指導教授：林致廷臺灣大學：電子工程學研究所許家豪Hsu, Chia-HaoChia-HaoHsu2014-11-302018-07-102014-11-302018-07-102014http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/263958近年來，由於M2M概念的興起，無線感測網路已成為相當重要的技術，而為了推廣此技術，我們與國科會合作，以防止因天候異常以及天然災害，所造成的大型結構物倒塌、毀壞事件目標，建立了一個無線結構物安全監測平台，並且將此平台架設在中沙大橋。在這個平台之中，包含許多的技術應用，例如：通訊協定技術，全球定位系統，數據壓縮，結構頻率分析等等。我們使用MSP430 以及 ARM Cortex M3的晶片為運算單元，並以此設計出我們的感測器節點，並設計量測電路板，使其可以根據不同種的環境或需求去做監測；並根據我們所需要的情境，在無線感測網路平台上進行演算法實作，以加強WSN的local processing能力。Recently since more the concept of M2M gets more and more popular and prized, Wireless Sensor Network becomes a really important technology has became more important than ever. To promote this technology, we cooperate with National Science Congress on WSN platform for structure monitoring to prevent the collapse by the extreme climate change. We set up the platform on Chung-Sha bridge with a lot of technology implementation, for example, communication protocol, GPS, data compression, structure frequency analysis...etc. We use MSP430 and ARM Cortex M3 as our processing unit for our sensor node and design the circuit board to utilize them in a complete WSN system. And according to different scenario, we implement algorithm on our sensor node to optimize the local data processing performance and ability.封面 i 誌謝 ii 中文摘要 iii Abstract iv 目錄 vi 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究目的 2 第二章 文獻回顧 3 2.1 M2M 系統概述 3 2.2 無線感測網路概述 4 2.2.1 網路架構之概述 7 2.2.2 無線感測網路的特點與限制 8 2.2.3 無線感測器網路之應用與優勢 8 2.3 網路傳輸協定概述 9 2.3.1 IEEE 802.15.4 10 2.3.2 ZigBee 11 2.3.3 無線感測網路與現行無線通訊協定之比較 11 2.4 加速度規介紹 13 2.4.1 加速度規原理 13 2.5 壓縮演算法介紹 14 2.5.1 演算法原理及應用 15 第三章 系統架構 19 3.1 系統架構簡介 19 3.1 系統設計 21 3.2.1 末端節點細節 21 3.2.2 感測器選擇 27 3.2.3 介面電路設計 29 3.3 傳輸韌體簡介 32 3.3.1 網路架構 32 3.4 接收介面 34 3.5 系統運作流程 36 3.6 壓縮演算法移植 37 第四章 實驗結果與討論 40 4.1 無線感測網路系統實測 40 4.1.1 中沙大橋系統優化&實測 41 4.1.2 移動式裝置實測結果 46 4.1.3 加速度-GPS結合模組實測結果 50 4.2 壓縮演算法實測 53 4.2.1 演算法壓縮率測試 56 4.2.2 系統通信優化測試 57 第五章 結論與未來展望 58 5.1 結論 58 5.2 未來展望 58 圖目錄 圖 2-1 M2M系統架構 4 圖 2-2 Intel Mote 6 圖 2-3 感測節點方塊圖 6 圖 2-4 長鍊狀網路示意圖 7 圖 2-5 WSN工程應用示意圖 9 圖 2-6 電腦網路分層架構 10 圖 2-7 ZigBee 協定示意圖 11 圖 2-8 微機電式(MEMS)加速度規示意圖 14 圖 2-9 壓電式加速度規示意圖 14 圖 2-10 Huffman coding步驟一 16 圖 2-11 Huffman coding步驟二 17 圖 2-12 Huffman coding步驟三 17 圖 2-13 LZ77編碼順序示意圖 18 圖 3-1 ARM Cortex M3正面 20 圖 3-2 ARM Cortex M3反面 20 圖 3-3 MSP430F1611腳位圖 21 圖 3-4 Super node MSP430腳位圖 22 圖 3-5 ARM處理器演進圖 24 圖 3-6 Super-node正面layout圖 26 圖 3-7 Super-node背面layout圖 26 圖 3-8 Super-node ARM Cortex M3腳位圖 27 圖 3-9 Super-node詳細layout圖 27 圖 3-10 SILICON DESIGNS加速度計 28 圖 3-11 輸出電壓與加速度關係圖 28 圖 3-12 KB120VD 加速度規 29 圖 3-13 壓電式加速度規原理 29 圖 3-14 負回授組態 31 圖 3-15 Layout設計圖 31 圖 3-16 焊接完成的戒面電路板&Super node 31 圖 3-17 點對點網路拓撲 33 圖 3-18 星狀網路拓撲 33 圖 3-19 階層式網路拓撲 34 圖 3-20 使用者接收介面 35 圖 3-21 資料處理流程 37 圖 4-1 WSN系統架構 40 圖 4-2 長距天線韌體程式碼 41 圖 4-3 UART啟動韌體程式碼 42 圖 4-4 取樣頻率控制程式碼 42 圖 4-5 取樣頻率控制程式碼2 43 圖 4-6 接收介面修改 44 圖 4-7 加速度數值訊號 44 圖 4-8 P16橋墩振動歷時圖與頻譜圖 45 圖 4-9 P17上部結構橋墩振動歷時圖與頻譜圖 45 圖 4-10 P17下部結構橋墩振動歷時圖與頻譜圖 46 圖 4-11 P18橋墩振動歷時圖與頻譜圖 46 圖 4-11 P18橋墩振動歷時圖與頻譜圖 46 圖 4-12 移動式裝置示意圖 47 圖 4-13 國震中心實測圖 48 圖 4-14 福和橋振動歷時與頻譜圖 49 圖 4-15 福和橋頻譜圖(頻率域設定1至2) 49 圖 4-16 UART Baud Rate控制程式碼 50 圖 4-17 GPS控制程式碼 51 圖 4-18 GPS訊號接收示意圖 52 圖 4-19 GPS接收介面示意圖 52 圖 4-20 GPS模組電路板 52 圖 4-21 GPS結合加速度規模組電路板 53 圖 4-22 client端節點壓縮示意圖 55 圖 4-22 server端節點解壓縮示意圖 55 表目錄 表 2-1 IEEE 802.15.4 實體層規格表 11 表 2-2 無線通訊協定比較表 12 表 3-1 ARM處理器之比較表 24 表 3-2 三種節點硬體需求比較 32 表 4-1 新舊加速度規比較表 47 表 4-2 壓縮演算法比較表 54 表 4-3 Huffman移植後測試結果比較表 56 表 4-4 通訊優化實測比較表 5722237594 bytesapplication/pdf論文公開時間：2017/02/26論文使用權限：同意有償授權(權利金給回饋本人)無線感測網路嵌入式系統設計結構物安全監測(SHM)全球定位系統(GPS)加速度計雷射測距儀數據壓縮中沙大橋[SDGs]SDG13thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/263958/1/ntu-103-R00943104-1.pdf