前言
ZigBee是一种短距离、架构简单、低消耗功率与低传输速率之无线通信技术，可将网络节点部署在偏僻且无法进入的地点，可长时间使用电池也是主要的目标之一。目前国内主要开发Zigbee应用在门禁控制、气温传感器、家电遥控器等，不过它还没有如此普遍。Zigbee价格较贵且通讯协议复杂，因此本文希望透过ZigBee-based的无线网络特色，除了架构简单、短距离、低功率传输率外，再利用RF–Module来开发一个简易型无线网络模块，此产品的价格会较ZigBee本身低廉，虽然传输距离不够远，但是运用在小环境相当适用。若再加上各式传感器便可应用在如农畜产业设施管理、家中电器产品及办公室中各式电子产品，并透过传感器的数值加以运用控制电器，达到省电、便利的目的。本方案价格比较能让一般大众接受，且通讯协议是由自己制定也较为简单，但并没有失去ZigBee原本的网络构造。所以若能让ZigBee-based的网络架构加上各种传感器，来达到数字家庭、数字办公室的形式，相信此产品若能开发出来，会普遍出现在每个家庭中，也希望利用这套系统，能达到节约能源的效果。
ZigBee应用范围广泛，在宽带网络普及率逐步提高下，数字家庭的概念也逐渐成形。这些高科技技术带给我们日常生活中相当程度的便利性，简易型无线感测网络模块拥有轻量、小型、无线通信传输及加密技术等诸多优点，且可以作为各式感知器，非常适合用于展应用在家庭中的一些小家电或者防灾防盗系统上，然而利用简易型无线感测网络模块远程无线感测网络还不够普遍，故相当值得产学界一起共同合作与投资，而用以研制ZigBee无线感测网络系统，可使生活更加的便利，也能有助于提升无线感测网络的应用。
ZigBee无线网络系统介绍
无线感测网络（Wireless sensor network;WSN）的环境就像分布式系统，对于每个节点来说，彼此都是独立的个体，不容易掌控每个节点的行动，因此对数据的共享、延展性、可利用性、容错性、价格和效能等，都是设计时的参考指针；而在管理分布式系统，采用群播方式（Multicast）的方法。在设计系统时，适当地使用这些方法可增加系统效能。
ZigBee的网络是自然的环状结构。为了节省成本，增加电池使用寿命，无线电不能够使用高的传送能源加以确定数据的成功迁移。相反的，网络一定要更加聪明－因为起始点和目的地在最可靠的路由器之间不可能是明显且最短的实际路由器路径，由图一指出，路由器需要其它的无线讯号来传递信息。
基本上ZigBee网络的节点是分成三种协调器（Coordinator）、路由器（Router）、终端装置（End Device），规格则分成两种类型的网络节点FFD（full-function device）可以执行任何网络任务的全功能器件和RFD（reduced-function device）用于成本敏感应用的资源与功能有限之缩减功能器件，终端装置是属于RFD，功能只需将数据传送至下一个路由器不需选择路径，协调器与路由器这两项都属于FFD，因为这两项的作用也可用传感器做侦测，差别在于路由器本身可自行选择路径，而协调器需要透过RS-232与计算机做沟通。
系统设计与实现
系统功能与架构
本系统主要由节点传感器（Sensor Node）、无线传输模块、系统数据库以及监控中心整合为一简易型无线网络感测系统。节点传感器可分为亮度感测、温度感测、以及人数感测。亮度感测主要用于感测室内亮度。温度感测用于感测室内温度，可感测摄氏0～100度之温度。人数感测是使用两个人体红外线传感器作搭配来计算室内人数。节点传感器中的三种传感器会依序透过无线传输模块，将感测值回传至系统数据库。而用户可透过监控中心链接至因特网了解目前各个传感器的最新值，亦可查询历史数据或依种类查询数据。其系统架构如图二。
传感器
本作品实现三种不同的传感器，作为无线感测网络系统之前端输入源。
温度传感器
利用温度传感器感测室内的温度值，了解当时室内温度，便可调整冷气或暖器，将室温控制在较为舒适的温度，并且也能够有节能的效果。
亮度传感器
用来感测室内环境的亮度，透过亮度传感器了解当时的亮度，可以加以调整室内亮度，达到此状态下所需的适当亮度，并且透过这种方式能实现节能的效果。
人体红外线传感器
透过红外线传感器来自制电路，能测得进出人数，并且了解室内人数为多少，让我们可以透过人的数量，来调节室内的环境的设备。例如人一多气温就会随之上升，这时可调整室内温度等作用，希望透过这种方式来使室内环境达到理想的舒适环境。
AD转换及七段显示电路：
前面所提到的三种传感器输出端都需要接到HT46RU22的AD转换脚PB0，将模拟的电压讯号转换成数字讯号，如此才能将数据具体化后加以应用。
为了让用户在传感器上也能够了解室内的温度、亮度等传感器所量测到的室内信息，因此在感测模块上也加装了七段显示器，用以显示传感器上的数据。
如图六所示，Vin为亮度及温度的电路输出电压，将此电压输入到HT46RU22后，HT46RU22会将此电压转换为数字讯号，再经过程序处理，转变为有意义的数值并转为BCD码，再透过7447由七段显示器输出数值。
无线传输模块
这里将利用ZigBee的网络结构来完成无线传输的网络架构，通常低数据速率无线网络还是具有几个共同的设计需求特征。大多数应用都要求大量传感器或控制节点，之前有提到基本上ZigBee的网络的节点分成三类协调器、路由器、终端装置，我们利用自制的简易型ZigBee网络模块来替代FFD和RFD功能，一开始由终端装置（节点传感器）来感测外界变化，在经由终端装置的RF Module来传至路由器，再由路由器选择的路径传到协调器（Gateway），最后透过RS-232与计算机做监测功用。
图七代表三块模块的整合系统架构图，路径由路由器传送端4bit脚来控制位置，达到能选择节点传感器或者Gateway的数据，使三部份模块可以互相传送，整合整套硬设备。
如图八所示，由左至右系统通讯与控制流程图。由路由器分时下命令要求温度、亮度、红外线传感器分别传送三笔数据至路由器，路由器端收到数据汇整后，一次将三笔数据传送至Gateway，当中介程序下命令要求Gateway传送数据至PC时，再经由UART将值传递数据至PC端。
系统数据库
图九为本系统数据表的存放方式。如图所示透过中间件程序，将三种种类的感测值在同一时间依序存入数据库。数据表字段可分为编号、种类、数值、时间。每次写入其中种类字段以temp表示温度；num表示人数，而light则表示亮度。
系统监控中心
图十为本系统监控中心画面，监控中心有中间件及搜寻功能。当UART将PC端及Gateway端连接后，按下监控中心的链接，若联机成功，便会开始将感测端数值不断写入伺服端数据库中。
透过监控中心画面，我们可以在此依种类（亮度light、温度temp、人数num）、或依时间查询存在伺服端数据库中的数据;亦可显示所有数据。而监控中心画面右下角（红色框线处）则会显示最新笔数据。
Web
透过监控中心画面，我们可以在此依种类（亮度light、温度temp、人数num）、或依时间查询存在伺服端数据库中的数据;亦可显示所有数据。而监控中心画面右下角（红色框线处）则会显示最新笔数据。
首页画面
整合测试
无线RF模块
VT与TE讯号
图十二分别为HT12D的VT脚位与HT12E的TE脚位，黄色为VT讯号，蓝色为TE讯号，利用控制HT12E的TE脚，使VT脚位会因为接收模块是否接收到数据显示1或者0，图十二就是测量VT与TE脚的时间关系，TE开始传送后的100ms左右，接收到数据。
RF Module
硬件接口测试
硬件方面分成三部份，分别为节点传感器、路由器、网关（gateway）。其中节点传感器为Sensor+ RF模块，又可分为温度感测模块、亮度感测模块、人数感测模块。传感器功能则是将节点传感器中的三块Sensor数据接收后整合，透过RF模块传送到网关端。最后网关端再将数据透过UART及中间件输入到数据库。
节点传感器
红外线传感器实体图
路由器
此块模块本身就是一组RF Module，负责当作节点传感器和网关的桥梁，所以需要运用程序选择路径，来控制接收与传送位置。路由器是负责读取节点传感器的数据，再发送至网关。
利用图十七的路由器部分，蓝色圈的部分是接收数据部份，因暂时不需变化密码，所以在接收端的DIP我们以手动方式更改，红色圈部份则是来用来传送端用来选择路径使用的，为了让路由器可选择光传感器、温度传感器、红外线传感器与网关，我们将路由器传送端DIP的1到4的四肢接脚连至HT46RU22来控制，这样我们可达到16种密码变化，我们将四套硬件板，分别接收部分设置不同密码，可让整套系统经由路由器来控制路径。
网关
网关为了与计算机做沟通，因为需透过RS-232，所以必须多加上MAX232电路，才能与计算机做链接。
硬件整合
图十九是在实验室里头测试整套系统，让整套系统整个开始运作，压克力透明盒子中，是作为仿真数字家庭中环境，所以将三块节点传感器，放置在里面，路由器为中介传输，负责沟通，传感器与网关，所以放置在于节点传感器与网关中间位置，则网关部分需与计算机做沟通，所以将网关放置于离计算机较近之处。
软件接口测试
窗口程序为中间件，其功能可分类为UART联机、Data写入数据库、读取数据库、查询数据库、实时显示，功能如同一监控中心，供用户应用。
图二十所示，若网关未开启或UART未连接就点击链接，讯息显示窗口便会显示错误讯息。
若出现如图二十的画面，便须依照讯息显示窗口提示检查硬件是否有误，检查后再重新点击链接便可。
如图二十一所示，若排除前面几项联机失败原因后，点击链接所出现联机成功的画面。此时Data Grid及实时画面便会出现由硬件所读入的数据。
当联机成功时，讯息显示窗口会显示联机成功时间及讯息，并会显示出抓到的第一笔数据数值。
如图二十二，当联机成功后，实时画面会显示出最新笔数据值及写入之笔数。图中则可依室内摆设传感器点设计，让用户方便浏览室内各传感器相对位置之数值。
若想查询某一特定时间的感测值，可点选依时间查询后输入时间格式后再按搜寻，便会找出所指定时间的数据值。
若想查询某一种类的所有值，可点选依种类查询，将下拉选单拉到要查询的种类后再按搜寻，便会找出所指定的种类数据值。
网络实时监控功能：
图二十三为本系统监控中心画面，透过监控中心画面，我们可以在此依种类（亮度、温度、人数＿查询存在伺服端数据库中的数据。而监控中心画面所显示画面（红色圆圈处）则会显示最新笔数据，每五秒自动更新一次，让用户虽然在外但藉由网络也可以及时掌握家中传感器的状况，可说是非常便利及安全。
结语
实时监控功能在讲求效率、便利且能源高涨的时代，能够开发出一套方便且节能的技术便必定能够受到重视。近年来无线产品渐渐取代有线产品，如无线鼠标、无线键盘、无线网络等等...。所以若能将传感器加上无线传输应用到生活中，便是本专题所要实现的。本作品主要在探讨运用ZigBee的网络架构开发出一套架构相似于ZigBee，但却比ZigBee更便宜更轻巧的RF-Module。
运用此RF-Module作为我们的无线传输设备，加上传感器及服务器，便能在有因特网的地方，即可得知设置传感器处的信息。若能加以运用传感器的信息，加以控制电器产品，如设定室内人数与室内灯光及冷气强度成正比，当感测到室内人数较少时，将值回传至伺服端，透过监控中心控制灯光及冷气强度自动调节至较低值，便能达到节能的效果。
相關时事单元
相關产业类别
相關组织
相關产品类别
相關网站单元