[應用] 環境品質監控系統
系統架構
由環境監測元件和運算控制元件所組成的硬體，如圖一所示，再搭配流程控制軟體組成一個完整的系統。每個環境監測元件透過無線網路的方式連接到運算控制元件，將每處環境的數值傳給運算元件，再由運算元件計算出最佳的環境狀態，進而控制電力、空調或風扇…等周邊系統。
圖一：環境監控系統方塊圖
圖二：環境監控系統實際架設情況
上圖二是環境監控系統實際架設的情況，分別配有不同ID的兩個環境監測元件，圖下方有一個配置網路的運算控制元件。因此，運算控制元件可以收到來自不同ID的環境監測數值，搜集道這些數值後可針對環境變化進行最佳化的運算，調整適當的電力控制或空調系統。圖三是用來監測環境的元件方塊圖，由Arduino控制器做為元件的核心處理器，晶片上提供常用的通訊介面，因此相當方便再搭配周邊的感測元件。
圖三：環境監測元件的內部方塊圖
下圖四是元件的實體電路，我們可以觀察LCM的數據，LCM上面會顯示當時感測器量測到的溫度(單位: 攝氏C)、溼度(單位: %)、照度(單位: 流明)、CO2濃度(單位: ppm)、空氣品質、人體移動偵測…等。WiFi連線的狀態也會顯示在上面，每個數字代表的狀態如下：
0：指令錯誤，未收到回應。
2：已連接到WiFi AP，獲得IP位址，但還未建立TCP。
3：已建立TCP連線。
4：斷開網路連線。
5：未連接到WiFi AP。
圖四：環境監測元件的實體圖
下圖五是環境監控系統的主控制器內部架構圖，ARM控制器透過RS-485介面與WiFi模組相連接，用來接收來自環境監測元件的資料。主控制器具有ethernet網路介面，可與外部的設備相通訊，利用工業標準Modbus TCP通訊協定進行資訊交換。
圖五：主控制器的系統架構圖
規格說明
主控制器的系統規格如下：
a) ARM核心運算時脈達到120 MHz，具有10/100 Mbps網路通訊
b) 支援Modbus RTU或 Modbus TCP通訊，可以連接HMI人機介面
c) 4秒內迅速開機，並且開始執行流程
d) 可同時支援連接DIO板、AIO板或RS-232板
e) 內建RTC時鐘
f) 數位I/O板：12個DI，8個DO(包含relay)
b) 支援Modbus RTU或 Modbus TCP通訊，可以連接HMI人機介面
c) 4秒內迅速開機，並且開始執行流程
d) 可同時支援連接DIO板、AIO板或RS-232板
e) 內建RTC時鐘
f) 數位I/O板：12個DI，8個DO(包含relay)
通訊協定
主控制器對外的通訊協定是以Modbus TCP模式進行，外部的電腦可以這樣的協定來撈取目前感測器的資料。主控制器的Modbus機台站號是用IP位址的最後一碼來當站號，比如說主控制器的位址為192.168.1.100，因此其Modbus站號為100。
Modbus通訊協定中定義了很多暫存器的位址，但是我們真正用到的位址只有幾個。目前感測器的資料定義在類比輸入暫存器(analog input)裡面，如下圖所示，Modbus ID的起始位址從1開始。我們把AI-1~5定義為第一個感測器的數據資料，AI-6~10定義為第二個感測器的數據資料。每個感測器資料的排列順序分別為AI-1：溫度(實際溫度x10)、AI-2：濕度(實際濕度x10)、AI-3：照度、AI-4：CO2 ppm、AI-5：空氣品質數值，AI-6/10以此類推。
參考資料
[2] DHT22溫濕度感測元件
[3] BH1750照度感測元件
[4] MQ135空氣品質感測元件
[5] MG811 CO2感測元件
[6] MTARDIRF-PIR人體移動感測元件
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