還記得在上一篇「智慧工廠教學實驗平台系列(二)：物聯網感知層實務技術」最後留給讀者的一個問題，就是「如果想實現同時蒐集光敏感測器，氣體感測器，火焰感測器，溫濕度感測器並以 10hz 頻率回傳此數據至電腦端，該怎麼做呢?」，本篇將繼續透過此範例程式，來說明物聯網網路層和應用層的相關實務應用技術。
一、物聯網網路層介紹
物聯網（IoT）的網路層技術是整個物聯網架構中非常重要的一環，它負責管理裝置間的通信和數據傳輸。這一層的技術確保了裝置能夠有效地連接並進行數據交換，從而實現智慧化和自動化的應用。以下是幾個常見的網路層無線通訊技術：
1. Wi-Fi：
Wi-Fi 是一種常見的無線局域網技術，它使用 IEEE 802.11 標準，廣泛應用於辦公環境和家庭網絡。在工業領域，Wi-Fi通常用於資料收集、設備監控和控制，特別是在需要高速數據傳輸的應用中，目前最新為WiFi 6。
2. 藍牙（Bluetooth）：
藍牙技術提供了短距離通信，用於低功耗應用和設備之間的連接。在工業領域，藍牙通常應用於物聯網裝置之間的通信，例如嵌入式感測器和行動設備的互聯，在未來，藍牙5.0 因其優勢將會成為主流。
3. Zigbee：
Zigbee 是一種低功耗、自組織和自愈合的無線通信技術。它適用於需要節能和長期運行的工業自動化應用，如智能照明、監控系統和無線感測網絡。
4. Z-Wave：
Z-Wave 是一種專門用於家庭自動化和工業控制的無線技術。它在工業環境中常用於建築監控系統、安全系統和能源管理等領域。
5. LoRaWAN：
LoRaWAN 是一種遠距離低功耗的無線通信技術，適用於長距離的感測和監控應用。它被廣泛應用於智慧城市、農業監測和環境監測等場景。
6. NB-IOT：
NB-IoT，全稱窄帶物聯網（Narrowband Internet of Things），是一種專為物聯網（IoT）應用而設計的低功耗、低速率無線通信技術。NB-IoT 基於現有的LTE（Long Term Evolution）網絡基礎設施，但對於小數據傳輸和節能方面做了優化，以支援大量低功耗、低帶寬的物聯網裝置。
二、物聯網網路層通訊協議
在物聯網網路層通訊協定中，存在許多關鍵技術協議，其中一些重要的協議包括：
1. IPv6：
IPv6（Internet Protocol version 6）是一種網際網路協議，取代了 IPv4，它擁有更大的 IP 地址空間，可支援更多的連接設備。這對於物聯網來說至關重要，因為預計將有數十億個裝置需要連接。
2. 6LoWPAN：
6LoWPAN（IPv6 over Low-power Wireless Personal Area Networks），是一種將 IPv6 協議應用於低功耗無線個人區域網絡的技術。它允許物聯網中的低功耗裝置通過無線方式進行連接，同時保持高效能和節能。
3. RPL：
RPL（Routing Protocol for Low-power and Lossy Networks），是專為低功耗和丟包網絡設計的路由協議。它確保數據能夠以有效的方式從源節點路由到目標節點，同時考慮到物聯網中裝置的限制。
4. CoAP：
CoAP（Constrained Application Protocol）是一個輕量級的應用層協議，專為物聯網裝置設計。它提供了簡單的 RESTful 接口，使得裝置可以進行高效的數據交換。
5. MQTT：
MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一種輕量級的消息通訊協議，它對於低帶寬和不穩定網絡環境非常適用。它支援發布/訂閱模型，可以使裝置之間進行高效的通信。
三、物聯網應用層實務技術實作
1、實驗平台：
此次教學將使用智慧工廠教學實驗平台作為開發平台，其內建 Node-RED 開發工具。Node-RED 是一款卓越的物聯網開發工具，提供介面簡單友善的開發環境，讓開發人員能輕鬆創建複雜的物聯網應用程式，並使得程式的開發、測試和雲端部署變得十分簡單。
Node-RED 是 IBM 推出的一款基於流程編程的視覺化程式開發工具，主要用於物聯網(IoT)相關程式的開發並於 2016 年成為開源 JS 基金會的子項目。Node-RED 係以Node.js為基礎，發展出來的視覺化程式開發工具，就算完全不會 Node.js，也可以透過視覺化的功能模組，以流程編程的方式，達到程式開發的目的。
GitHub 開源專案，Github連結
2、實驗目的：
透過 Node-RED，實現智慧工廠感測器大數據的可視化分析。它提供了豐富的節點和圖形化編程工具，讓使用者能夠輕鬆連接數據來源、處理數據並生成視覺化圖表。這使得數據分析變得直觀和易於理解，用戶可以快速地識別數據的趨勢、模式和關聯性，讓非專業的數據分析人員也能輕鬆進行數據的探索和洞察。
3、實驗步驟：
a. 感測器大數據收集(Arduino 端)
還記得在智慧工廠教具箱系列(二)：工業物聯網感知層實務技術，最後提及「如果同時收集光敏感測器、氣體感測器、火焰感測器、旋轉電位計、按鍵、紅外線及溫濕度感測器並以 0.5 秒頻率回傳此數據至電腦端?」，以下接著說明該如何實作此範例。
(一)、建立分時多工執行緒(thread)，執行多個感測器的數據擷取並透過序列埠定時上傳數據。每 1 秒更新溫/濕度感測器數據一次；每 0.8 秒更新氣體感測器數據一次；每 0.3 秒更新光敏感測器數據一次；每 0.3 秒更新火焰感測器數據一次；每 0.2 秒更新按鍵狀態一次；每 0.2 秒更新紅外線偵測狀態一次；每 0.2 秒更新旋轉電位計值一次；每 0.5 秒上傳數據一次。
(二)、程式初始化
(三)、主程式執行
(四)、透過序列埠監控視窗觀察執行結果，數據每 0.5 秒更新一次。
b. Arduino 與 Node-RED 之間的序列通訊(raspberry端)
藉由 Arduino 收集多感測器的即時資訊後，再來就是把這些資訊，透過序列通訊機制(serial communication)，上傳至樹莓派主機上的 Node-RED 程式作為數據的交換並顯示。
(一)、於 Node-RED 安裝『node-red-node-serialport』功能節點。
接著可以找到新增了三個序列通訊用的功能節點(Nodes)。
(二)、於 Node-RED 新建一個『serialin』節點並命名為『ArduinoMega』，設置內部的序列埠口與鮑率(Baud Rate)。序列通訊鮑率需與 Arduino 程式設定一樣，雙方才能正確通信。
(三)、於 Node-RED 新建一個『function』節點並命名為『BinToString』。因為 Arduino 傳輸的資訊是二進制(Binary)數據模式，透過此功能節點可以把二進制轉成字串模式，方便之後的字串解析。
(四)、於Node-RED新建一個『split』節點，用『空白符號』把數據字串分開。
(五)、於 Node-RED 新建一個『function』節點並命名為『Payload Object Sensor』，把數據字串分配到對應的感測器，之後可以 Dashboard 顯示元件。
(六)、於 Node-RED 新建一個『file』節點並命名為『SaveTo_SensorFile』，收集到的感測器數據會存放於此。
(七)、完整的感測器數據交換 Node-RED 程式。
(八)、部署 Node-RED 訂閱/發布程式，點選右上角的【部署】按鈕，即可完成通訊協定的連線測試。
(九)、觀察執行結果。當執行Node-RED程式後，觀察『serialin』節點是否有出現【已連接】的文字。若是有，則代表 Arduino 控制器與Node-RED主機間的序列通訊是正常的。
其次，當序列通訊正常時，打開『Sensor DataBase.txt』文字檔，此時可以觀察到數據是否更新。如果結果都正常，接下來則要把數據作可視化分析。
c. Node-RED Dashboard(raspberry 端)
通過觀察數字、統計數據加以轉換獲得清晰的結論並不是一件容易的事。而人類大腦對視覺信息的處理優於對文本的處理，因此使用圖表、圖形和設計元素把數據進行可視化，可以幫你更容易的解釋數據模式、趨勢、統計規律和數據相關性。
Node-RED Dashboard 是一個在 Node-RED 中的功能模組，提供一組節點用以快速創建數據儀表板所需的各種工具，例如，有按鈕、圖表及儀表等的用戶界面節點可供使用。
(一)、於 Node-RED 安裝『node-red-dashboard』功能節點和『node-red-contrib-ui-artless-gauge』。
(二)、Node-RED Dashboard 提供以下的功能節點，用以快速創建數據儀表板。
(三)、使用者可以透過以下 URL：http://localhost:1880/ui，訪問設計好的 Dashboard 介面。
(四)、把感測器數據轉化成儀表資訊。
分別建立八個 artless gauge 節點與二個 chart 節點。編輯 artless gauge 節點分別為，DHT-Temp、DHT-Humid、Light、FlameSensor、Mq4Sensor、emgbtn、knob及irdetect。根據感測器的數據，編輯 artless-gauge 節點內容 : DHT-Temp 範例。
(五)、把設定好的這些節點，連接起來。
(六)、部署 Node-RED 訂閱/發布程式，點選右上角的【部署】按鈕，即可完成 Dashboard 儀表板顯示。
4. 實驗結果
在瀏覽器端輸入網址 http://localhost:1880/ui，觀看大數據可視化的顯示效果，儀表板上的各元件分別對應到不同的感測器，例如 : 透過手電筒打光進入光敏感測器，看看工廠照明度的值是否急速增加。
例如 : 當按下智慧工廠的按鈕開關模組，儀表板上的緊急開關由 0 變 1，外圈也變為紅色，代表緊急開關被按下。
四、結論
這次的分享就到這邊，想要了解更多更有趣智慧工廠的應用方式嗎？歡迎持續追蹤並支持我們唷！
