葉超雄臺灣大學：應用力學研究所黃繼德Huang, Ji-DeJi-DeHuang2007-11-292018-06-282007-11-292018-06-282006http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/62364本論文結合了無線感測器網路與連網型嵌入式系統，成功的讓無線感測器網路得以透過網際網路，將資料收集到後端電腦。避免了少數區域控制器電力耗盡，造成整個感測器網路癱瘓的情況；而讓部份區域控制器透過網際網路傳遞資料的方式，亦使感測器網路的規模不再受限於無線收發器的頻寬。 本論文所採用的連網型嵌入式系統，為一般市售無線路由器所改造，並執行開放源碼之嵌入式Linux。藉由USB控制晶片以作為感測器網路的區域控制器，讓無線感測器網路得以與網際網路結合。近來政府積極推廣行動台灣計畫，許多公共場所均佈置了無線路由器；本論文提供了一個有效且可行的方式，使得無線感測器網路得以建立於這現有的網路基礎上，讓大規模無線偵測成為可能。 此外，並運用了物件導向的設計範式(Design Pattern)概念，為後端電腦開發了極具彈性的Java資料收集程式，只要稍加修改，即可收集要求的資料；而Java不必重新編譯便可移植到其他平臺的特性，讓這個程式更具彈性。 本論文也試著研發出公分等級距離量測技術。且成功使用市售電子零件，製作了低成本、picosecond等級的時間測量電路，具備60 ps解析能力。在論文中，雖然尚未做到真正的公分無線測量，只要結合這個測時電路與極低漂移量的RF收發器，則公分等級距離量測將可望問世。In this study, a wireless sensor network architecture with internet connectivity has been realized by modifying a commercially available wireless router to serve as the local controller center (LCC). This newly developed sensor network architecture, just like any other well-designed sensor network, can collect data from widespread wireless sensor networks through internet effciently. The so-called LCC’s centers can control the traffic of the local sensor network, collect data, and relay the data to backend servers thorough internet. This newly developed LCC runs open-source embedded ucLinux and is constructed by connecting a newly designed add-on transceiver to the USB port extention of a commercially available wireless Wi-Fi router. Recently, under the M-Taiwan program, the wireless LAN infrastructure has been widely built in public space. The architure proposed in this study provide quite an extensive route to extend the wireless LAN infrastrure into a sensor network infrastructure so as to facilitate large-scale sensor networks deployment.. By using the concept of Design Pattern in Object-Oriented Programming, a flexible Java-based data collecting program was also successly developed, which was detailed in this thesis as well. The native cross-platform characteristics of Java may realize the concept “Compile Once, Run Anywhere,” which can then provide us with an opportunity to extend the flexibility of the data collecting program on various hardware platforms. In addition, this study also attempts to develop a centimeter distance location determination method using TOA (time of arrival) method. To have centimeter resolution by using the TOA mehod, the timing resolution has to be in the picosencos range. A low-cost picoseconds level timing measuremnt circuit was successfully developed and verified to have 80 picosencos resolution. To fully utilize this timing circuitry, a low-drift RF (radio frequency) transceiver must be developed to measure the travlling time between sensor nodes. Some preliminary study and proof of concept has been completed and found that the RF transceiver drifting can be controlled to within 2 nanoseconds, which corresponds to 60 cm spatial resolution. A more stable transceiver that has shorter pulse transimission capability is suggested to be the next task in order to enhance the spatial resolution.目錄 謝誌 I 中文摘要 III ABSTRACT IV 目錄 VI 表目錄 IX 圖目錄 X 第1章 緒論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 各章節介紹 6 第2章 無線感測器網路 7 2.1 架構 8 2.2 硬體 12 2.3 多重存取 16 2.4 通訊協定 26 2.4.1 Control 26 2.4.2 SensorNodeInfo 28 2.4.3 SensorData 29 2.5 程式架構 33 2.5.1 LCC 34 2.5.2 Sensor Node 38 2.6 註冊測試 42 2.7 高速傳輸模式 44 2.8 小結 46 第3章 後端資料收集程式 47 3.1 程式架構 48 3.1.1 Data Package 49 3.1.2 Util Package 51 3.1.3 Network Package 55 3.1.4 GUI Package 58 3.2 通訊協定 80 3.3 程式操作方式 84 3.4 小結 89 第4章 無線路由器 90 4.1 架構 91 4.2 路由器改造 94 4.3 開發環境架設 98 4.4 程式架構 101 4.5 對LCC通訊協定 107 4.6 虛擬WL500G 113 4.7 小結 114 第5章 距離測量 115 5.1 距離測量方式 116 5.2 時間測量方式 122 5.3 電路設計 127 5.4 時間測試結果 137 5.5 RF距離測量問題 142 5.6 RF距離實測 146 5.7 小結 149 第6章 結論及未來展望 150 6.1 結論 150 6.2 未來展望 151 參考文獻 152 附錄 155 表目錄 表2-1.CC1010耗電分析 14 表2-2.CC1000與MSP430F1232耗電分析 15 表2-3.CC1010與MSP430F1232＋CC1000時間比較 15 表2-4.C1010與MSP430F1232＋CC1000使用時間(加入能量擷取裝置) 15 表3‑1.資料收集程式封包型態定義 81 圖目錄 圖1 1.TMOTE SKY電路正面 3 圖1 2. TMOTE SKY電路反面 4 圖2 1.無線感測器網路架構 9 圖2 2.CC1010發展版模組 13 圖2 3.第二、三代RF收發模組 14 圖2 4.正常情況下的ID請求 18 圖2 5.一般情況下的ID請求 19 圖2 6.SLOTTED ALOHA流程 20 圖2 7.BINARY SEARCH ALGORITHM流程 21 圖2 8.FSK的RX與TX頻率 23 圖2 9.MANCHESTER編碼 24 圖2 10.MANCHESTER碰撞偵測 25 圖2 11.CONTROL封包結構 27 圖2 12.SENSORNODEINFO封包結構 28 圖2 13.SENSORDATA封包格式 29 圖2 14.PREAMBLE DETECTION EXAMPLES (取自CC1010規格表) 30 圖2 15.系統時槽規劃 31 圖2 16.CC1010開發套件(取自開發套件說明書) 33 圖2 17.LCC的狀態切換 34 圖2 18.LCC運作方式 35 圖2 19.SYSTEM_STATE結構 36 圖2 20.SENSOR NODE狀態切換 38 圖2 21.SENSOR NODE的狀態切換 40 圖2 22.SENSOR NODE註冊測試板 43 圖2 23.註冊測試現場圖 43 圖2 24.高速傳輸模式時序 44 圖2 25.心跳訊號接收轉板 45 圖3 1.R93543012.WIRELESS PACKAGE DIAGRAM 48 圖3 2.DATAMANAGER、TIMEDATASERIES、DATASELECTPANEL關係圖 50 圖3 3.ASSISTBLOCK與DATASELECTPANEL外觀 51 圖3 4.R93543012.WIRELESS.UTIL.FILE CLASS DIAGRAM 53 圖3 5.DRAWCOMMAND與DRAWPANEL關係 55 圖3 6.NETWORK PACKAGE CLASS DIAGRAM 56 圖3 7.MESSAGEINTERFACE與PACKAGETYPEENUM 58 圖3 8.GUI PACKAGE中的GRID與UNIT類別 60 圖3 9.VIEW PACKAGE DIAGRAM 61 圖3 10.APPEARANCE相關類別的繼承情況 63 圖3 11.GUI.CONTROLLER的SYSTEMCONTROLLER與其他類別關係圖 64 圖3 12.CONTROLLER PACKAGE DIAGRAM 66 圖3 13.OBJECTCONTROLLER產生流程 67 圖3 14.APPEARANCE與INFORMATIONAPPEARANCE 68 圖3 15.APPEARANCE、OBJECTCONTROLLER與INFORMATIONCONTROLLER架構 69 圖3 16.INFORMATION PACKAGE CLASS DIAGRAM 71 圖3 17.SELECTIONLAYEROBJECT 71 圖3 18.CONTROLLER.DESKTOP CLASS DIAGRAM 74 圖3 19.MODEL CLASS DIAGRAM 77 圖3 20.資料傳遞相關類別 78 圖3 21.基本封包框架 80 圖3 22.WN_PACKAGE封包內容結構 81 圖3 23.PLUGIN FUNCTION COMMAND PACKAGE訊息內容結構 81 圖3 24.LCC_PACKAGE封包內容結構 82 圖3 25.REQ_WN_INFORMATION與REQ_LCC_INFORMATION封包內容結構 82 圖3 26.RESPON_WN_INFORMATION與RESPON_LCC_INFORMATION結構 83 圖3 27.GROUP_PACKAGE封包結構 83 圖3 28.資料收集程式的外觀 84 圖3 29.物件的感應與選取 85 圖3 30.物件視窗 85 圖3 31.PLUGIN面板 86 圖3 32.資料閱覽視窗 87 圖3 33.VIEW DATA面板 87 圖4 1.感測網路的資料傳遞方式 91 圖4 2.完整系統架構 92 圖4 3.ASUS WL500G (取自HTTP://TW.ASUS.COM) 94 圖4 4.WL500G與LCC連接方式 97 圖4 5.LCC透過PL2303的USB轉版與WL500G結合 97 圖4 6.跨平臺開發環境架構 99 圖4 7.WL500G資料轉的程式架構 101 圖4 8.QUEUE STRUCTURE 102 圖4 9.通用性資料結構 103 圖4 10.COMMAND STRUCTURE 104 圖4 11.DATA PACKAGE STRUCTURE 104 圖4 12.RS232通訊控制 107 圖4 13.新感測器加入 109 圖4 14.感測資料的取得 110 圖4 15.巨量傳輸模式 112 圖4 16.PL2303轉版接上電腦 113 圖5 1.DOA運作方式 117 圖5 2.RSSI距離偵測運作方式 118 圖5 3.第2.5代RF模組RSSI測試結果 119 圖5 4.網格定位運作方式 120 圖5 5.TOA運作方式 121 圖5 6.TAC方式(KALISZ 2004) 122 圖5 7.VERNIER METHOD運作方式(KALISZ 2004) 124 圖5 8. NUTT METHOD使用TAC 124 圖5 9.DELAY LINE (KALISZ 2004) 126 圖5 10.電容充電電路示意圖 127 圖5 11.LF198 INPUT BIAS CURRENT特性(取自NS公司LF198規格表) 128 圖5 12.TS5A459X漏電流特性 129 圖5 13.定電流電路(取自REF200 DATASHEET) 131 圖5 14.TIM電路架構 133 圖5 15.第一代測時電路 134 圖5 16.第二代測時電路 135 圖5 17.第三代測時電路(反面) 135 圖5 18.第三代測時電路(正面) 136 圖5 19.測時電路測試結果統計 137 圖5 20.電線3CM時間延遲 138 圖5 21.電線5CM時間延遲 138 圖5 22.電線7CM時間延遲 139 圖5 23.電線9CM時間延遲 139 圖5 24.電線11CM時間延遲 140 圖5 25.電線13CM時間延遲 140 圖5 26.電線15CM時間延遲 141 圖5 27.測試結果整理 141 圖5 28.MCU中斷 142 圖5 29.NRF401內部架構(取自NRF401規格表) 143 圖5 30.CC1010的IF資訊(取自CC1010規格表) 144 圖5 31.電子所呂學士教授團隊的RF接收IC 145 圖5 32.電子所呂學士教授團隊的RF發送IC 145 圖5 33.RF測試現場圖 146 圖5 34.TOA測試示意圖 146 圖5 35.現場TOA資料接收 147 圖5 36.羽球場TOA測試結果 1484826388 bytesapplication/pdfen-US無線感測器網路時間測量Wireless Sensor NetworkTIMTOApicosecondLinuxthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/62364/1/ntu-95-R93543012-1.pdf