臺灣博碩士論文加值系統

在家庭自動化建立的條件中有許多需要考量的地方，必須考慮到通訊協定、電源消耗、設備的相容性。在論文中我們實際建構一個智慧型居家環境，利用一套基於Linux系統的嵌入式晶片 (Raspberry Pi)，來架設伺服器以管理HAN（Home Area Network, HAN）中的設備節點，達到控制與監控的功能；為了讓家庭自動化達到綠能與穩定的品質，我們選擇使用Z-Wave通訊協定作為無線訊號的傳輸方式，Z-Wave有著省電、不限制節點數量、穩定的優點，適合建立一個居家區域網路，而Z-Wave晶片設置在閒置一段時間後自動進入休眠的狀態，省下不必要的電力消耗，經過我們實際測試發現Z-Wave進入休眠狀態每小時平均消耗電流僅140μA遠低於我們實作藍芽3.0測試出的20mA；在相同的電池規格下，Z-Wave的電力能維持約4年的時間，而藍芽3.0僅能維持11天左右，Z-Wave在這部分解決在居家網路中電源消耗的問題，而伺服器在網路連線方面也有一定的穩定度。本論文主要在實際建構一個以Z-Wave技術、智慧型手機及嵌入式晶片為核心的智慧型居家控制系統，實驗結果顯示這樣的系統是具有相當的優勢，比起其它系統是具有商業化的可能性。

To establish the home automation, there are many places needed to be considered, for example, device compatibility, communication protocol, and power consumption. In the paper, we propose the use of an embedded Linux system for setting up servers to manage the HAN (Home Area Network, HAN)device node to control and monitor functions. To make home automation reach the stable quality, we chose Z-Wave as the transmission protocol of wireless signals. Z-Wave has the advantage of power saving, less limited number of nodes, stablity, and suitablity for the establishment of a home LAN.The Z-Wave chip can automatically enter sleep state after a period of inactivity, and then save unnecessary power consumption. After the actual test, we found that the Z-Wave chip getting into hibernation only consumes 140μA current per hour, and the chip with Bluetooth 3.0 consumes 20mA current per hour. The power consumption of Z-Wave chip is much lower than that of Bluetooth 3.0 chip. Under the same condition, Z-Wave power can be maintained for about 4 years, while Bluetooth 3.0 can only maintain 11 days or so. Z-Wave solves the problems of the power consumption in the home network, and regarding the network connection, it also has a certain degree of stability. This paper focus on the Z-Wave technology, smart phone and the controller with embedded chip to form the smart home. Experemental results show the superority and the commercial feasibility of such technology, compared with other technologies.

目錄
摘要 I
Abstract II
第 1 章 緒論 1
1.1. 研究背景 1
1.2. Z-Wave介紹 2
1.3. 研究動機與目的 3
1.4. 論文架構 4
第 2 章 相關研究 5
2.1. 文獻探討 5
2.2. Z-Wave無線通訊 6
2.2.1. Z-Wave傳輸原理 7
2.3. ZigBee 無線通訊 9
2.3.1. IEEE802.15.4/ZigBee協定概述[2] 9
2.4. 藍芽 4.0 10
2.4.1. 低功率藍芽（Bluetooth low energy, BLE） 10
2.5. 差異比較 11
2.5.1. 優劣比較 12
第 3 章 系統架構 13
3.1. 系統架構 13
3.1.1. 系統概念 14
3.1.2. 系統主要硬體介紹 14
3.1.3. 系統軟體 19
3.2. 實驗一：藍芽無線控制之電子鎖 20
3.2.1. 硬體介紹 21
3.2.2. 手機程式： 23
3.3. 實驗二：Z-Wave無線控制電子鎖 25
3.2.1 Z-Wave 模組 26
3.2.2 nRF905連接Arduino UNO： 28
3.3.1 伺服器設置 32
3.3.2 手機App 33
第 4 章 實驗結果與分析 36
4.1. 系統測試 36
4.1.1 電力消耗 36
4.1.2 通訊距離 37
4.1.3 網路穩定度 39
4.2. 結果與分析 40
第 5 章 結論與未來工作 42
參考文獻 44

 
表目錄
表格 2 1優劣比較表 12
表格 3 1 各國使用頻率 27
表格 3 2 ZW030122電力消耗表 28
表格 3 3腳位對照表 29
表格 4 1電力消耗實測 37
表格 4 2 訊號傳輸距離測試 38
表格 4 3 網路訊號傳輸測試 40
 
圖目錄
圖 2 1 Z-WAVE Alliance 標誌[1] 7
圖 2 2 Z-Wave協議之原理[2] 7
圖 2 3 訊息間確認動作[2] 8
圖 2 4 node’6’訊息確認序列[2] 8
圖 3 1智慧家庭系統架構圖 13
圖 3 2 Arduino UNO board 15
圖 3 3 CSR BC-4藍芽模組 15
圖 3 4 Raspberry Pi Model B 16
圖 3 5 nRF905模組 18
圖 3 6 nRF905結構圖 19
圖 3 7 手機軟體開發 20
圖 3 8 電子鎖機構 21
圖 3 9 訊號傳輸 21
圖 3 10 Arduino與藍芽模組 22
圖 3 11 硬體原型 22
圖 3 12 密碼認證機制 23
圖 3 13 App流程圖 24
圖 3 14 控制介面 25
圖 3 15 錯誤提示 25
圖 3 16 Z-Wave控制概念圖 26
圖 3 17 Z-Wave模組 27
圖 3 18 ZW0301晶片結構 28
圖 3 19 nRF905對應Arduino UNO腳位[12] 30
圖 3 20 實際連接圖 30
圖 3 21 Arduino編譯程式 31
圖 3 22 頻率設定指令 31
圖 3 23 設備狀態 32
圖 3 24 裝置狀態顯示 33
圖 3 25手機介面 34
圖 3 26 Z-Wave手機控制流程圖 34
圖 3 27 程式碼範例 35
圖 4 1 室內分布圖 39
 

[1]Z-Wave Alliance, http://www.z-wavealliance.com/
[2]An introduction to the Z-Wave protocol,
http://www.digiwave.dk/en/programming/an-introduction-to-the-z-wave-protocol/
[3]IEEE802.15.4/ZigBee協定概述, http://zh.wikipedia.org/wiki/ZigBee
[4]L. Naveen1, S. K. Das and J. K. Moharana, “Design, Analysis And Fabrication Of Android To Control Household Appliances”, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), ISSN: 2278-0181, Vol. 2 Issue 6, June - 2013
[5]Chun-Liang Hsu, Sheng-Yuan Yang and Wei-Binwu, “Constructing intelligent Home-Security system design with combing Phone-Net and Bluetooth mechanism”, Proceedings of the Eighth International Conference on Machine Learning and Cybernetics, Baoding, 12-15 July 2009.
[6]Suying Yang, Xin Zhang and Chongquan Zhong, “Improvement for Real-time Performance in Bluetooth Home Control Network” Proceedings ofthe 2009 IEEE, International Conference on Mechatronics and Automation, August 9 - 12, Changchun, China
[7]N. Sriskanthan, D. Tandon, and K. K. Lee, “Protocol for Plug and Play in Bluetooth based Home Networks”, IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 50, No. 2, MAY 2004
[8]ATMEAG328 overview, http://www.atmel.com/devices/atmega328.aspx
[9]Raspberry Pi, http://www.raspberrypi.org/
[10]nRF905 Datasheet,
http://mobiledevices.kom.aau.dk/fileadmin/mobiledevices/opensensor/literature/NRF905_data_sheet.pdf
[11]ZW0301 Datasheet,
http://www.mev-elektronik.com/data/produkte/DSH10717-3_ZW0301.pdf
[12]nRF905 AVR/Arduino Library/Driver » Zak's Electronics Blog, http://blog.zakkemble.co.uk/nrf905-avrarduino-librarydriver/
[13]] Jay McLellan, "Automated Home/Energy Management," Home Automation, Inc.
[14]C. Warmer, K. Kok, S. Karnouskos, A. Weidlich, D. Nestle, P. Selzam, J. Ringelstein, A. Dimeas, and S. Drenkard. Web services for integration of smart houses in the smart grid. In Grid-Interop - The road to an interop-erable grid, Denver, Colorado, USA, 17-19 November 2009
[15]Sami Repo, "Home energy management system," Tampere University of Technology, 2012