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第十三届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告━基於网路实体系统之灯联网
 

【作者: 顏錦柱教授、施順鵬教授等人】2018年12月18日 星期二

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作者:颜锦柱教授、陈奕廷、彭志豪、陈冠廷、刘嘉佑,树德科技大学

前言

於地方型 SBIR 推动计画中的民生与化工类之灯控产业在低阶灯控产业中耕耘多年,综观全国中小型灯会中都有这些产业的身影。每逢隹节过年,灯会展演带来的不仅是络绎不绝的民众还有一批批大量的商机。不过这些产业的获利并没有随着热络的财源随之成长,「实体线路布局的高昂成本」与「高不可攀的现场规划复杂度」为获利停滞的要点。


本作品依据[1]IEEE IoT Towards Definition Internet of Things Revision1 所定义,以网路实体系统(CPS)为子集构成巨集之物联网模式-灯联网。两者在相同应用场域中有着不同的应用模式,如图 1。



图1 : 应用模式
图1 : 应用模式

子集主要应用於没有互联网的灯控场域, 适 合 单 人 操 作 。 此 集 合 的 应 用 模 式 基 於IEEE802.15.4 无线通讯协议并采用「精简型」的灯控指令。前主免去传统灯控必需连结的冗长讯号线,後者将常用的灯控模式依序排列并汇整於记忆体中,施作人员只要排列编号就能够有多样地灯光变化。此举以利没有灯光设计背景的施工人员能够迅速布置并操作灯具。


巨集的应用场域与子集大致相同,唯一的差异在於巨集场域必须置於互联网环境,适合团体操作。巨集有助於复数工作人员一同监控当前灯具状态与灯号,让协作施工更为顺利。本组以响应式网页设计监控介面,让所有叁与灯具施作的人员能够跨平台监看子集所操作的灯具现况。


子集与巨集分别能够视为两种随着环境不同而衍生的方案,此举将带给厂商莫大的施作弹性与便利。同时,这也是基於网路实体统之物联网架构下所能产生的最大效益。


此架构底下的子集- 网路实体系统已在2018 年 4 月於全国电子创意设计竞赛中公开展出,荣获资通类冠军。子集所带来的效益来自於「无线型单人多点操作」模式,此举让原本繁复的灯具操控更加便捷。


不过并不是所有灯控场域都能够由单人一手掌握。诸多产业奉行的师徒制在工程施作的同时徒弟也有观察现况的必要,而灯具展演时在场的工作人员也必须掌握灯具现况以利随时回报。因此在盛群杯中此架构的「巨集」为本组基於子集所增添的功能。巨集与子集的功能区别,本组以「资料采集、资料处理、资料显示」循环区块加以比对,如表 1:


(表 1)巨集/子集功能区别表

集合/资料循环

资料采集

资料处理

资料显示

子集

灯具状态

MCU

EEPROM

LCD

巨集

监控状态

MCU

Linux Database

RWD

Web

透过上表可以得知,巨集在资料处理端较为繁琐,子集着重於资料采集。前者为了以RWD_Web 形式於跨平台呈现资料必须整合较多技术,後者必须建立稳固的无线通讯协议以确保资料得以正确采集。

工作原理

本 作 品 之 工 作 原 理 主 要 基 於 [2]IEEE802.15.4 星状网路拓朴。FFD 为灯具乘载电路,PAN Coordinator 则是使用者介面。在此拓朴中 FFD 只能够与 PAN Coordinator 通讯。FFD 主要由[3]IEEE 802.15.4 Soc-CC2530与[4]HT66F70A 组成,前者为无线通讯收发的接囗,後者为驱动继电器使灯具运作的微控器。PAN Coordinator 同样由上述两者组成,CC2530 的功能不变,HT66F70A 则成为驱动显示、输入介面与处理资料的核心。随着使用者需求的改变,HT66F70A 所处理的资料流会走向不同的端点。


在个人使用中无须联网的网路实体系统下,资料流最终会流向 MCU 的 EEPROM 之中以待使用者下达指令处理并传送。


本组将指令分门别类以利使用者使用。指令分别为:「循环、客制化、监控、无线远端重制与储存客制化。」除了指令式的主要功能之外, 非指令式的辅助功能:「电源节点扩充」也是使用者能够善用的功能。上述功能被本组整合为:「具扩充功能之无线电源节点系统」并且於2018 年 10 月 22 日受到智财局审查核准为新型专利刑式。


在团体使用中必须联网的情况下,资料会随着 MCU 的 UART 通道经由闸道器-Raspberry 处理成 JSON 格式以 POST 方式将资料传递至Apache 网页伺服器套件-XAMPP。XAMPP 是一个把Apache 网页伺服器与PHP、Perl 及MariaDB 集合在一起的安装包,允许用户可以在自己的电脑上轻易的建立网页伺服器。


在此伺服器的根目录中,本组以 PHP-ODP 的方式将 SQL Function 归类并以此为基础整理资料库(MariaDB)之中来自於 HT66F70A 的资料。整理完毕後同样以 JSON 格式送往网页前端。


然而,前端网页在必须不停显示灯号节目的情况下得持续地向网页後端索取资料。於是,本组利用 AJAX 这项 JavaScript 的 Lib 来达成这项任务。最後,本组将资料显示建立在响应式网页上。此举让所有必需配合使用者介面监控灯号状态的使用者能够在跨平台上操作网页。


作品结构

本作品以子集合-网路实体系统为起点采集灯具的状态与资料并给予灯具应用指令,采集资料完善後交由资料处理端处理。此端会因为使用者需求的不同产生改变。因为处理端的不同,资料显示端也会有所差异。下列工作原理依据这些区块做出说明。


资料采集

资料采集主要分为主端电路与仆端电路。主端电路为使用者介面功能,附有显示介面(LCD 萤幕)、输入介面(实体键盘)与无线收发接囗(IEEE 802.15.4 SoC),上述这些介面与接囗皆由 HOLTEK MCU 整合与操作,如图 2。



图2 : 主端电路
图2 : 主端电路

仆端电路为灯具乘载功能,附有灯具、继电器电路(SPDT)与无线收发接囗。当无线接囗接收到讯号後会交由 HOLTEK MCU 驱动继电器使灯具动作。视指令而定仆端也能够回传资讯给主端。如图 3。



图3 : 仆端电路
图3 : 仆端电路

经由主仆端一连串运作所采集的资料将被存放於 MCU 的 EEPROM 之中。这些资料的流向将随着使用者的需求而改变并进入资料处理端。


资料处理

资料处理理端以「个人」与「团体」两种不同施作方式为分流。在个人施作方式中资料会经由无线通到传递至 MCU 中的 EEPROM。除了做为资料储存的功能之外,也能够在使用者於介面下达指令时执行相关功能。个人施作资料处理区块如图 4。



图4 : 个人施作方式资料处理
图4 : 个人施作方式资料处理

个人施作方式资料处理在选择指令後仍有各项指令的资料处理流程。各流程将汇集各自所处理的资料至传送资料区并填入无线传输的缓冲区中以待发送。如图 5。



图5 : 指令集资料处理流程
图5 : 指令集资料处理流程

团体施作方式中资料主要由个人施作方式中的监控模式开始进行处理。资料会经由 MCU 的 UART 通道传递至闸道器-Raspberry Pi。此端具有 10/100 乙太网路与 IEEE802.11 b/g/n 无线网路,方便使用者依据场地布置网路用以传递资料至伺服器。


另外,本组将原生资料处理成 JSON 资料格式并以 POST 资料传输传递至伺服器。此流程以开机脚本的方式写入 Raspberry Pi,让使用者在设定上更加便利。团体施作资料处理区块如图 6。



图6 : 团体施作方式资料处理
图6 : 团体施作方式资料处理

资料显示

资料显示端同样以「个人」与「团体」两种不同施作方式做区分。在个人施作方式中LCD 背光萤幕为此方式的显示介面。在团体施作方式中则以响应式网页为基础於跨平台显示资料。如图 7。



图7 : 个人/团体施作方式资料显示
图7 : 个人/团体施作方式资料显示

测试方法

如同工作原理与作品结构所记述,本组在测试方法中同样分为三个端点:「资料采集、资料处理与资料显示。」三个端点的共通点就是「资料」的存在,於是本组在测试初期皆有符合三个端点环境的假资料进行测试。


假资料进入端点後的运作成功後将进入中期的测试。此环节总共有 2W1H,依序是测试环境(WHERE)、测试条件(HOW) 与测试结果(WHAT)。


测试环境

以低阶灯控场域大致相符的室内环境为主,地点於校内的实验室,坪数约为 5 坪大。IEEE802.15.4 运行的 2.4GHz 频道上具有许多校内 Wi-Fi 的接囗,因此频道上具有 Wi-Fi 流量为正常现象。


测试条件

GIGO(Garbage in, garbage out)为资讯通讯技术的惯用语,此句说明了如果将错误的、无意义的资料输入电脑系统,电脑自然也一定会输出错误、无意义的结果。这样的原则是本品最重要的测试条件。


因此,Input Data(ID)与 Ouput Data(OD)为各端点测试条件的基本单位。然而各集合之端点的环境与介面差异使得验证 ID 与 OD 的方式也会有所区别,本组主要区分为有线/无线配置与互联网配置与否。表 2 为子集测试条件表格,表 3 为巨集测试条件表格。


(表2)子集测试表格

条件/资料循环

资料采集

资料处理

资料显示

ID

灯具状态

使用者状态

灯具资料

使用者资料

监控资料

Internet

X

X

X

Wireless

V

X

X

Wired

V

V

V

OD

灯具资料

使用者资料

监控资料

监控资料


(表3)巨集测试表格

条件/资料循环

资料采集

资料处理

资料显示

 

ID

监控资料

监控资料

JSON

监控资料

JSON

资料库资料

Internet

X

V

V

Wireless

X

V

V

Wired

V

X

X

 

OD

监控资料

JSON

监控资料

JSON

资料库资料

监控资料资料库资料


测试结果

测试结果是否成功的标准在於,ID 与 OD 是否一致。换言之,采集到的资料与显示的资料必须相同。测试以使用者下达指令为起点开始采集资料,其中并搭配个人施作显示介面LCD(如图 8)与团体施作显示介面 Web(如图 9) 验证。


从结果中可以发现本作品所采集的资料与所显示的资料并无差异。不论在团体施作或者个人施作中 ID 与 OD 均保持一致。



图8 : LCD 显示介面成品流程
图8 : LCD 显示介面成品流程
图9 : Web 显示介面於手机显示
图9 : Web 显示介面於手机显示

叁考文献

[1] IEEE IoT Towards Definition Internet of Things Revision1,27MAY2015


[2] CC2530 Software Examples User’s Guide,SWRU214A


[3] CC253x System-on-Chip Solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 and ZigBeeR Applications User's Guide,SWRU191,April 2009


[4] A/D Flash MCU with EEPROM HT66F60A/HT66F70A,V1.40,August28,2017


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