前言
ZigBee是一種短距離、架構簡單、低消耗功率與低傳輸速率之無線通訊技術，可將網路節點部署在偏僻且無法進入的地點，可長時間使用電池也是主要的目標之一。目前國內主要開發Zigbee應用在門禁控制、氣溫感測器、家電遙控器等，不過它還沒有如此普遍。Zigbee價格較貴且通訊協定複雜，因此本文希望透過ZigBee-based的無線網路特色，除了架構簡單、短距離、低功率傳輸率外，再利用RF–Module來開發一個簡易型無線網路模組，此產品的價格會較ZigBee本身低廉，雖然傳輸距離不夠遠，但是運用在小環境相當適用。若再加上各式感測器便可應用在如農畜產業設施管理、家中電器產品及辦公室中各式電子產品，並透過感測器的數值加以運用控制電器，達到省電、便利的目的。本方案價格比較能讓一般大眾接受，且通訊協定是由自己制定也較為簡單，但並沒有失去ZigBee原本的網路構造。所以若能讓ZigBee-based的網路架構加上各種感測器，來達到數位家庭、數位辦公室的形式，相信此產品若能開發出來，會普遍出現在每個家庭中，也希望利用這套系統，能達到節約能源的效果。
ZigBee應用範圍廣泛，在寬頻網路普及率逐步提高下，數位家庭的概念也逐漸成形。這些高科技技術帶給我們日常生活中相當程度的便利性，簡易型無線感測網路模組擁有輕量、小型、無線通訊傳輸及加密技術等諸多優點，且可以作為各式感知器，非常適合用於展應用在家庭中的一些小家電或者防災防盜系統上，然而利用簡易型無線感測網路模組遠端無線感測網路還不夠普遍，故相當值得產學界一起共同合作與投資，而用以研製ZigBee無線感測網路系統，可使生活更加的便利，也能有助於提升無線感測網路的應用。
ZigBee無線網路系統介紹
無線感測網路（Wireless sensor network;WSN）的環境就像分散式系統，對於每個節點來說，彼此都是獨立的個體，不容易掌控每個節點的行動，因此對資料的共享、延展性、可利用性、容錯性、價格和效能等，都是設計時的參考指標；而在管理分散式系統，採用群播方式（Multicast）的方法。在設計系統時，適當地使用這些方法可增加系統效能。
ZigBee的網路是自然的環狀結構。為了節省成本，增加電池使用壽命，無線電不能夠使用高的傳送能源加以確定資料的成功遷移。相反的，網路一定要更加聰明－因為起始點和目的地在最可靠的路由器之間不可能是明顯且最短的實際路由器路徑，由圖一指出，路由器需要其它的無線訊號來傳遞資訊。
基本上ZigBee網路的節點是分成三種協調器（Coordinator）、路由器（Router）、終端裝置（End Device），規格則分成兩種類型的網路節點FFD（full-function device）可以執行任何網路任務的全功能器件和RFD（reduced-function device）用於成本敏感應用的資源與功能有限之縮減功能器件，終端裝置是屬於RFD，功能只需將資料傳送至下一個路由器不需選擇路徑，協調器與路由器這兩項都屬於FFD，因為這兩項的作用也可用感測器做偵測，差別在於路由器本身可自行選擇路徑，而協調器需要透過RS-232與電腦做溝通。
系統設計與實現
系統功能與架構
本系統主要由節點感測器（Sensor Node）、無線傳輸模組、系統資料庫以及監控中心整合為一簡易型無線網路感測系統。節點感測器可分為亮度感測、溫度感測、以及人數感測。亮度感測主要用於感測室內亮度。溫度感測用於感測室內溫度，可感測攝氏0～100度之溫度。人數感測是使用兩個人體紅外線感測器作搭配來計算室內人數。節點感測器中的三種感測器會依序透過無線傳輸模組，將感測值回傳至系統資料庫。而使用者可透過監控中心連結至網際網路了解目前各個感測器的最新值，亦可查詢歷史資料或依種類查詢資料。其系統架構如圖二。
感測器
本作品實現三種不同的感測器，作為無線感測網路系統之前端輸入源。
溫度感測器
利用溫度感測器感測室內的溫度值，了解當時室內溫度，便可調整冷氣或暖器，將室溫控制在較為舒適的溫度，並且也能夠有節能的效果。
亮度感測器
用來感測室內環境的亮度，透過亮度感測器了解當時的亮度，可以加以調整室內亮度，達到此狀態下所需的適當亮度，並且透過這種方式能實現節能的效果。
人體紅外線感測器
透過紅外線感測器來自製電路，能測得進出人數，並且了解室內人數為多少，讓我們可以透過人的數量，來調節室內的環境的設備。例如人一多氣溫就會隨之上升，這時可調整室內溫度等作用，希望透過這種方式來使室內環境達到理想的舒適環境。
AD轉換及七段顯示電路：
前面所提到的三種感測器輸出端都需要接到HT46RU22的AD轉換腳PB0，將類比的電壓訊號轉換成數位訊號，如此才能將數據具體化後加以應用。
為了讓使用者在感測器上也能夠了解室內的溫度、亮度等感測器所量測到的室內資訊，因此在感測模組上也加裝了七段顯示器，用以顯示感測器上的數據。
如圖六所示，Vin為亮度及溫度的電路輸出電壓，將此電壓輸入到HT46RU22後，HT46RU22會將此電壓轉換為數位訊號，再經過程式處理，轉變為有意義的數值並轉為BCD碼，再透過7447由七段顯示器輸出數值。
無線傳輸模組
這裡將利用ZigBee的網路結構來完成無線傳輸的網路架構，通常低資料速率無線網路還是具有幾個共同的設計需求特徵。大多數應用都要求大量感測器或控制節點，之前有提到基本上ZigBee的網路的節點分成三類協調器、路由器、終端裝置，我們利用自製的簡易型ZigBee網路模組來替代FFD和RFD功能，一開始由終端裝置（節點感測器）來感測外界變化，在經由終端裝置的RF Module來傳至路由器，再由路由器選擇的路徑傳到協調器（Gateway），最後透過RS-232與電腦做監測功用。
圖七代表三塊模組的整合系統架構圖，路徑由路由器傳送端4bit腳來控制位置，達到能選擇節點感測器或者Gateway的資料，使三部份模組可以互相傳送，整合整套硬體設備。
如圖八所示，由左至右系統通訊與控制流程圖。由路由器分時下命令要求溫度、亮度、紅外線感測器分別傳送三筆資料至路由器，路由器端收到資料匯整後，一次將三筆資料傳送至Gateway，當中介程式下命令要求Gateway傳送資料至PC時，再經由UART將值傳遞資料至PC端。
系統資料庫
圖九為本系統資料表的存放方式。如圖所示透過中介軟體程式，將三種種類的感測值在同一時間依序存入資料庫。資料表欄位可分為編號、種類、數值、時間。每次寫入其中種類欄位以temp表示溫度；num表示人數，而light則表示亮度。
系統監控中心
圖十為本系統監控中心畫面，監控中心有中介軟體及搜尋功能。當UART將PC端及Gateway端連接後，按下監控中心的連結，若連線成功，便會開始將感測端數值不斷寫入伺服端資料庫中。
透過監控中心畫面，我們可以在此依種類（亮度light、溫度temp、人數num）、或依時間查詢存在伺服端資料庫中的資料;亦可顯示所有資料。而監控中心畫面右下角（紅色框線處）則會顯示最新筆資料。
Web
為了增加生活上的安全性及便利性，可透過網際網路來查詢感測器的資料，因此可利用遠端電腦得知尾端的感測器的觀測資料。本方案也架設一個無線感測器網路專題網站，使用者可以透過瀏覽器連結網頁，不管在甚麼地方都可以監控室內感測器的資料。網站首頁畫面如圖十一所示。
整合測試
無線RF模組
利用HT12E與HT12D兩顆IC，HT12E傳送時TE腳訊號必須為0，所以當TE為0時，發送模組開始傳訊資料。HT12D接收到資料時，VT腳訊號必會由0變1，表示接收模組在接收資料，我們利用TE與VT特性來撰寫程式，達到控制RF模組。
圖十二分別為HT12D的VT腳位與HT12E的TE腳位，黃色為VT訊號，藍色為TE訊號，利用控制HT12E的TE腳，使VT腳位會因為接收模組是否接收到資料顯示1或者0，圖十二就是測量VT與TE腳的時間關係，TE開始傳送後的100ms左右，接收到資料。
圖十三為測試用的RF Module實體，紅色線圈框起的部份，是傳送的部份，首先經由HT12E將4bit資料由pin10至pin13腳位輸入，透過HT12E讀取傳送的密碼，讀取後將資料透過pin17腳位傳送至傳輸模組，傳送模組再將資料傳送，至藍色框的接收端，接收端接到資料，傳至HT12D的pin14腳位，HT12D比對DIP的密碼是否相同，相同者開始接收，經由HT12D將資料轉換成4Bit再從pin10至pin13腳位輸出，圖中將DIP位置都設置為0，所以構成一組傳送與接收。
硬體介面測試
硬體方面分成三部份，分別為節點感測器、路由器、閘道器（gateway）。其中節點感測器為Sensor+ RF模組，又可分為溫度感測模組、亮度感測模組、人數感測模組。感測器功能則是將節點感測器中的三塊Sensor資料接收後整合，透過RF模組傳送到閘道器端。最後閘道器端再將資料透過UART及中介軟體輸入到資料庫。
節點感測器
分成三塊模組，亮度感測器、溫度感測器和紅外線感測器，分別偵測環境的亮度、溫度與人數，並包括RF Module電路，這三組的RF Module必須擁有接收與傳送模組兩端，接收模組是負責接收路由器的訊號，讓節點感測器端知道該由那組感測器傳送，這樣就可以防止整套網路系統產生資料碰撞。
路由器
此塊模組本身就是一組RF Module，負責當作節點感測器和閘道器的橋樑，所以需要運用程式選擇路徑，來控制接收與傳送位置。路由器是負責讀取節點感測器的資料，再發送至閘道器。
利用圖十七的路由器部分，藍色圈的部分是接收資料部份，因暫時不需變化密碼，所以在接收端的DIP我們以手動方式更改，紅色圈部份則是來用來傳送端用來選擇路徑使用的，為了讓路由器可選擇光感測器、溫度感測器、紅外線感測器與閘道器，我們將路由器傳送端DIP的1到4的四肢接腳連至HT46RU22來控制，這樣我們可達到16種密碼變化，我們將四套硬體板，分別接收部分設置不同密碼，可讓整套系統經由路由器來控制路徑。
閘道器
閘道器為了與電腦做溝通，因為需透過RS-232，所以必須多加上MAX232電路，才能與電腦做連結。
閘道器部分是等待路由器資料，接收模組接收資料後，就等待電腦端的訊號，只要接收電腦傳送的訊號，HT46RU22就會將接收到的資料傳送至電腦，其中圖十八紅色框起的部份為MAX232電路區域，是為了讓硬體部份可與電腦可作溝通，最後透過RS-232介面，傳送電腦與硬體之間的資訊。
硬體整合
圖十九是在實驗室裡頭測試整套系統，讓整套系統整個開始運作，壓克力透明盒子中，是作為模擬數位家庭中環境，所以將三塊節點感測器，放置在裡面，路由器為中介傳輸，負責溝通，感測器與閘道器，所以放置在於節點感測器與閘道器中間位置，則閘道器部分需與電腦做溝通，所以將閘道器放置於離電腦較近之處。
軟體介面測試
視窗程式為中介軟體，其功能可分類為UART連線、Data寫入資料庫、讀取資料庫、查詢資料庫、即時顯示，功能如同一監控中心，供使用者應用。
圖二十所示，若閘道器未開啟或UART未連接就點選連結，訊息顯示視窗便會顯示錯誤訊息。
若出現如圖二十的畫面，便須依照訊息顯示視窗提示檢查硬體是否有誤，檢查後再重新點選連結便可。
如圖二十一所示，若排除前面幾項連線失敗原因後，點選連結所出現連線成功的畫面。此時Data Grid及即時畫面便會出現由硬體所讀入的資料。
當連線成功時，訊息顯示視窗會顯示連線成功時間及訊息，並會顯示出抓到的第一筆資料數值。
如圖二十二，當連線成功後，即時畫面會顯示出最新筆資料值及寫入之筆數。圖中則可依室內擺設感測器點設計，讓使用者方便瀏覽室內各感測器相對位置之數值。
若想查詢某一特定時間的感測值，可點選依時間查詢後輸入時間格式後再按搜尋，便會找出所指定時間的資料值。
若想查詢某一種類的所有值，可點選依種類查詢，將下拉選單拉到要查詢的種類後再按搜尋，便會找出所指定的種類資料值。
網路即時監控功能：
圖二十三為本系統監控中心畫面，透過監控中心畫面，我們可以在此依種類（亮度、溫度、人數＿查詢存在伺服端資料庫中的資料。而監控中心畫面所顯示畫面（紅色圓圈處）則會顯示最新筆資料，每五秒自動更新一次，讓使用者雖然在外但藉由網路也可以及時掌握家中感測器的狀況，可說是非常便利及安全。
結語
在講求效率、便利且能源高漲的時代，能夠開發出一套方便且節能的技術便必定能夠受到重視。近年來無線產品漸漸取代有線產品，如無線滑鼠、無線鍵盤、無線網路等等…。所以若能將感測器加上無線傳輸應用到生活中，便是本專題所要實現的。本作品主要在探討運用ZigBee的網路架構開發出一套架構相似於ZigBee，但卻比ZigBee更便宜更輕巧的RF-Module。運用此RF-Module作為我們的無線傳輸設備，加上感測器及伺服器，便能在有網際網路的地方，即可得知設置感測器處的資訊。若能加以運用感測器的資訊，加以控制電器產品，如設定室內人數與室內燈光及冷氣強度成正比，當感測到室內人數較少時，將值回傳至伺服端，透過監控中心控制燈光及冷氣強度自動調節至較低值，便能達到節能的效果。
---本文為國立虎尾科技大學飛機工程系之作品，指導老師：宋朝宗，參與學生：馮晨輔、陳仁一、林祐霆、黃柏榮。---
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