino UNO R3 platform as the control core, equipping with Arduino Sensor Shield V5.0 sensor expansion board to extend the function, and using MQ- 137 ammonia sensing module and ESP8266 WIFI transceiver wireless module as a module to detect pollution sources and to implement the remote control. The mobile device detects the concentration of ammonia in the environment by the sensor module, and after the calculation of the ammonia concentration ratio, the mobile device will move towrd the area with the highest ratio of ammonia concentration which is under detected. In addition, all the monitoring data and the moving directions will be transmitted to the cloud based on ESP8266 WIFI transceiver module on the mobile device through the WIFI Router. With their mobile phone WIFI, the users can control the mobile device, monitor the detecting data and also the moving directions after the calculation of ammonia concentration ratio. At the end of this thesis, there will come out with a Boost module which can be applied to the normal power bank in the market. By boosting the output with the Boost module, the power bank will be able to replace the 18650 battery, which is usually used on the mobile device, to longer the using time of the mobile device.
論文目次 目錄
誌謝 I
中文摘要 II
ABSTRACT III
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 3
1.3 文獻回顧 4
1.4 章節介紹 6
第二章 研究背景 7
2.1 氨 7
2.2 氨對人體之影響 8
第三章 研究方法 9
3.1 智能載具系統架構 9
3.2 智能載具硬體系統功能 11
3.2.1 Arduino UNO R3 11
3.2.2 Arduino Sensor Shield V5.0感測器擴充板 13
3.2.3 Blynk 15
3.2.4 ESP8266 WIFI 17
3.2.5 SG90舵機 19
3.2.6 MQ-137氨氣檢測傳感器模組 23
3.2.7 L298N步進馬達驅動模組 25
3.2.8 GA12-N20微型金屬減速馬達 27
3.2.9 TPS61087-Q1 28
3.3 成本分析 30
第四章 研究結果與比較 31
4.1 系統線路 31
4.2 硬體功能驗證與實驗流程 36
4.3 實驗結果 38
4.3.1 L298N步進馬達驅動模組與Arduino UNO R3串接 38
4.3.2 SG90舵機與Arduino UNO R3串接 39
4.3.3 MQ-137氨氣感測器與Arduino UNO R3串接 40
4.3.4 ESP8266 WIFI模組與Arduino UNO R3串接 41
4.3.5 確認Arduino UNO R3是否能透過ESP8266 WIFI通訊 42
4.3.6 確認Arduino控制L298N操縱兩組GA12-N20 43
4.3.7 確認Arduino UNO R3能否控制SG90舵機正常擺動 44
4.3.8 確認Arduino UNO R3是否能接收兩組MQ-137所感測之數據 46
4.3.9 TPS61087升壓行動電源 47
4.3.9.1 TPS61087-Q1升壓7.5V輸出設計 47
4.3.9.2 Boost轉換效率 55
4.3.9.3 TPS61087升壓行動電源與兩顆18650電池使用時間比較 58
4.3.10 系統耗電量分析 59
4.3.10.1 行動載具運行流程 59
4.3.10.2 系統耗電量測試 60
第五章 結論與未來展望 66
5.1 結論 66
5.2 未來展望 67
參考文獻 68

圖目錄
圖 1 1朔源行動載具搭載MQ137氨氣之感測模組 2
圖 1 2 Arduino Uno R3開發版 5
圖 1 3 Blynk介面 5
圖 1 4 Boost IC - TPS61087-Q1[3] 5
圖 1 5 論文架構圖 6
圖 2 1 氨的性質 7
圖 3 1 系統架構圖 10
圖 3 2 Arduino Uno R3控制板元件標示[8] 11
圖 3 3 Arduino IDE介面 12
圖 3 4 Arduino Sensor Shield V5.0感測器擴充板接腳標識圖[10] 14
圖 3 5 Arduino Sensor Shield V5.0 疊層設計 14
圖 3 6 Blynk與手機和硬體裝置連接示意圖 15
圖 3 7 Blynk for iOS 版面設計 16
圖 3 8 Blynk for Android 版面設計 16
圖 3 9 ESP8266 WIFI 模組[11] 17
圖 3 10 ESP8266 WIFI Module 線路圖 18
圖 3 11 SG90舵機PIN腳位標示圖[12] 19
圖 3 12 SG90線路圖 20
圖 3 13 SG90舵機角度控制關係表 21
圖 3 14 SG90舵機角度控制0° 21
圖 3 15 SG90舵機角度控制90° 22
圖 3 16 SG90舵機角度控制180° 22
圖 3 17 3G90舵機轉向角度方位圖 22
圖 3 18 MQ-137氨氣感測器模組元件標示圖[13] 23
圖 3 19 MQ-137氨氣感測器線路圖 24
圖 3 20 L298N步進馬達驅動模組接腳表示圖[14] 25
圖 3 21 L298N步進馬達驅動模組電路圖 26
圖 3 22 GA12-N20微型金屬減速馬達尺寸圖[15] 27
圖 3 23 TPS61087-Q1實體&腳位配置圖[3] 28
圖 4 1 行動載具之系統線路 32
圖 4 2 行動載具之線路系統模擬圖 32
圖 4 3 行動載具實體模擬圖-正面 33
圖 4 4 行動載具實體模擬圖-背面 33
圖 4 5 行動載具實體模擬圖-側面 34
圖 4 6 行動載具實體模擬等視圖 34
圖 4 7 行動載具實體模擬爆炸圖 35
圖 4 8 實驗流程圖 37
圖 4 9 L298N步進馬達驅動模組與Arduino UNO R3串接&上電測試 38
圖 4 10 SG90舵機與Arduino UNO R3串接 39
圖 4 11 MQ-137氨氣感測器與Arduino UNO R3串接 40
圖 4 12 MQ-137氨氣感測器與Arduino UNO R3上電測試 40
圖 4 13 ESP8266 WIFI模組與Arduino UNO R3串接 41
圖 4 14 Blynk成功與行動載具連接 42
圖 4 15 SG90舵機運作實驗(0度) 44
圖 4 16 SG90舵機運作實驗(90度) 45
圖 4 17 SG90舵機運作實驗(180度) 45
圖 4 18 Blynk監控行動載具所偵測之四個方位的氨氣濃度 46
圖 4 19 Boost線路圖 47
圖 4 20 系統加入Boost線路 48
圖 4 21 行動載具加入Boost升壓行動電源實體模擬圖-正面 48
圖 4 22 行動載具加入Boost升壓行動電源實體模擬圖-背面 49
圖 4 23 行動載具加入Boost升壓行動電源實體模擬圖-側面 49
圖 4 24 行動載具加入Boost升壓行動電源實體等視圖 50
圖 4 25 行動載具加入Boost升壓行動電源機構實體模擬爆炸圖 50
圖 4 26 轉換效率VS輸出電流[3] 51
圖 4 27 TPS61087-Q1分壓設定輸出線路 53
圖 4 28 TPS61087-Q1 Boost升壓板 54
圖 4 29 行動載具搭載18650電池 54
圖 4 30 行動載具搭載行動電源 55
圖 4 31 Boost線路實際測試 56
圖 4 32 輸出功率測試曲線 57
圖 4 33 輸入/輸出電壓測試曲線 57
圖 4 34 18650電池與行動電源6500mA使用時間比較圖 58
圖 4 35 行動載具朔源動作流程圖 59
圖 4 36 行動載具耗電量測試 61
圖 4 37 行動載具之待機功率 61
圖 4 38 SG90舵機旋轉(0-90)+MQ137感測氨氣(前)之功率 62
圖 4 39 SG90舵機旋轉(90-180)+MQ137感測氨氣(前)之功率 62
圖 4 40 SG90舵機旋轉(180-0)+MQ137感測氨氣(前)之功率 63
圖 4 41 MQ137感測氨氣(後)之功率 63
圖 4 42 兩組GA12-N20減速馬達旋轉之功率 64
圖 4 43 行動載具運行總消耗功率 64
圖 4 44 行動載具消耗功率比較圖 65







表目錄
表 3 1 Arduino UNO R3開發板規格及特點[9] 12
表 3 2 Arduino Sensor Shield V5.0感測器擴充板獨立接口 13
表 3 3 ESP8266 WIFI 模組基本規格[11] 18
表 3 4 SG90舵機規格[12] 20
表 3 5 MQ-137氨氣感測器模組規格 24
表 3 6 L298N步進馬達驅動模組規格[14] 25
表 3 7 L298N步進馬達驅動模組驅動直流馬達訊號表 26
表 3 8 GA12-N20微型金屬減速馬達規格[15] 27
表 3 9 TPS61087-Q1腳位功能[3] 29
表 3 10 TPS61087-Q1參數[3] 29
表 3 11 行動載具成本分析表 30
表 4 1 軟體定義之硬體系統腳位 31
表 4 2 GA12-N20微型金屬減速馬達驅動狀態表 43
表 4 3 Boost線路轉換功率測試數據表 56
表 4 4 18650電池與行動電源6500mA使用時間比較表 58
表 4 5 行動載具消耗功率表 65

參考文獻 [1]. 台灣環境資訊協會,“空污「貧富差距」惡化 全球95%人都呼吸有毒空氣,”https://e-info.org.tw/node/211122
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[12]. 廣華電子,“SG90 舵機 9克伺服機1.8Kg扭力 含舵機支架, ”https://www.taiwaniot.com.tw/product/%E8%BC%9D%E7%9B%9B-sg90-tower-pro-1-8kg-%E8%88%B5%E6%A9%9F-9%E5%85%8B%E4%BC%BA%E6%9C%8D%E6%A9%9F/
[13]. 台灣物聯科技,“MQ-137 氣體感測器模組 – Ammonia 阿摩尼亞 NH3 氨氣檢測傳感器, ”https://www.taiwaniot.com.tw/product/mq-137-%E6%B0%A3%E9%AB%94%E6%84%9F%E6%B8%AC%E5%99%A8%E6%A8%A1%E7%B5%84-%E6%B0%A8%E6%B0%A3%E6%AA%A2%E6%B8%AC%E5%82%B3%E6%84%9F%E5%99%A8/

[14]. 廣華電子,“步進馬達驅動控制器, ”http://shop.cpu.com.tw/product/46920/info/
[15]. 廣華電子,“DC 直流減速馬達, ”http://shop.cpu.com.tw/html/1162/GA12-N20-3V0015.html
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