Microsoft Word 七月第二篇V3

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绘淳孔
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1 人類的未來 - 物聯網透過網路監控居家亮度 2015 年 8 月 7 日七月, 2015 文 \ 曹永忠許智誠蔡英德我們在家居生活中, 亮度是保護我們眼睛最重要的靈藥, 家中許多高齡長者幼童等在房間裡面, 如果亮度不足, 不但沒有安全感, 對視力的保健, 更是一大殺手如果我們如果在家裡看到這樣的情形, 當然可以馬上調整光線, 但是如果我們在外面上班, 就不太容易查覺到這樣隱藏的問題如果我們能夠用創客神器來 Arduino 來照顧我們的眼睛, 可以透過手機上網, 直接使用瀏覽器可以監控我們家的亮度, 那該有多好 ( 曹永忠, 許智誠, & 蔡英德, 2015b, 2015e) 所以本月我們要使用 Arduiono, 透過簡單的上網擴充卡, 瞬間就讓我們的家庭進化成先進的智慧家庭所以本篇要告訴讀者, 如何簡單快速有效的建立一個居家亮度監控的物聯網

2 Arduino Ethernet Shield 簡介 W5100 主要特色是把 TCP/IP Protocols (TCP, UDP, ICMP, IPv4 ARP, IGMP, PPPoE, Ethernet) 做在硬體電路上, 減輕了單晶片 (MCU ) 的負擔 ( 也就是 Arduino 開發板的負擔 ) Arduino 程式只要使用 Ethernet Library1 便可以輕易完成連至網際網路的動作, 不過 W5100 也不是沒有缺點, 因為它有一個限制, 就是最多只允許同時 4 個 socket 連線 ( 曹永忠, 許智誠, & 蔡英德, 2015a, 2015c, 2015d, 2015f) Arduino Ethernet Shield 使用加長型的 Pin header ( 如下圖.(a) & 下圖圖 1.(b)), 可以直接插到 Arduino 控制板上 ( 如下圖.(c) & 下圖.(d) & 下圖.(e)), 而且原封不動地保留了 Arduino 控制板的 Pin Layout, 讓使用者可以在它上面疊其它的擴充板 ( 如下圖.(c) & 下圖.(d) & 下圖.(e)) 比較新的 Ethernet Shield 增加了 micro-sd card 插槽 ( 如下圖.(a)), 可以用來儲存檔案, 你可以用 Arduino 內建的 SD library 來存取板子上的 SD card Ethernet Shield 相容於 UNO 和 Mega 2560 控制板 1 可到 Arduino.cc 的官網 : 下載函式庫與相關範例

3 (a) 正面圖 (b). 背面圖 (c). 堆疊圖 (d). 側面圖 (e). 網路接腳圖 (f). 網路接線圖圖 1 Ethernet Shield(W5100) Arduino 開發板跟 W5100 以及 SD card 之間的通訊都是透過 SPI bus ( 通過 ICSP header) 以 UNO 開發板而言,SPI bus 腳位位於 pins 11, 12 和 13, 而 Mega 2560 開發板則是 pins 50, 51 和 52 UNO 和 Mega 2560 都一樣,pin 10 是用來選擇 W5100, 而 pin 4 則是用來選擇 SD card 這邊提到的這幾支腳位都不能拿來當 GPIO 使用, 請讀者勿必避開這

4 兩個 GPIO 腳位另外, 在 Arduino Mega 2560 開發板上,pin 53 是 hardware SS pin, 這支腳位也必須保持為 OUTPUT, 不然 SPI bus 就不能動作在使用的時候要注意一件事, 因為 W5100 和 SD card 共享 SPI bus, 所以在同一個時間只能使用其中一個設備如果你程式裏會用到 W5100 和 SD card 兩種設備, 那在使用對應的 library 時就要特別留意, 要避免搶 SPI bus 資源的情形假如你確定不會用到其中一個設備的話, 你可以在程式裏明白地指示 Arduino 開發板, 方法是 : 如果不會用到 SD card, 那就把 pin 4 設置成 OUTPUT 並把狀態改為 high, 如果不會用到 W5100, 那麼便把 pin 10 設置成 OUTPUT 並把狀態改為 high 如下圖所示,Ethernet Shield 狀態指示燈 (LEDs) 功能列舉如下 : PWR: 表示 Arduino 控制板和 Ethernet Shield 已經上電 LINK: 網路指示燈, 當燈號閃爍時代表正在傳送或接收資料 FULLD: 代表網路連線是全雙工 100M: 表示網路是 100 MB/s ( 相對於 10 Mb/s) RX: 接收資料時閃爍 TX: 傳送資料時閃爍 COLL: 閃爍時代表網路上發生封包碰撞的情形 (network

collisions are detected) 資料來源 :http://www.arduino.

5 collisions are detected) 資料來源 : 圖 2 W5100 指示燈實做亮度監控網站首先, 組立 W5100 以太網路模組是非常容易的一件事, 如下圖所示, 只要將 W5100 以太網路模組堆疊到任何 Arduino 開發板之上就可以了圖 3 將 Arduino 開發板與 W5100 以太網路模組堆疊組立之後, 在將組立好的 W5100 以太網路模組, 如下圖所示, 只要

將 USB 線差到 Arduino 開發板, 再將 RJ 45 的網路線一端插到 W5100 以太網路模組, 另一端插到可以上網的集線器 (Switch HUB) 的任何一個區域網路接口 (Lan Port) 就可以了圖 4 接上電源與網路線的 W5100 以太網路模組堆疊卡我們遵照前幾章所述, 將 Arduino 開發板的驅動程式安裝好之後, 我們打開 Arduino

6 將 USB 線差到 Arduino 開發板, 再將 RJ 45 的網路線一端插到 W5100 以太網路模組, 另一端插到可以上網的集線器 (Switch HUB) 的任何一個區域網路接口 (Lan Port) 就可以了圖 4 接上電源與網路線的 W5100 以太網路模組堆疊卡我們遵照前幾章所述, 將 Arduino 開發板的驅動程式安裝好之後, 我們打開 Arduino 開發板的開發工具 :Sketch IDE 整合開發軟體, 攥寫一段程式, 如下表所示之實做亮度監控網站測試程式, 我們就可以讓 W5100 以太網路模組堆疊卡變成一台簡易的實做亮度監控伺服器運作了表 1 實做亮度監控網站測試程式實做亮度監控網站測試程式 (LightMonitorServer) /* Web Server A simple web server that shows the value of the analog input pins. using an Arduino Wiznet Ethernet shield. Circuit: * Ethernet shield attached to pins 10, 11, 12, 13

7 * Analog inputs attached to pins A0 through A5 (optional) created 18 Dec 2009 by David A. Mellis modified 9 Apr 2012 by Tom Igoe */ #include <SPI.h> #include <Ethernet.h> #include <Wire.h> #include <BH1750.h> // Enter a MAC address and IP address for your controller below. // The IP address will be dependent on your local network: byte mac[] = { 0xAA, 0xBB, 0xCC, 0xDD, 0xEE, 0xFF ; IPAddress ip(192, 168, 30, 200); IPAddress dnserver(168, 95, 1, 1); // the router's gateway address: IPAddress gateway(192, 168, 30, 254); // the subnet: IPAddress subnet(255, 255, 255, 0); // Initialize the Ethernet server library // with the IP address and port you want to use // (port 80 is default for HTTP): EthernetServer server(80); BH1750 lightmeter; void setup() { lightmeter.begin(); // Open serial communications and wait for port to open: Serial.begin(9600); while (!Serial) { ;// wait for serial port to connect. Needed for Leonardo only

8 // start the Ethernet connection and the server: Ethernet.begin(mac, ip, dnserver, gateway, subnet); server.begin(); Serial.print("server is at "); Serial.println(Ethernet.localIP()); void loop() { uint16_t lux = lightmeter.readlightlevel(); // listen for incoming clients EthernetClient client = server.available(); if (client) { Serial.println("new client"); // an http request ends with a blank line boolean currentlineisblank = true; while (client.connected()) { if (client.available()) { char c = client.read(); Serial.write(c); // if you've gotten to the end of the line (received a newline // character) and the line is blank, the http request has ended, // so you can send a reply if (c == '\n'&& currentlineisblank) { // send a standard http response header client.println("http/ OK"); client.println("content-type: text/html"); client.println("connection: close"); // the connection will be closed after completion of the response client.println("refresh: 5"); // refresh the page automatically every 5 sec client.println(); client.println("<!doctype HTML>");

9 client.println("<html>"); // output the value of each analog input pin /* for (int analogchannel = 0; analogchannel < 6; analogchannel++) { int sensorreading = analogread(analogchannel); client.print("analog input "); client.print(analogchannel); client.print(" is "); client.print(sensorreading); client.println("<br />"); */ client.print("light: "); client.print(lux); client.println(" lx"); client.println("</html>"); break; if (c == '\n'){ // you're starting a new line currentlineisblank = true; else if (c!='\r'){ // you've gotten a character on the current line currentlineisblank = false; // give the web browser time to receive the data delay(1); // close the connection: client.stop(); Serial.println("client disconnected"); 範例原始碼網址 :

10 如下圖所示, 讀者可以看到本次實驗 - 實做亮度監控網站測試程式結果畫面圖 5 實做亮度監控網站測試程式結果畫面最後, 讀者可以將家中的虛擬 IP 透過分享器 (NAT), 將轉成真時 IP, 那麼所有在網際網路上的使用者, 都可以輕易使用任何裝置, 手機平板筆電... 等等上網, 使用瀏覽器查看到我們家裡的亮度了

作者介紹曹永忠 (Yung-Chung Tsao): 目前為自由作家台灣資訊傳播學會秘書長, 專研於軟體工程軟體開發與設計物件導向程式設計, 商品攝影及人像攝影長期投入資訊系統設計與開發企業應用系統開發軟體工程新產品開發管理商品及人像攝影等領域, 並持續發表作品及相關專業著作 Email:prgbruce@gmail.com,Line ID:dr.

11 作者介紹曹永忠 (Yung-Chung Tsao): 目前為自由作家台灣資訊傳播學會秘書長, 專研於軟體工程軟體開發與設計物件導向程式設計, 商品攝影及人像攝影長期投入資訊系統設計與開發企業應用系統開發軟體工程新產品開發管理商品及人像攝影等領域, 並持續發表作品及相關專業著作 ID:dr.brucetsao Arduino 部落格 : 範例原始碼網址 : 臉書社群 (Arduino.Taiwan): Arduino 活動官網 : Youtube: 參考文獻 : 曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2015a). Arduino 云物联网系统开发 ( 入门篇 ):Using Arduino Yun to Develop an Application for Internet of Things (Basic Introduction) ( 初版 ed.). 台湾彰化 : 渥瑪數位有限公司. 曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2015b). Arduino 程式教學 ( 入門篇 ):Arduino Programming (Basic Skills & Tricks) ( 初版 ed.). 台湾彰化 : 渥玛数位有限公司. 曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2015c). Arduino 程式教學 ( 無線通訊篇 ):Arduino Programming (Wireless Communication) ( 初版 ed.). 台湾彰化 : 渥瑪數位有限公司. 曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2015d). Arduino 雲物聯網系統開發 ( 入門篇 ):Using Arduino Yun to Develop an Application for Internet of Things (Basic Introduction) ( 初版 ed.). 台湾彰化 : 渥瑪數位有限公司. 曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2015e). Arduino 編程教学 ( 入门篇 ):Arduino Programming (Basic Skills & Tricks) ( 初版 ed.). 台湾彰化 : 渥玛数位有限公司. 曹永忠, 許智誠, & 蔡英德. (2015f). Arduino 编程教学 ( 无线通讯篇 ):Arduino Programming (Wireless Communication) ( 初版 ed.). 台湾彰化 : 渥瑪數位有限公司.

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