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工業4.0的物聯網智慧工廠應用與實作:使用Arduino.Node-RED.MySQL.Node.js

出版日期
2020/06/12
閱讀格式
PDF
書籍分類
學科分類
ISBN
9789864344925

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將物聯網應用於智慧工廠,掌握傳統產業的轉型先機
使用Arduino×Node-RED互動串聯,建立工業4.0的物聯網世界

物聯網與工業4.0是近幾年很重要的研究課題。工業4.0的主要載體是智慧工廠,物聯網在智慧工廠的應用,給傳統產業帶來全新的變革,有望產生巨大的商業價值,引領我們進入第四次工業革命。

本書適用於大專院校「微處理機」、「物聯網應用」、「工業4.0概論」等課程,可提供老師教學、學生研習之用。若你是專案設計者、工廠工程師,也很適合閱讀本書。本書的內容安排由淺入深,說明了物聯網在智慧工廠應用的幾個重要主題,如RS485、Modbus協定、OPCUA協定、MQTT協定及RESTAPI設計理念。書中安排了36個實作單元,以市面上常見的Arduino開發板作為實習設備,並以Node-RED作為後端平台,讓讀者可以經由實作過程,而進入物聯網與工業4.0的世界。

閱讀本書後,你將學到下列精彩內容:
♘了解工業4.0的核心精神。
♘了解智慧工廠的重要特色。
♘IIoT現場總線與資訊網路介紹。
♘Arduino基本操作。
♘RS485/Modbus重要觀念與實作。
♘ArduinoModbusTCP實作。
♘熟悉Node-RED/儀表板操作。
♘了解OPCUA重要觀念。
♘MQTT與WebSocket的介紹與使用。
♘ArduinoMQTT實作與應用。
♘了解RESTAPI設計理念。
♘Node-RED上進行MySQL資料庫的存取。
♘MQTToverWebSocket的實作與應用。

【本書特色】
♖透過本書充分理解頗受矚目的「工業4.0」、「物聯網」、「智慧工廠」的精髓。
♖內容編排由淺入深,著重實作過程,共有36個實作單元。
♖引導你進入物聯網與工業4.0的世界,掌握轉型關鍵。
  • CHAPTER 01 工業4.0
    • 1.1 簡介
    • 1.2 工業4.0演進
      • 工業1.0
      • 工業2.0
      • 工業3.0
      • 工業4.0
    • 1.3 為何會有工業4.0
    • 1.4 工業4.0九大科技
      • 大數據
      • 雲端技術
      • 物聯網
      • 機器人
      • 模擬
      • 積層製造
      • 擴增實境
      • 系統整合
      • 網路安全
    • 1.5 產品全生命週期管理
      • 產品開發
      • 接單採購
      • 智慧生產
      • 通路銷售
      • 客戶服務
      • 產品創新
    • 1.6 工業4.0核心精神
      • 優化的目標
    • 1.7 工業4.0成熟度
  • CHAPTER 02 智慧工廠
    • 2.1 簡介
    • 2.2 工業程序
    • 2.3 工業程序自動化
      • 控制量測系統
    • 2.4 生產支援系統
    • 2.5 CIM模型
      • CIM 金字塔
    • 2.6 CIM金字塔架構
      • 簡化CIM金字塔
    • 2.7 智慧工廠
      • 智慧工廠
    • 2.8 智慧工廠關鍵技術
      • 虛擬工廠設計與自動化
      • 物聯網裝置與系統
      • 智慧裝置與系統
      • 機器人與機器手臂
      • 巨量資料分析
    • 2.9 智慧工廠特徵
      • 以感測器構成感官網路
      • 以物聯網構成神經系統
      • 善用機器人與機器手臂
      • AIoT成為智慧工廠的大腦
  • CHAPTER 03 工業物聯網
    • 3.1 簡介
    • 3.2 何謂IIoT
    • 3.3 IoT與IIoT的比較
    • 3.4 IIoT資料流
      • 工廠間的資料流
      • 邊緣運算設備
      • 雲端資料流
    • 3.5 工廠資料流
      • 現場總線
      • 資訊網路
    • 3.6 ISO/OSI模型
      • 實體層
      • 資料連結層
      • 網路層
      • 傳輸層
      • 會議層
      • 表示層
      • 應用層
    • 3.7 現場總線
    • 3.8 現場總線類型
      • 感測器總線
      • 裝置總線
      • 控制總線
      • 資訊與控制網路
    • 3.9 常見現場總線簡介
      • CAN
      • Modbus
      • Profibus
    • 3.10 Ethernet乙太網
      • TCP/IP協定
      • Ethernet(乙太網)
      • CSMA/CD機制
    • 3.11 工業乙太網
      • Ethernet/IP
      • ProfiNet
  • CHAPTER 04 Arduino基本操作
    • 4.1 簡介
    • 4.2 Arduino開發板
      • Arduino Uno
      • Arduino MEGA 2560
    • 4.3 Arduino IDE
    • 4.4 開啟範例程式
      • Blink程式
      • 上傳範例程式
    • 4.5 實習(1):控制LED閃爍速度
      • 實習目的
      • 實習材料
      • 動作要求
      • Arduino程式
      • 執行結果
    • 4.6 實習(2):按鈕開關控制LED亮滅
      • 實習目的
      • 實習材料
      • 按鍵接法
      • 機械彈跳
      • 動作要求
      • 麵包板接線圖
      • Arduino程式
      • 執行結果
    • 4.7 實習(3):PWM控制LED亮度變化
      • 實習目的
      • 實習材料
      • PWM簡介
      • analogWrite()
      • 動作要求
      • 麵包板接線圖
      • Arduino程式
      • 執行結果
    • 4.8 實習(4):小夜燈
      • 實習目的
      • 實習材料
      • 光敏電阻
      • ADC轉換
      • analogRead()
      • 動作要求
      • 麵包板接線圖
      • Arduino程式
      • 執行結果
  • CHAPTER 05 RS-232與RS-485
    • 5.1 簡介
    • 5.2 通訊原理
      • 單工、半雙工、全雙工傳輸
      • 並列與串列傳輸
    • 5.3 RS-232C
      • RS-232C接頭
      • RS-232C邏輯電位
      • 傳輸速度及距離
    • 5.4 RS-232C資料傳輸
      • 通訊介面參數
      • 傳輸格式
    • 5.5 RS-232C與UART序列埠
    • 5.6 實習(5):序列埠讀取電位計值
      • 實習目的
      • 實習材料
      • 序列埠監控視窗
      • 動作要求
      • 麵包板接線圖
      • Arduino程式
      • 執行結果
    • 5.7 RS-485
      • 全雙工的應用
    • 5.8 實習(6):Arduino RS-485序列通訊
      • 實習目的
      • 實習材料
      • TTL轉RS-485
      • 動作要求
      • 接線圖
      • Arduino MEGA #A程式
      • Arduino MEGA #B程式
      • 執行結果
  • CHAPTER 06 Modbus通訊協定
    • 6.1 簡介
    • 6.2 Modbus通訊堆疊
    • 6.3 Modbus序列通訊
      • ASCII格式
      • RTU格式
    • 6.4 Modbus差錯校驗
      • LRC校驗
      • CRC校驗
    • 6.5實習(7):LRC校驗
      • 實習目的
      • 實習軟體
      • 動作要求
      • C程式
      • 執行結果
      • 實習討論
    • 6.6 實習(8):CRC校驗
      • 實習目的
      • 實習軟體
      • 動作要求
      • C程式
      • 執行結果
    • 6.7 Modbus常用功能碼
    • 6.8 Modbus記憶體區
    • 6.9 Modbus TCP通訊協定
    • 6.10 Modbus TCP客戶端/伺服器模型
    • 6.11 實習(9):Arduino Modbus TCP伺服器
      • 實習目的
      • 實習軟硬體
      • 實習架構
      • Ethernet擴充板
      • MgsModbus函式庫
      • 動作要求
      • Arduino Modbus伺服器程式
      • Arduino執行結果
      • modpoll工具
    • 6.12 實習(10):Arduino Modbus TCP客戶端
      • 實習目的
      • 動作要求
      • 注意事項
      • Arduino Modbus客戶端程式
      • 程式說明
      • 執行結果
  • CHAPTER 07 Node-RED
    • 7.1 簡介
    • 7.2 Windows安裝Node-RED
      • 安裝Node.js
      • 安裝Node-RED
    • 7.3 Node-RED基本操作
    • 7.4 Node-RED核心節點
      • inject節點
      • debug節點
      • function節點
      • change節點
      • switch節點
      • template節點
    • 7.5 實習(11):使用Node-RED核心節點
      • 實習目的
      • 動作要求
      • Node-RED流程
      • 實習步驟
      • 執行結果
    • 7.6 實習(12):建立Hello World網頁
      • 實習目的
      • 動作要求
      • Node-RED流程
      • 實習步驟
      • 執行結果
    • 7.7 實習(13):加入Bootstrap美化網頁
      • 實習目的
      • Boostrap簡介
      • 開啟httpStatic選項
      • 下載jQuery套件
      • 下載Bootstrap套件
      • 下載jscolor套件
      • 動作要求
      • Node-RED流程
      • 實習步驟
      • 執行結果
    • 7.8 實習(14):Node-Red讀取Opendata
      • 實習目的
      • 政府資料開放平台
      • 動作要求
      • Node-RED流程圖
      • 實習步驟
  • CHAPTER 08 Node-RED儀表板
    • 8.1 簡介
    • 8.2 安裝dashboard模組
    • 8.3 新增Group
    • 8.4 實習(15):亂數折線圖
      • 實習目的
      • 動作要求
      • Node-RED流程
      • 實習步驟
      • 執行結果
    • 8.5 實習(16):Sin與Cos圖形
      • 實習目的
      • 動作要求
      • Node-RED流程
      • 實習步驟
      • 執行結果
    • 8.6 實習(17):slider與gauge節點
      • 實習目的
      • 動作要求
      • Node-RED流程
      • 實習步驟
      • 執行結果
    • 8.7 實習(18):長條圖及圓餅圖
      • 實習目的
      • 動作要求
      • Node-RED流程
      • 實習步驟
      • 執行結果
      • 實習討論
    • 8.8 實習(19):自建UI元件
      • 實習目的
      • 動作要求
      • Node-RED流程
      • 實習步驟
      • 執行結果
  • CHAPTER 09 OPC UA
    • 9.1 簡介
    • 9.2 OPC的演進
    • 9.3 傳統OPC
      • 傳統OPC的限制
    • 9.4 傳統OPC運作方式
    • 9.5 OPC UA
      • 工作原理
    • 9.6 OPC UA客戶端
    • 9.7 OPC UA伺服器
      • 客戶端發送服務請求
      • 客戶端發送發布請求
    • 9.8 OPC UA伺服器的互相存取
    • 9.9 UPC UA資訊模型
      • 位址空間
      • 物件、變數及方法
      • 參考
      • 視圖
    • 9.10 OPC UA安全模型
      • OPC UA會話
      • 安全模型
    • 9.11 實習(20):OPC UA伺服器與客戶端
      • 實習目的
      • 實習軟體
      • 實習架構圖
      • Prosys軟體
      • 安裝node-red-contrib-opcua套件
      • 動作要求
      • 實習步驟
      • Node-RED流程
      • 執行結果
  • CHAPTER 10 MQTT協定
    • 10.1 簡介
    • 10.2 發布-訂閱機制
    • 10.3 MQTT主題
      • 主題命名
      • 主題萬用字元
    • 10.4 服務品質
      • QoS 0:最多傳一次
      • QoS 1:至少傳送一次
      • QoS 2:確實傳送一次
    • 10.5 安裝MQTT伺服器
      • Mosquitto
      • Windows安裝Mosquitto
      • 啟動Mosquitto伺服器
      • 確認MQTT伺服器狀態
      • 開通防火牆埠號1883
    • 10.6 使用Mosquitto MQTT伺服器
    • 10.7 實習:Node-RED測試MQTT
      • 實習目的
      • 準備工作
      • 動作要求
      • Node-RED流程
      • 實習步驟
      • 執行結果
  • CHAPTER 11 Arduino MQTT應用
    • 11.1 簡介
    • 11.2 WEMOS D1 R2
      • 規格
    • 11.3 Arduino IDE支援ESP-8266
    • 11.4 PubSubClient函式庫
      • 安裝PubSubClient程式庫
      • PubSubClient功能限制
    • 11.5 PubSubClient常用函式
      • 建立PubSubClient物件
      • connect()
      • disconnect()
      • publish()
      • subscribe()
      • loop()
      • connected()
      • setServer()
      • setCallback()
      • callback
    • 11.6 實習 :Arduino發布溫溼度值
      • 實習目的
      • 實習材料
      • DHT11簡介
      • 匯入DHT函式庫
      • DHT函式庫說明
      • 動作要求
      • 實習接腳圖
      • Arduino程式
      • 執行結果
    • 11.7 實習:Node-RED顯示溫溼度值
      • 實習目的
      • 動作要求
      • Node-RED流程
      • 實習步驟
    • 11.8 實習:Arduino發布及接收MQTT訊息
      • 實習目的
      • 實習材料
      • 動作要求
      • 實習接腳圖
      • Arduino程式
      • 執行結果
    • 11.9 實習:Node-RED顯示光照值及控制LED
      • 實習目的
      • 動作要求
      • Node-RED流程
      • 顯示亮度值
      • 設定slider及整體變數
      • 依設定的臨界值決定WEMOS LED的亮滅
      • Node-RED完整儀表圖
  • CHAPTER 12 REST API
    • 12.1 簡介
    • 12.2 何謂API
    • 12.3 REST架構風格
      • 客戶端-伺服器(Client-Server)架構
      • 無狀態(Stateless)
      • 可快取(Cacheable)
      • 分層系統(Layered system)
      • 統一介面(Uniform interface)
    • 12.4 統一介面的主要群組
      • 基於資源
      • 使用表示式來操作資源
      • 自描述訊息
      • 超媒體作為應用程式狀態的引擎
    • 12.5 以HTTP協定實現REST
    • 12.6 使用Postman測試API
      • 下載Postman軟體
    • 12.7 使用Curl測試API
      • 在Windows下使用Curl
      • Curl指令
    • 12.8 實習:建立REST API訊息回應
      • 實習目的
      • 動作要求
      • Node-RED流程
      • 實習步驟
      • 執行結果
      • 以Postman進行測試
    • 12.9 路由路徑
      • 路由路徑參數
      • msg.req請求
    • 12.10 資料傳輸
      • AJAX
      • $.ajax()
      • $.get()
      • $.post()
    • 12.11 實習:前端與後端資料傳輸
      • 實習目的
      • 動作要求
      • 前端網頁
      • Node-RED流程
      • 執行結果
  • CHAPTER 13 Node-RED與MySQL
    • 13.1 簡介
    • 13.2 建立MySQL資料庫
      • 新增資料表
    • 13.3 安裝mysql套件
      • mysql節點使用方法
    • 13.4 實習:新增記錄
      • 實習目的
      • 動作要求
      • Node-RED 流程
      • 實習步驟
      • 執行結果
    • 13.5 實習:記錄查詢API
      • 實習目的
      • 動作要求
      • Node-RED流程
      • 實習步驟
      • 執行結果
    • 13.6 實習:萬用字元查詢API
      • 實習目的
      • 動作要求
      • Node-RED流程
      • 實習步驟
      • 執行結果
    • 13.7 實習:時間區間查詢API
      • 實習目的
      • 動作要求
      • Node-RED流程
      • 實習步驟
      • 執行結果
    • 13.8 實習 :記錄更新API
      • 實習目的
      • 動作要求
      • Node-RED流程
      • 實習步驟
      • 執行結果
    • 13.9 實習:移除記錄API
      • 實習目的
      • 動作要求
      • Node-RED流程
      • 實習步驟
      • 執行結果
  • CHAPTER 14 WebSocket上的MQTT
    • 14.1 簡介
      • WebSocket與HTTP協定
      • WebSocket上的MQTT
    • 14.2 Mosquitto伺服器致能WebSocket
    • 14.3 測試WebSocket
      • 下載套件
      • 開啟Eclipse Paho Client JavaScript工具
      • 訂閱及發布訊息
    • 14.4 Paho MQTT客戶端套件
    • 14.5 paho-mqtt.js套件說明
      • Paho.MQTT.Client物件
      • Paho.MQTT.Message物件
    • 14.6 實習:JavaScript MQTT客戶端
      • 實習目的
      • 實習準備
      • 實習架構
      • 動作要求
      • 網頁程式:test_mqtt.html
      • 執行結果
    • 14.7 實習:遠端網頁監控LED
      • 實習目的
      • 實習架構圖
      • 動作要求
      • 網頁程式:led_control.html
      • JavaScript程式:led_control.js
      • 執行結果
    • 14.8 實習:Node.js訂閱及發布訊息
      • 實習目的
      • 準備工作
      • 初始化Node.js應用程式
      • 安裝套件
      • 動作要求
      • Node.js程式:index.js
      • 執行程式
      • 執行結果

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