實踐大學 2017 - 聯網感測實作

課程簡介

這是 2017 年在實踐大學開設的「聯網感測實作」課程，透過開心農場 IoT 專案學習完整的物聯網系統開發，從感測器、Arduino、MQTT 通訊到資料庫儲存。

課程特色

目標： 開發一個完整的智慧農場監控系統

專案主題：開心農場

• 從 Arduino 擷取感測器資料傳送至 Server
• 當溫度過低時開燈加熱
• 當濕度過低時撒水
• 當壓力過高時觸發防盜警報（菜被偷了！）
• 警報時蜂鳴器響起並將狀態傳送至 Server

技術棧：

Arduino + 感測器 → MQTT Client → mosquitto Broker → MQTT Subscriber → MySQL Database

系統架構

完整的 IoT 架構

┌────────────────────────────────────┐
│     Arduino + 感測器 (Edge 端)      │
│                                    │
│  - 溫度感測器                       │
│  - 濕度感測器                       │
│  - 壓力感測器                       │
│  - LED 燈（撒水器、加熱器）          │
│  - 蜂鳴器（警報）                   │
│  - Arduino Ethernet Shield         │
│                                    │
│  → MQTT Client (Publisher)         │
└──────────────┬─────────────────────┘
               │ MQTT Protocol
               │ (Publish: sensor/data)
               ↓
┌────────────────────────────────────┐
│   mosquitto Broker (Server 端)     │
│                                    │
│  MQTT 訊息代理人                    │
│  - 接收來自 Arduino 的訊息          │
│  - 轉發給所有訂閱者                 │
└──────────────┬─────────────────────┘
               │ MQTT Protocol
               │ (Subscribe: sensor/data)
               ↓
┌────────────────────────────────────┐
│  PC Application (Subscriber 端)    │
│                                    │
│  C# / Unity + M2Mqtt               │
│  - 接收感測器資料                   │
│  - 顯示即時狀態                     │
│  - 儲存到 MySQL 資料庫              │
│  - 記錄異常事件                     │
│                                    │
│  MySQL Database:                   │
│  ├── 感測器資料記錄                 │
│  └── 異常事件記錄                   │
└────────────────────────────────────┘

設備需求

硬體設備

• Arduino Uno：微控制器主板
• 感測器模組：
  • 溫度感測器
  • 濕度感測器
  • 壓力感測器
• LED 燈 × 2：模擬撒水器和加熱器
• 蜂鳴器：警報裝置
• Arduino Ethernet Shield：網路通訊
• 麵包板 + 線材：電路連接
• 筆電：模擬伺服主機

軟體工具

• Arduino IDE：Arduino 程式開發
• mosquitto：MQTT Broker
• MQTTLens：MQTT 測試工具（Chrome 擴充套件）
• WampServer：Web Server + MySQL + PHP
• Visual Studio / Unity：Client 端程式開發
• M2Mqtt：.NET MQTT 函式庫

課程大綱

第一週 (05/10) - 伺服主機架設

千里之行，始於足下

學習內容：

1. 課程介紹
   • 專案概述：開心農場 IoT 系統
   • 學習目標與成果展示
2. MQTT 架構
   • MQTT 通訊協定介紹
   • Publisher（發佈者）
   • Subscriber（訂閱者）
   • Broker（代理人）
3. mosquitto 安裝
   • MQTT Broker 安裝
   • 服務啟動與測試
4. 開發工具安裝
   • MQTTLens 測試工具
   • 連接測試

第二週 (05/17) - MQTT 程式設計

一日之所需，百工斯為備

學習內容：

1. M2Mqtt 函式庫安裝
   • .NET MQTT Client Library
   • Visual Studio / Unity 專案設定
2. 訂閱者程式設計
   • 連接 MQTT Broker
   • 訂閱主題（Topic）
   • 接收訊息
3. 發佈者程式設計
   • 連接 MQTT Broker
   • 發佈訊息至主題

程式範例：

// MQTT Subscriber
MqttClient client = new MqttClient("broker_address");
client.Connect("client_id");
client.Subscribe(new string[] { "sensor/data" }, new byte[] { MqttMsgBase.QOS_LEVEL_AT_MOST_ONCE });
client.MqttMsgPublishReceived += client_MqttMsgPublishReceived;

// MQTT Publisher
MqttClient client = new MqttClient("broker_address");
client.Connect("client_id");
client.Publish("sensor/data", Encoding.UTF8.GetBytes("message"));

第三週 (05/24) - Arduino 感測器與輸出控制

積沙成塔，集腋成裘

學習內容：

1. 感測器模組接線
   • 溫度、濕度、壓力感測器接線
   • 感測器函式庫安裝
2. AnalogInput 程式設計
   • 讀取類比輸入（感測器數據）
   • 數據轉換與校正
3. DigitalOutput 程式設計
   • LED 控制（撒水器、加熱器）
   • 蜂鳴器控制（警報）
4. 加入判斷邏輯
   • 溫度低於閾值 → 開啟加熱器
   • 濕度低於閾值 → 開啟撒水器
   • 壓力高於閾值 → 觸發警報

Arduino 程式範例：

// 讀取感測器
int temperature = analogRead(A0);
int humidity = analogRead(A1);
int pressure = analogRead(A2);

// 判斷並控制
if (temperature < threshold_temp) {
    digitalWrite(LED_HEATER, HIGH);  // 開啟加熱器
}
if (humidity < threshold_humidity) {
    digitalWrite(LED_SPRINKLER, HIGH);  // 開啟撒水器
}
if (pressure > threshold_pressure) {
    digitalWrite(BUZZER, HIGH);  // 觸發警報
}

第四週 (05/31) - Arduino 網路通訊

積土成山，風雨興焉；積水成淵，蛟龍生焉

學習內容：

1. Ethernet 與 PubSubClient 函式庫
   • Arduino Ethernet Shield 使用
   • MQTT Client 函式庫
2. Ethernet 程式設計
   • 網路連線設定
   • IP 位址配置
3. PubSubClient 程式設計
   • Arduino MQTT Client 實作
   • 連接 mosquitto Broker
   • 發佈感測器數據
4. 功能測試
   • Arduino → mosquitto → MQTTLens
   • 完整訊息傳遞測試

Arduino MQTT 程式範例：

#include <Ethernet.h>
#include <PubSubClient.h>

EthernetClient ethClient;
PubSubClient client(ethClient);

void setup() {
    // 網路設定
    Ethernet.begin(mac, ip);

    // MQTT 設定
    client.setServer(mqtt_server, 1883);
    client.connect("arduino_client");
}

void loop() {
    // 讀取感測器
    int temp = analogRead(A0);

    // 發佈訊息
    String payload = "temp:" + String(temp);
    client.publish("sensor/data", payload.c_str());

    delay(5000);
}

第五週 (06/07) - MySQL 資料庫整合

滴水穿石，不是水多厲害，更不是石頭不厲害，而是時間太厲害

學習內容：

1. WampServer 安裝
   • Apache + MySQL + PHP 環境
2. 建置 MySQL 資料表
   • 感測器資料表
   • 異常記錄表
3. 連結 MySQL 資料庫
   • C# / Unity 連接 MySQL
   • 資料庫查詢
4. 新增資料至資料庫
   • 接收 MQTT 訊息
   • 寫入資料庫
5. 程式生命週期管理
   • 關閉程式時中斷連線

資料表結構：

CREATE TABLE sensor_data (
    id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
    timestamp DATETIME,
    temperature FLOAT,
    humidity FLOAT,
    pressure FLOAT
);

CREATE TABLE alarm_logs (
    id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
    timestamp DATETIME,
    alarm_type VARCHAR(50),
    sensor_value FLOAT,
    description TEXT
);

第六週 (06/14) - 完整系統整合

種瓜得瓜，種豆得豆

學習內容：

1. 建置 MySQL 資料表
   • 完整的資料表結構
   • 索引優化
2. Server 連結資料庫
   • MQTT Subscriber + MySQL
   • 即時資料儲存
3. 撒水和加熱記錄
   • 訊息記錄（正常操作）
   • 動作時間與持續時間
4. 偷菜記錄
   • 異常記錄（警報事件）
   • 警報類型與處理

完整系統流程：

Arduino 感測器
→ MQTT Publish (sensor/data)
→ mosquitto Broker
→ MQTT Subscribe
→ 判斷閾值
→ 儲存 MySQL
→ 顯示介面更新

技術亮點

1. MQTT 輕量級通訊

為什麼選擇 MQTT？

• ✅ 輕量級協定（低頻寬、低功耗）
• ✅ 發佈/訂閱模式（解耦合）
• ✅ QoS 服務品質保證
• ✅ 適合 IoT 應用

MQTT 架構：

• Publisher（Arduino）：發佈感測器數據
• Broker（mosquitto）：訊息代理與轉發
• Subscriber（PC Application）：接收並處理數據

2. Arduino 感測器整合

多感測器協同工作：

• 溫度感測器 → 控制加熱器
• 濕度感測器 → 控制撒水器
• 壓力感測器 → 觸發防盜警報

即時反饋控制：

感測 → 判斷 → 控制 → 警報 → 記錄

3. 資料持久化

MySQL 資料庫儲存：

• 歷史數據查詢
• 趨勢分析
• 異常事件追蹤

4. 完整的 IoT 系統

從邊緣裝置到雲端服務的完整流程：

Edge (Arduino) → Gateway (Ethernet) → Broker (MQTT) → Application (C#) → Database (MySQL)

學習成果

學生將學會：

1. IoT 系統架構
   • 邊緣運算概念
   • 通訊協定選擇
   • 系統整合設計
2. Arduino 開發
   • 感測器讀取
   • 數位輸出控制
   • 網路通訊
3. MQTT 通訊
   • MQTT 協定原理
   • Publisher/Subscriber 模式
   • Broker 部署與管理
4. 資料庫應用
   • MySQL 設計
   • 資料持久化
   • 資料查詢與分析
5. 完整專案開發
   • 需求分析
   • 系統設計
   • 實作與測試
   • 問題排查

應用場景

開心農場專案可以擴展到：

• 🌱 智慧農業：溫室監控、精準灌溉
• 🏠 智慧家居：環境監控、自動化控制
• 🏭 工業 4.0：設備監控、預測性維護
• 🌡️ 環境監測：空氣品質、氣象站
• 🔒 安全監控：入侵偵測、警報系統

專案資源

完整教學網站： https://yazelin.github.io/usc2017nsp/

GitHub 開源專案： https://github.com/yazelin/usc2017nsp

Arduino Library： Arduino 函式庫下載

開發工具：

• Arduino IDE
• mosquitto MQTT Broker
• MQTTLens Chrome Extension

相關課程：

• 實踐大學 2016 人機互動課程
• 實踐大學 2019 機器手臂課程

課程資訊

• 學校：實踐大學
• 課程名稱：聯網感測實作
• 授課時間：2017 年 5 月 - 6 月（共 6 週）
• 授課教師：Yaze Lin
• 專案主題：開心農場 IoT 監控系統
• 技術棧：Arduino + MQTT + C# + MySQL
• 特色：完整的 IoT 系統、實際硬體操作、資料庫整合