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