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系統識別號 U0002-2308201801013500
中文論文名稱 整合WiFi聯網和紅外線發射端口於PM2.5監測裝置及相關應用
英文論文名稱 PM2.5 Monitoring Apparatus Integrated with WiFi Networking and IR Emission Interfaces and Related Applications
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 106
學期 2
出版年 107
研究生中文姓名 熊中豪
研究生英文姓名 CHUNG-HAO HSIUNG
學號 606440021
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-06-30
論文頁數 70頁
口試委員 指導教授-楊淳良
委員-李三良
委員-周肇基
中文關鍵字 物聯網  細懸浮微粒 
英文關鍵字 Blynk App  IoT  IR  PM2.5  ThingSpeak  WiFi 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 本論文介紹整合WiFi聯網和紅外線發射端口PM2.5監測裝置的設計與實現,以及相關應用。核心組件包括: NodeMcu ESP8266 WiFi開發板、紅外發射模組、夏普製造的GP2Y1051AU0F PM2.5灰塵傳感器模組、Blynk和ThingSpeak服務。 Blynk為一具有拖放式行動應用程序構建器物聯網(IoT)平台,允許我們經由自建的Blynk應用程序可視化監控數據並遠程控制IR發送器。 ThingSpeak為一免費的Web服務,讓我們在雲端收集和存儲監控數據並開發物聯網應用程序。
我們成功地展示了具有以下功能的PM2.5監控裝置:顯示PM2.5引起的空氣污染危險等級的RGB LED指示燈,控制排氣扇或空氣清淨機的紅外線遙控器,以及通過自建的Blynk應用程序向終端用戶的智能手機發送 PM2.5警報通知訊息。 而且,在相關的應用中,該裝置非常適用於智能家居系統使用,且有利於PM2.5感測網路的建構,以保護人們的健康和監控環境。
英文摘要 This thesis presents the design and implementation of a PM2.5 monitoring apparatus integrated with WiFi networking and IR emission interfaces and the related applications. The core components consist of a NodeMcu ESP8266 WiFi development board, an IR emission module, a Sharp-made GP2Y1051AU0F PM2.5 dust sensor module, Blynk and ThingSpeak services. Blynk is an Internet of Things (IoT) platform with a drag-and-drop mobile application builder, allowing us to visualize monitored data and control IR transmitter remotely via a self-built Blynk application. ThingSpeak is a free web service, letting us collect and store monitored data in the cloud and develop IoT applications.
We successfully demonstrated the PM2.5 monitoring apparatus with the functions: the RGB LED indicator that displays the hazard level of air pollution caused by PM2.5, the IR remote controller that controls an exhaust fan or an air purifier, and the PM2.5 alert notification message that delivers to the end user’s smartphone via the self-built Blynk application. Also, in the related applications, this apparatus is very suitable for utilizing in smart home systems and conducive to the construction of PM2.5 sensing networks to protect people’s health and monitor the environment.
論文目次 目錄
第一章 簡介............................................................................................1
1.1 前言..............................................................................................1
1.2 研究動機......................................................................................2
1.3 論文架構......................................................................................3
第二章 懸浮微粒與空氣品質指數介紹................................................4
2.1 懸浮微粒……………………………………………………….4
2.2 空氣品質指數………………………………………………….5
第三章 粉/灰塵/煙霧感測器與紅外線通訊技術介紹..........................8
3.1 粉/灰塵/煙霧感測器...................................................................8
3.1.1光學式粉/灰塵/煙霧感測器………………………………...9
3.1.1.1 紅外線光源…………..………………………………...12
3.1.1.2 紅外線粉塵感測器…………………………………….14
3.1.1.3 雷射粉塵感測器……………………………………….15
3.2 紅外線通訊技術……………………………………………...17
3.2.1 紅外線發射器……………………………………………..18
3.2.2 紅外線接收器……………………………………………..19
3.2.3 紅外線通訊工作原理……………………………………..20
第四章 採用的硬體及軟體平台………………………………………23
4.1 NodeMcu硬體.………………………………………..…..…...23
4.2 Blynk 平台……………………………………………………24
4.3 Thing Speak介紹……………………………………………...26
第五章 WiFi聯網型PM2.5感測器與紅外線通訊技術之整合與應用.27
5.1 WiFi聯網型PM2.5感測器之設計…………………………….27
5.1.1運用的Blynk App元件………………………………..…..38
5.2 具紅外線發射器WiFi聯網型PM2.5感測器之設計………...41
5.3 優化室內空氣品質整合系統之案例設計…………………...44
5.4 實驗結果與分析……………………………………………...54
第六章 結論與未來研究……………………………………………..58
6.1 結論…………………………………………………………...58
6.2 未來研究方向………………………………………………...58
參考文獻………………………………………………………………..59
附錄……………………………………………………………………..61







圖目錄
圖3.1偵測(PM2.5)粉/灰塵感測器實體圖……………………………...11
圖3.2 PM2.5感測器內部構造圖…………………………………..……11
圖3.3 PM2.5檢測原理圖…………………………………………….…12
圖3.4紅外線分佈圖…………………………………………………....13
圖3.5紅外線粉塵感測器結構圖………………………………………14
圖3.6雷射粉塵感測器結構原理圖……………………………………15
圖3.7紅外線發射器圖………………………………………………....18
圖3.8紅外線接收器圖………………………………………………....19
圖3.9紅外線通訊工作原理圖………………………………………....20
圖3.10紅外線通訊接收端之電訊號圖………………………….…….21
圖4.1 NodeMcu ESP8266 WiFi板圖………………………………......24
圖4.2 Blynk App圖.………………………………………….………...24
圖4.3 Blynk各種元件圖……………………………………………….25
圖4.4硬體裝置連結Blynk Server到手機Blynk App圖……………...26
圖5.1手機連接Blynk Server至硬體裝置圖……………………….….27
圖5.2 PM2.5監測裝置的實驗設置圖………………………………..…28
圖5.3 PM2.5監測裝置實體圖……………………………………..……29
圖5.4顯示PM2.5數值圖……………………………………………….29
圖5.5 PM2.5監測裝置偵測濃度流程圖………………………………..30
圖5.6兩者顯示的數值圖………………………………………………32
圖5.7 PM2.5濃度在35μg/m3以下,顯示綠燈……………………......33
圖5.8 PM2.5濃度在36~53μg/m3之間,顯示藍燈………….………..34
圖5.9 PM2.5濃度在54μg/m3以上,顯示紅燈……………….…………35
圖5.10 LCD Settings元件圖…………………………………………...38
圖5.11 Map上顯示此地點的PM2.5濃度與自身位置圖………….…..39
圖5.12(a)顯示PM2.5警告提示和(b)地震時緊急提示訊息圖…..….....39
圖5.13 WebHook元件設定圖………………………………………….40
圖5.14具紅外線發射器的PM2.5監測裝置實驗設置圖….…….……..41
圖5.15 PM2.5監測與紅外線發射器同時運作…………………………42
圖5.16 PM2.5濃度值超出設定值,觸發紅外線光發射………………42
圖5.17硬體按鈕控制發射紅外線光…………………………………..43
圖5.18 Blynk App上的按鈕控制發射紅外線光……………………...43
圖5.19 PM2.5監測裝置控制空氣清淨機的實驗設置圖……..….….…44
圖5.20優化室內空氣品質PM2.5監測裝置的系統運作流程圖……....45
圖5.21接收紅外線遙控器訊號………………………………………..47
圖5.22解出紅外線遙控器按鈕的編碼………………………………..47
圖5.23 (a)開啟空氣清淨機器運轉,(b)關閉運轉………………….....48
圖5.24改善空氣品質排風系統的實驗設置………..……………….. 49
圖5.25 (a)按下按鈕遙控器控制,(b)風扇開始運轉裝置運轉圖.…...50
圖5.26 (a)再次按下按鈕,(b)經過4秒後完全停止風扇運轉圖….... 50
圖5.27在手機Blynk App上操作風扇裝置運轉……………..……….51
圖5.28 PM2.5濃度超標時,自動控制開啟風扇運轉圖………………..52圖5.29改善空氣品質排風系統示意流程與設置圖…………………..53
圖5.30改善空氣品質排風系統環境模擬實驗圖……………………..53
圖5.31濃度超標,裝置亮紅燈,開始排除污染圖…………………....54
圖5.32濃度降至綠燈安全範圍內,關閉風扇運轉…………………...55
圖5.33風扇完全停止運轉圖……………………………………….….55










表目錄
表2.1細懸浮粒子(PM2.5)預警濃度分級表……………………………..6
表2.2空氣污染指標值表………………………………………………..7
表3.1微粒物質感測器的比較………………………….……………....9
表3.2常用粉塵感測器的區分表……………………………………....16
表5.1比較兩者PM2.5 (μg/m3)的數值比較表..…………………….…...31
表5.2觀察圖5.7至5.9的濃度曲線(第一次實驗)………………….....36
表5.3觀察圖5.7至5.9的濃度曲線(第二次實驗)……………..….…..36
表5.4觀察圖5.7至5.9的濃度曲線(第三次實驗)………………...…..37
表5.5濃度監控曲線表I………………………………………………..56
表5.6濃度監控曲線表II……………………………………….………56

參考文獻 參考文獻
[1] 維基百科, “空氣污染,” available link: https://zh.wikipedia.org/wiki/空氣污染
[2] 維基百科, “懸浮微粒,” available link: https://zh.wikipedia.org/wiki/懸浮粒子
[3] 細懸浮微粒(PM2.5)指標對照表與活動建議, available link: http://www.tnepb.gov.tw/AIR_ PM25.htm
[4] 行政院環境保護署, “空氣品質指標,” available link: https://taqm.epa.gov.tw/taqm/tw/b0201.aspx
[5] Ling-Jyh Chen, Yao-Hua Ho, Hu-Cheng Lee, Hsuan-Cho Wu, Hao-Min Liu, Hsin-Hung Hsieh, Yu-Te Huang, and Shih-Chun Candice Lung, “An Open Framework for Participatory PM2.5 Monitoring in Smart Cities,” IEEE Access, Vol. 5, pp. 14441-14454, Jul. 2017.
[6] 台灣物聯網科技, “空氣粉塵感測器,” available link: https://www.taiwaniot.com.tw/products-category/module-sensor/空氣粉塵-pm2-5/
[7] ALLDATASHEET.COM, “Compact Optical Dust Sensor,” available link: http://html.alldatasheet.com/html-pdf/412700/SHARP/
GP2Y1010AU0F/316/2/GP2Y1010AU0F.html
[8] 橙子, “如何自己動手製作一個靠譜的PM2.5檢測儀,” available link: http://www.freebuf.com/geek/164192.html?utm_source=tuicool&ut m_medium=referral
[9] 痞客邦, “紅外線與遠紅外線的差異,” available link: http://sharefeels.pixnet.net/blog/post/351170585-紅外線與遠紅外線的差異
[10] 四方光電, “激光型VS紅外型該如何抉擇,” available link: http://www.gassensor.com.cn/news_detail/typeid/18/id/288.html
[11] 知乎, “空氣淨化器裡的紅外探頭和激光探頭有什麼區别?哪種好一些?,” available link: https://www.zhihu.com/question/
27053554
[12] ZEROPLUS,“紅外線系列介紹與測量分析,” available link: http://www.zeroplus.com.tw/software_download/201002ZEROPLUS_infrared rays_13.pdf
[13] Cooper Maa, “紅外線遙控原理與 NEC IR Protocol,” available link: http://coopermaa2nd.blogspot.com/2010/01/nec-ir-protocol.html
[14] 86DUINO, “EduCake 紅外線收發功能實作,” available link: http://www.86duino.com/wp-includes/file/Chapter13-TC.pdf
[15] 堃喬股份有限公司, “紅外線IR發射器與接收器, ” available link: http://mail.ltc.com.tw /images/MTARDALL134.pdf
[16] 電路城, “ESP8266-NodeMCU DEVKIT開發板原理圖/PCB/固件源碼,” available link: http://cirmall.com/circuit/7244/ESP8266- NodeMCU DEVKIT开发板原理图PCB固件源码#/details
[17] Blynk, available link: https://www.blynk.io/
[18] 小狐狸事務所, “Blynk的控制元件,” available link: http://yhhuang1966.blogspot.com/2016/08/blynk-controllers.html
[19] Blynk, available link: http://docs.blynk.cc/
[20] Heyu Yin, Hao Wan, and Andrew J. Mason, “Separation and electrochemical detection platform for portable individual PM2.5 monitoring,” 2017 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 28-31 May 2017, Baltimore, MD, USA.
[21] Partha Pratim Ray, “Internet of Things cloud based smart monitoring of air borne PM2.5 density level,” 2016 International Conference on Signal Processing, Communication, Power and Embedded System (SCOPES), 3-5 Oct. 2016, Paralakhemundi, India.
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