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基於網路實體系統之燈聯網
第十三屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【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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前言

於地方型 SBIR 推動計畫中的民生與化工類之燈控產業在低階燈控產業中耕耘多年,綜觀全國中小型燈會中都有這些產業的身影。每逢佳節過年,燈會展演帶來的不僅是絡繹不絕的民眾還有一批批大量的商機。不過這些產業的獲利並沒有隨著熱絡的財源隨之成長,「實體線路布局的高昂成本」與「高不可攀的現場規劃複雜度」為獲利停滯的要點。


本作品依據[1]IEEE IoT Towards Definition Internet of Things Revision1 所定義,以網路實體系統(CPS)為子集構成巨集之物聯網模式-燈聯網。兩者在相同應用場域中有著不同的應用模式,如圖 1。



圖1 : 應用模式
圖1 : 應用模式

子集主要應用於沒有互聯網的燈控場域, 適 合 單 人 操 作 。 此 集 合 的 應 用 模 式 基 於IEEE802.15.4 無線通訊協議並採用「精簡型」的燈控指令。前主免去傳統燈控必需連結的冗長訊號線,後者將常用的燈控模式依序排列並彙整於記憶體中,施作人員只要排列編號就能夠有多樣地燈光變化。此舉以利沒有燈光設計背景的施工人員能夠迅速布置並操作燈具。


巨集的應用場域與子集大致相同,唯一的差異在於巨集場域必須置於互聯網環境,適合團體操作。巨集有助於複數工作人員一同監控當前燈具狀態與燈號,讓協作施工更為順利。本組以響應式網頁設計監控介面,讓所有參與燈具施作的人員能夠跨平台監看子集所操作的燈具現況。


子集與巨集分別能夠視為兩種隨著環境不同而衍生的方案,此舉將帶給廠商莫大的施作彈性與便利。同時,這也是基於網路實體統之物聯網架構下所能產生的最大效益。


此架構底下的子集- 網路實體系統已在2018 年 4 月於全國電子創意設計競賽中公開展出,榮獲資通類冠軍。子集所帶來的效益來自於「無線型單人多點操作」模式,此舉讓原本繁複的燈具操控更加便捷。


不過並不是所有燈控場域都能夠由單人一手掌握。諸多產業奉行的師徒制在工程施作的同時徒弟也有觀察現況的必要,而燈具展演時在場的工作人員也必須掌握燈具現況以利隨時回報。因此在盛群盃中此架構的「巨集」為本組基於子集所增添的功能。巨集與子集的功能區別,本組以「資料採集、資料處理、資料顯示」循環區塊加以比對,如表 1:


(表 1)巨集/子集功能區別表

集合/資料循環

資料採集

資料處理

資料顯示

子集

燈具狀態

MCU

EEPROM

LCD

巨集

監控狀態

MCU

Linux Database

RWD

Web

透過上表可以得知,巨集在資料處理端較為繁瑣,子集著重於資料採集。前者為了以RWD_Web 形式於跨平台呈現資料必須整合較多技術,後者必須建立穩固的無線通訊協議以確保資料得以正確採集。

工作原理

本 作 品 之 工 作 原 理 主 要 基 於 [2]IEEE802.15.4 星狀網路拓樸。FFD 為燈具乘載電路,PAN Coordinator 則是使用者介面。在此拓樸中 FFD 只能夠與 PAN Coordinator 通訊。FFD 主要由[3]IEEE 802.15.4 Soc-CC2530與[4]HT66F70A 組成,前者為無線通訊收發的接口,後者為驅動繼電器使燈具運作的微控器。PAN Coordinator 同樣由上述兩者組成,CC2530 的功能不變,HT66F70A 則成為驅動顯示、輸入介面與處理資料的核心。隨著使用者需求的改變,HT66F70A 所處理的資料流會走向不同的端點。


在個人使用中無須聯網的網路實體系統下,資料流最終會流向 MCU 的 EEPROM 之中以待使用者下達指令處理並傳送。


本組將指令分門別類以利使用者使用。指令分別為:「循環、客製化、監控、無線遠端重製與儲存客製化。」除了指令式的主要功能之外, 非指令式的輔助功能:「電源節點擴充」也是使用者能夠善用的功能。上述功能被本組整合為:「具擴充功能之無線電源節點系統」並且於2018 年 10 月 22 日受到智財局審查核准為新型專利刑式。


在團體使用中必須聯網的情況下,資料會隨著 MCU 的 UART 通道經由閘道器-Raspberry 處理成 JSON 格式以 POST 方式將資料傳遞至Apache 網頁伺服器套件-XAMPP。XAMPP 是一個把Apache 網頁伺服器與PHP、Perl 及MariaDB 集合在一起的安裝包,允許用戶可以在自己的電腦上輕易的建立網頁伺服器。


在此伺服器的根目錄中,本組以 PHP-ODP 的方式將 SQL Function 歸類並以此為基礎整理資料庫(MariaDB)之中來自於 HT66F70A 的資料。整理完畢後同樣以 JSON 格式送往網頁前端。


然而,前端網頁在必須不停顯示燈號節目的情況下得持續地向網頁後端索取資料。於是,本組利用 AJAX 這項 JavaScript 的 Lib 來達成這項任務。最後,本組將資料顯示建立在響應式網頁上。此舉讓所有必需配合使用者介面監控燈號狀態的使用者能夠在跨平台上操作網頁。


作品結構

本作品以子集合-網路實體系統為起點採集燈具的狀態與資料並給予燈具應用指令,採集資料完善後交由資料處理端處理。此端會因為使用者需求的不同產生改變。因為處理端的不同,資料顯示端也會有所差異。下列工作原理依據這些區塊做出說明。


資料採集

資料採集主要分為主端電路與僕端電路。主端電路為使用者介面功能,附有顯示介面(LCD 螢幕)、輸入介面(實體鍵盤)與無線收發接口(IEEE 802.15.4 SoC),上述這些介面與接口皆由 HOLTEK MCU 整合與操作,如圖 2。



圖2 : 主端電路
圖2 : 主端電路

僕端電路為燈具乘載功能,附有燈具、繼電器電路(SPDT)與無線收發接口。當無線接口接收到訊號後會交由 HOLTEK MCU 驅動繼電器使燈具動作。視指令而定僕端也能夠回傳資訊給主端。如圖 3。



圖3 : 僕端電路
圖3 : 僕端電路

經由主僕端一連串運作所採集的資料將被存放於 MCU 的 EEPROM 之中。這些資料的流向將隨著使用者的需求而改變並進入資料處理端。


@大標: 資料處理


資料處理理端以「個人」與「團體」兩種不同施作方式為分流。在個人施作方式中資料會經由無線通到傳遞至 MCU 中的 EEPROM。除了做為資料儲存的功能之外,也能夠在使用者於介面下達指令時執行相關功能。個人施作資料處理區塊如圖 4。



圖4 : 個人施作方式資料處理
圖4 : 個人施作方式資料處理

個人施作方式資料處理在選擇指令後仍有各項指令的資料處理流程。各流程將匯集各自所處理的資料至傳送資料區並填入無線傳輸的緩衝區中以待發送。如圖 5。



圖5 : 指令集資料處理流程
圖5 : 指令集資料處理流程

團體施作方式中資料主要由個人施作方式中的監控模式開始進行處理。資料會經由 MCU 的 UART 通道傳遞至閘道器-Raspberry Pi。此端具有 10/100 乙太網路與 IEEE802.11 b/g/n 無線網路,方便使用者依據場地布置網路用以傳遞資料至伺服器。


另外,本組將原生資料處理成 JSON 資料格式並以 POST 資料傳輸傳遞至伺服器。此流程以開機腳本的方式寫入 Raspberry Pi,讓使用者在設定上更加便利。團體施作資料處理區塊如圖 6。



圖6 : 團體施作方式資料處理
圖6 : 團體施作方式資料處理

資料顯示

資料顯示端同樣以「個人」與「團體」兩種不同施作方式做區分。在個人施作方式中LCD 背光螢幕為此方式的顯示介面。在團體施作方式中則以響應式網頁為基礎於跨平台顯示資料。如圖 7。



圖7 : 個人/團體施作方式資料顯示
圖7 : 個人/團體施作方式資料顯示

測試方法

如同工作原理與作品結構所記述,本組在測試方法中同樣分為三個端點:「資料採集、資料處理與資料顯示。」三個端點的共通點就是「資料」的存在,於是本組在測試初期皆有符合三個端點環境的假資料進行測試。


假資料進入端點後的運作成功後將進入中期的測試。此環節總共有 2W1H,依序是測試環境(WHERE)、測試條件(HOW) 與測試結果(WHAT)。


測試環境

以低階燈控場域大致相符的室內環境為主,地點於校內的實驗室,坪數約為 5 坪大。IEEE802.15.4 運行的 2.4GHz 頻道上具有許多校內 Wi-Fi 的接口,因此頻道上具有 Wi-Fi 流量為正常現象。


測試條件

GIGO(Garbage in, garbage out)為資訊通訊技術的慣用語,此句說明了如果將錯誤的、無意義的資料輸入電腦系統,電腦自然也一定會輸出錯誤、無意義的結果。這樣的原則是本品最重要的測試條件。


因此,Input Data(ID)與 Ouput Data(OD)為各端點測試條件的基本單位。然而各集合之端點的環境與介面差異使得驗證 ID 與 OD 的方式也會有所區別,本組主要區分為有線/無線配置與互聯網配置與否。表 2 為子集測試條件表格,表 3 為巨集測試條件表格。


(表2)子集測試表格

條件/資料循環

資料採集

資料處理

資料顯示

ID

燈具狀態

使用者狀態

燈具資料

使用者資料

監控資料

Internet

X

X

X

Wireless

V

X

X

Wired

V

V

V

OD

燈具資料

使用者資料

監控資料

監控資料


(表3)巨集測試表格

條件/資料循環

資料採集

資料處理

資料顯示

?

ID

監控資料

監控資料

JSON

監控資料

JSON

資料庫資料

Internet

X

V

V

Wireless

X

V

V

Wired

V

X

X

?

OD

監控資料

JSON

監控資料

JSON

資料庫資料

監控資料資料庫資料


測試結果

測試結果是否成功的標準在於,ID 與 OD 是否一致。換言之,採集到的資料與顯示的資料必須相同。測試以使用者下達指令為起點開始採集資料,其中並搭配個人施作顯示介面LCD(如圖 8)與團體施作顯示介面 Web(如圖 9) 驗證。


從結果中可以發現本作品所採集的資料與所顯示的資料並無差異。不論在團體施作或者個人施作中 ID 與 OD 均保持一致。



圖8 : LCD 顯示介面成品流程
圖8 : LCD 顯示介面成品流程
圖9 : Web 顯示介面於手機顯示
圖9 : Web 顯示介面於手機顯示

參考文獻

[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


(本文作者為樹德科技大學顏錦柱教授、施順鵬教授、陳奕廷、彭志豪、陳冠廷、劉嘉祐)


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