空氣污染的問題一直存在於各個國家中，環保署之下各氣象局做自動化儀器監測各氣象資料己有數年。但各氣象站從溫度，濕度到空氣品質等所測得的資訊提供的皆是整體大範圍的數值，在小區域的氣象資料準確度上難免有落差。而台灣近年來的空氣污染的問題除了從中國大陸的空污甚至霾害漂洋過海，也有台灣本地的工業區因為密集生產而產生的空氣汙染。甚至因為車輛密度高排放的廢氣多，再加上政府政策因提倡廢核提高火力或天然氣發電的發電量，其在燃燒發電的過程產生的污染物包含了懸浮在空氣中的微粒子PM2.5或PM10與其他污染物（SO2,NO2,CO,O3等）。
　　氣象站的大範圍偵測可以取得大區域的整體結果，但使用微型氣象監視系統監視其小區域的氣象資料配合環保署本身的資料應可以提升小區域氣象的準確度。本論文提出使用ESP8266來監視氣象資料的變化，利用此氣象監視系統持續監控氣象相關資訊並回報到使用者手機或提供給使用者由web查詢。

The problem of air pollution has always existed in various countries, and the EPA's Department of Meteorology has been doing automated instrumentation for several years. But the official weather station in Taiwan from the temperature, humidity to air quality and other measured information is a wide range of the overall value. In recent years, Taiwan's air pollution problems in addition to air pollution from mainland China and even smog pilgrimage, but also Taiwan's local industrial areas because of intensive production and air pollution. Even because the vehicle density and high emissions of waste gas, and then the government policy for the waste of nuclear or natural gas to promote the use of waste generated by the combustion of waste also contains suspended in the air particles PM2.5 or PM10 and other pollutants (SO2, NO2, CO, O3, etc.).
Large-scale detection can achieve the overall results of large areas, but the use of this micro-meteorological monitoring system to monitor its small area of meteorological information with the EPD's own information will be able to improve its accuracy. This paper proposes the use of ESP8266 to monitor changes in meteorological data, the use of this weather monitoring system to continuously monitor the weather-related information and return to the user's mobile phone or provided to the user by the web query.

第一章	緒論 1
1.1　研究背景與動機 1
1.2　研究目的 1
1.3　論文架構 2
第二章	相關技術與知識探討 3
2.1　接收器及感測器相關簡介 3
2.1.1　全球定位系統 3
2.1.2　懸浮微粒及細懸浮微粒 4
2.1.3　溫度及濕度 6
2.1.4　光照度 7
2.2　MQTT傳輸協定 7
2.2.1　Publish/Subscribe 8
2.2.2　Quality of Service 8
2.3　其他相關程式 10
2.3.1　Docker 10
2.3.2　Node-Red	10
2.3.3　ESPlorer IDE開發環境 11
第三章	系統架構及硬體參數說明 13
3.1　Client端硬體及感測器 14
3.1.1　NodeMCU 開發板 14
3.1.2　GPS接收模組NEO-6M	15
3.1.3　空氣品質感測器PMS7003 17
3.1.4　溫度及濕度感測器DHT22 20
3.1.5　光照度感測器GY30 21
3.2　ESP8266微型氣象監視Server監控端流程 22
3.2.1　讀取感測器資訊 23
3.2.2　暫存MQTT資料佇列及佇列資料送出 26
3.3　Raspberry Pi雲端資料收集處理流程	28
3.3.1　MQTT伺服器接收資料及轉發 29
3.3.2　Node-Red Server資料處理流程 29
第四章	實驗與結果 31
4.1　Raspberry PI系統環境建置 31
4.2　Docker - MQTT Server建置說明 32
4.3　Docker - NodeRed Server建置說明 34
4.4　微型氣象監視系統建置	35
4.5　實驗結果 36
4.5.1　收集的資料確認 36
4.5.2　固定式微型氣象監視系統與淡水測站收集資料情況比較 39
4.5.3　手持微型氣象監視系統與淡水測站比較 47
4.6　各感測器偵測問題 54
4.6.1　空氣品質偵測數值偏高 54
4.6.2　溫濕度偵測數值問題	56
4.6.3　光照度偵測器故障 57
4.6.4　GPS接收器沒訊號 58
4.7　中研院資科所與民間合作之空氣盒子比較 58
4.7.1　硬體部份比較 59
4.7.2　監控數值部份比較 61
第五章	結論與未來改善方向 66
參考文獻	67
附錄Ａ　英文論文	69

 
表目錄
表 2-1　NEO-6M傳送的Message標頭 4
表 2-2　懸浮微粒大小說明 5
表 2-3　光照度典型值 7
表 2-4　QoS行為 9
表 3-1　NodeMCU腳位功能對應圖 15
表 3-2　NEO6M實際接收後傳回NodeMCU的各段訊息 15
表 3-3　NEO6M $GPRMC實際接收數值及Data sheet中的定義 16
表 3-4　PMS7003腳位定義 18
表 3-5　PMS7003傳輸協議 18
表 3-6　DHT22傳輸定義 21
表 4-1　環保署空品淡水測站溫度即時值查詢 39
表 4-2　固定式微型氣象監視系統溫度記錄(每小時即時值) 40
表 4-3　環保署空品淡水測站相對濕度即時值查詢記錄 41
表 4-4　微型氣象監視系統相對濕度記錄(每小時即時值) 41
表 4-5　環保署空品淡水測站PM2.5原始值查詢 43
表 4-6　微型氣象監視系統PM2.5記錄(每小時即時值) 43
表 4-7　環保署空品淡水測站PM2.5值查詢 45
表 4-8　環保署空品淡水測站PM10即時值查詢 46
表 4-9　微型氣象監視系統PM10記錄 46
表 4-10　手持微型氣象監視系統收集的資料 49
表 4-11　淡水測站溫度即時值查詢 50
表 4-12　淡水測站相對濕度即時值查詢記錄 50
表 4-13　淡水空氣品質測站PM2.5查詢 50
表 4-14　淡水空氣品質測站PM10即時值查詢 50
表 4-15　UART接收255byte的內容 58
表 4-16　空氣盒子及本論文之氣象資料監控系統硬體比較	59
表 4-17　ESP8266及Ameba RTL8195比較 60
表 4-18　PMS7003與PMS5003比較表 61
表 4-19　DHT22與HTS221比較表 61
表 4-20　NTU淡水站1 溫度監控值 62
表 4-21　環保署空品淡水測站溫度即時值查詢 62
表 4-22　微型氣象監視系統溫度監控值 62
表 4-23　NTU淡水站1 濕度監控值 63
表 4-24　環保署空品淡水測站濕度即時值 63
表 4-25　微型氣象監視系統濕度監控值 63
表 4-26　NTU淡水站1 PM2.5監控值 64
表 4-27　環保署空品淡水測站PM2.5校正值查詢	64
表 4-28　微型氣象監視系統PM2.5監控值 65
 
圖目錄
圖 2-1　GPS衛星繞行示意圖	3
圖 2-2　各粒徑對人體影響圖 5
圖 2-3　懸浮微粒對人體造成的深層影響 6
圖 2-4　MQTT Client/Server關係圖	8
圖 2-5　MQTT QoS示意圖 9
圖 2-6　Node-Red操作界面	11
圖 2-7　ESPlorer IDE 12
圖 3-2　ESP8266正面視圖 14
圖 3-3　空氣品質偵測器外觀 17
圖 3-4　空氣品質偵測器系統流程圖 17
圖 3-5　DHT22元件圖 20
圖 3-6　DHT22 DATA腳位溝通訊號 21
圖 3-7　DHT22 DATA腳位送出溫濕度資料前的預配置 21
圖 3-8　GY30模組	22
圖 3-9　ESP8266監控端流程圖 23
圖 3-10　各感測器依序接收流程圖 24
圖 3-11　各感測器依序接收的情況 25
圖 3-12　各感測器修改接收流程 25
圖 3-13　各執行緒執行情況	26
圖 3-14　MQTT佇列資料送出 27
圖 3-15　樹莓派資料處理流程圖 28
圖 3-16　MQTT伺服器接收傳送流程圖	29
圖 3-17　Raspberry PI 端NodeRed系統功能流程圖 30
圖 4-1　Ubuntu MATE下載頁 31
圖 4-2　Ubuntu MATE安裝完成 32
圖 4-3　Docker安裝完成 32
圖 4-4　Docker倉庫內的rpi-mosquitto MQTT Server image 33
圖 4-5　Container MQTT Server安裝完成並啟動 33
圖 4-6　Mosquitto MQTT Server運行畫面 34
圖 4-7　依序為設定訂閱主題、設定發送主題、發送溫度訊息、由MQTT伺服器接收到訊號 34
圖 4-8　Docker官方倉庫網頁 Node-Red 35
圖 4-9　Node-Red 程式設計頁面 35
圖 4-10　資料蒐集片段 36
圖 4-11　網頁瀏覽的呈現 37
圖 4-12　網頁地圖瀏覽 38
圖 4-13　由手機上觀測各感測器 38
圖 4-14　固定式的微型氣象監視系統放置位置 39
圖 4-15　環保署淡水空品測站及微型氣象監視系統溫度比較 41
圖 4-16　環保署空品淡水測站及微型氣象監視系統溫度併入光照度讀數	41
圖 4-17　環保署空品淡水測站及微型氣象監視系統相對濕度比較 42
圖 4-18　環保署空品淡水測站及微型氣象監視系統PM2.5比較 44
圖 4-19　環保署空品淡水測站修正後PM2.5及微型氣象監視系統PM2.5比較 45
圖 4-20　環保署空品淡水測站與微型氣象監視系統PM10比較 47
圖 4-21　手持微型氣象監視系統 48
圖 4-22　實際行走路線的記錄於Google Map匯入呈現 48
圖 4-23　環保署空品淡水測站與手持微型氣象監視系統溫度圖 51
圖 4-24　淡水測站與手持微型氣象監視系統相對濕度圖 51
圖 4-25　環保署空品淡水測站與手持微型氣象監視系統PM2.5折線圖	 52
圖 4-26　環保署空品淡水測站與手持微型氣象監視系統PM10折線圖	53
圖 4-27　環保署空品淡水測站與手持微型氣象監視系統PM2.5及PM10折線圖 53
圖 4-28　環境保護署空品淡水測站PM2.5/PM10數值表 54
圖 4-29　有問題的PMS7003　2017/9/22收集數值表 55
圖 4-30　PMS7003集塵馬逹細部放大	55
圖 4-31　溫度及濕度感測器回傳負值	56
圖 4-32　溫度及濕度感測值回傳正常	57
圖 4-33　光照度感測故障情況發生時的記錄 58
圖 4-34　空氣盒子外觀 59
圖 4-35　空氣盒子、環保署空氣品質淡水測站及氣象資料監視系統三個測站的位置 62
圖 4-36　環保署空品淡水測站、微型氣象監視系統與空氣盒子淡水站溫度比較 63
圖 4-37　環保署空品淡水測站、微型氣象監視系統與空氣盒子淡水站濕度比較 64
圖 4-38　環保署空品淡水測站、微型氣象監視系統與空氣盒子淡水站PM2.5比較 65

參考文獻
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[8]	IBM WebSphere MQ 資訊中心 7.5 版 作業系統: UNIX、Linux 及 Windows。取自 http://www.commonhealth.com.tw
[9]	Andrew Schofield - M2M Messaging and IBM MessageSight.pptx, Retrieved from https://www.ibm.com/developerworks/community/files/basic/anonymous/api/library/feaef98d-5422-4517-a4c1-1b41389677bf/document/6afd8f61-f2d8-4b8c-bc6d-010794dc6d1f/media
[10]	大甲媽祖遶境即時空品監測成果(2016/04/08-2016/04/17)【CSV資料檔】。行政院環境保護署。取自https://data.gov.tw/dataset/34748
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[12]	鄒敏惠(2016/07/15)。「機車島」交通空品測站竟不足 PM2.5污染不容忽視環境資訊中心。取自http://e-info.org.tw/node/117117
[13]	空氣品質監測網,細懸浮微粒(PM2.5)自動監測即時值查詢,行政院環境保護署。取自https://taqm.epa.gov.tw/pm25/tw/HourlyData.aspx
[14]	AirBox Dataset, Network Research Laboratory @ Institute of Information Science, Academia Sinica, Retrieved from https://sites.google.com/site/cclljj/dataset-airbox
[15]	空氣品質監測網,空氣盒子簡問簡答,行政院環境保護署。取自https://taqm.epa.gov.tw/taqm/tw/b0905.aspx