臺灣博碩士論文加值系統

發光二極體的高速切換的特性可以用於短距離數據通訊。本文所探討的議題是基於可見光通訊 （Visible Light Communications，VLC）的原理來發展新的門禁系統的應用技術，也就是透過可見光通訊來交換數位驗證程序資料，在此稱為可見光通訊辨識( Visible Light Communications Identification，VLCID)。透過可見光通訊辨識與嵌入式系統技術開發的短距離的雙向驗證程序，來實現光鑰匙及嵌入式門禁系統，來改善現有傳統鑰匙以及門禁系統的缺點。所開發的的門禁系統，包含光鑰匙模組與門鎖模組。此兩模組利用發光二極體與感光二極體，來做為發射端及接收端並構成可見光通訊之傳輸介面。透過高頻寬的短距離光通訊技術來傳輸高安全性的驗證資料，可以大幅降低資料破解的可能，來確保門禁系統的安全性。本系統具有高安全性(雙向隨機亂數產生加密機制)、良好擴充性(門鎖防盜系統可以支援許多光鑰匙)以及充分的便利性(快速的解鎖時間)，可逐步取代目前傳統式的鑰匙。光鑰匙模組及門鎖模組的互相支援數量與系統的可覆寫唯讀記憶體(Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory，EEPROM)大小有關。
至於解鎖速度限制於MCU的處理速度及被動元件的反應速度，但兩者所影響系統速度的地方皆不同。MCU的速度影響了系統程序的處理時間，包含:搜尋EEPROM的速度、函式的執行速度，這些都會直接的影響系統程序處理的速度。也就是說明，MCU的處理速度會直接的影響門禁系統解鎖的速度。而元件的反應速度會影響系統調變解調變的時間，當感光二極體反應速度越快、發光二極體上升速度越快，此時調變的速度也就可以越快。也就是說當被動元件的速度越快，門禁系統的光通訊頻率也就越快，解鎖時的速度也會被提升。本論文實驗結果證明，可以利用光通訊的雙向傳輸來做為門禁系統或數位驗證系的可行性，並證明可改善傳統式鑰匙的安全性不足及使用上的不方便。

High-speed switching capability of Light Emitting Diode (LED) conducts the data communication in light. In this thesis, an entrance control system is investigated and developed to validate the feasibility VLCID application in entrance control systems. In this thesis, short-distance light communication technology and embedded system technology are involved to develop a new entrance control system with light keys. The new entrance control system based on short-distance light communication to authenticate the specific light key by the exchange of confidential data between the light key and the entrance. LED and photodiode are the basic components to build the short-distance light communication. The large bandwidth of light communication enables a high speed confidential data exchange that is sufficient to secure the entrance control system. The goal of this research is to build a high secuirty, high scalability and convenient entrance control system to improve the shortages of the traditional entrance control system with metal keys. Light key modules and door modules support each number can be overridden with the system size of the EEPROM.
The system bottleneck depends on MCU processing speed and reaction speed of passive components. The components will affect the system response speed modulation demodulation time.With fast photodiode response, fast LED rising time, the modulation speed will be faster to operate the entrance control system. The experimental results show that two-way VLC transmission is feasible and high efficiency in the application of the entrance control system and prove the advances of the light key in improving the security, insufficiency and inconvenience of traditional keys than ever.

中文摘要 -------------------------------------------------------------------------- i
英文摘要 -------------------------------------------------------------------------- ii
誌謝 -------------------------------------------------------------------------- iii
目錄 -------------------------------------------------------------------------- iv
表目錄 -------------------------------------------------------------------------- vi
圖目錄 -------------------------------------------------------------------------- vii
一、 緒論--------------------------------------------------------------------- 1
1.1 前言--------------------------------------------------------------------- 1
1.2 研究背景與動機------------------------------------------------------ 2
1.3 論文架構--------------------------------------------------------------- 4
二、 相關技術分析及文獻探討------------------------------------------ 5
2.1 前言--------------------------------------------------------------------- 5
2.2 LED與VLC的關係-------------------------------------------------- 5
2.2.1 LED照明歷史--------------------------------------------------------- 5
2.2.2 LED與VLC的關係-------------------------------------------------- 6
2.3 光感測元件------------------------------------------------------------ 6
2.3.1 光敏電阻簡介--------------------------------------------------------- 7
2.3.2 光二極體簡介--------------------------------------------------------- 7
2.3.3 光電晶體簡介--------------------------------------------------------- 8
2.4 通訊調變技術--------------------------------------------------------- 9
2.4.1 類比調變技術--------------------------------------------------------- 10
2.4.2 數位調變技術--------------------------------------------------------- 10
2.4.3 脈波調變技術--------------------------------------------------------- 12
2.5 可見光通訊技術------------------------------------------------------ 14
2.5.1 可見光通訊歷史簡介------------------------------------------------ 14
2.5.2 可見光通訊與LED的結合----------------------------------------- 14
2.5.3 可見光通訊的優缺點------------------------------------------------ 15
2.5.4 可見光通訊現今發展------------------------------------------------ 16
2.5.5 可見光通訊的應用實例--------------------------------------------- 17
2.5.6 可見光通訊主要的研究中心--------------------------------------- 22
2.6 文獻探討及專利研究------------------------------------------------ 22
2.6.1 文獻探討--------------------------------------------------------------- 22
2.6.2 專利研究--------------------------------------------------------------- 23
2.6.3 結論--------------------------------------------------------------------- 24
三、 基於可見光通訊之光鑰匙門禁系統分析------------------------ 25
3.1 使用情境介紹--------------------------------------------------------- 25
3.2 光鑰匙模組與門鎖模組運作方式--------------------------------- 27
3.2.1 光鑰匙模組的學習--------------------------------------------------- 27
3.2.2 光鑰匙與門鎖模組的驗證------------------------------------------ 28
3.2.3 門鎖模組的刪除功能及開關功能--------------------------------- 28
3.3 系統架構--------------------------------------------------------------- 28
3.3.1 門鎖模組硬體架構--------------------------------------------------- 30
3.3.2 光鑰匙模組硬體架構------------------------------------------------ 30
3.3.3 光通訊接收硬體電路------------------------------------------------ 31
3.4 編碼方式--------------------------------------------------------------- 32
3.4.1 光鑰匙識別碼(KEY ID) -------------------------------------------- 32
3.4.2 門鎖驗證密碼(DECODE KEY) ----------------------------------- 33
3.4.3 密碼提取位置(ADDRESS) ----------------------------------------- 33
3.4.4 光鑰匙門禁系統編碼的機制--------------------------------------- 33
3.5 軟體架構--------------------------------------------------------------- 34
3.5.1 門鎖模組軟體架構--------------------------------------------------- 34
3.5.2 光鑰匙模組軟體架構------------------------------------------------ 36
3.6 雙向資料傳輸通訊協定及指令------------------------------------ 37
3.6.1 可見光通訊資料定義方式及通訊協定--------------------------- 37
3.6.2 學習模式資料傳輸協定--------------------------------------------- 38
3.6.3 刪除模式資料傳輸協定--------------------------------------------- 38
3.6.4 門禁驗證模式資料傳輸協定--------------------------------------- 38
3.6.5 錯誤處理機制--------------------------------------------------------- 39
四、 光鑰匙門禁系統實作分析------------------------------------------ 41
4.1 系統硬體實作--------------------------------------------------------- 41
4.1.1 門鎖模組硬體實作--------------------------------------------------- 41
4.1.2 光鑰匙模組硬體實作------------------------------------------------ 42
4.2 功能驗證--------------------------------------------------------------- 44
4.2.1 可見光通訊協定驗證------------------------------------------------ 44
4.2.2 光鑰匙模組解鎖模式驗證------------------------------------------ 44
4.2.3 光鑰匙模組學習模式驗證------------------------------------------ 46
4.2.4 光鑰匙模組關閉模式驗證------------------------------------------ 48
4.2.5 光鑰匙模組開啟模式驗證------------------------------------------ 50
4.2.6 光鑰匙模組刪除模式驗證------------------------------------------ 52
4.3 情境模擬實驗--------------------------------------------------------- 54
4.3.1 情境模擬環境架設--------------------------------------------------- 54
4.3.2 情境模擬實驗-1------------------------------------------------------- 54
4.3.3 情境模擬實驗-2------------------------------------------------------- 56
4.3.4 情境模擬實驗-3------------------------------------------------------- 58
4.4 效能分析--------------------------------------------------------------- 62
4.4.1 位元錯誤率的量測--------------------------------------------------- 62
4.4.2 距離與角度的關係量測--------------------------------------------- 64
4.5 可靠度分析------------------------------------------------------------ 65
4.5.1 門鎖模組可靠度分析------------------------------------------------ 65
4.5.2 光鑰匙模組可靠度分析--------------------------------------------- 66
五、 結論及未來展望------------------------------------------------------ 67
5.1 研究結論--------------------------------------------------------------- 67
5.2 未來展望--------------------------------------------------------------- 67
參考文獻 -------------------------------------------------------------------------- 69

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[27] 島田重人SHIMADA, SHIGEHITO，使用可見光通訊測定移動物體之位置之方法及設備，中華民國專利第I366802號
[28] 徐南杓 SUH, NAM PYO…等人， 用來控制多數群組駕駛之系統與方法，中華民國專利第201036852號
[29] 徐南杓 SUH, NAM PYO…等人，提供交通資訊之系統與方法，中華民國專利第201037639號
[30] 島田重人SHIMADA, SHIGEHITO，使用可見光通訊測定移動物體之位置之方法及設備，中華民國專利第200923855號
[31] 鄭奉臨 JENQ, FENQ LIN，用於水下作業之可見光通訊裝置，中華民國專利第M419115號
[32] 鄭奉臨 JENQ, FENQ LIN，具通訊功能顯示幕，中華民國專利第M404545號
[33] 喬珍　丹尼爾　馬汀 GORGEN, DANIEL MARTIN…等人，用於最佳化至一無線網狀網路之節點的資料傳輸之系統及方法，中華民國專利第201228315號
[34] 小林由幸 KOBAYASHI, YOSHIYUKI，資訊處理裝置、資訊處理方法、及程式，中華民國專利第201216083號
[35] 作本紘一 SAKUMOTO, KOICHI…等人，認證裝置、認證方法、及程式，中華民國專利第201215069號
[36] 村上豊 MURAKAMI, YUTAKA，編碼方法、解碼方法、編碼器及解碼器，中華民國專利第201134157號
[37] 池田哲男 IKEDA, TETSUO，資訊處理裝置、資訊處理方法及程式，中華民國專利第201108064號
[38] 卡斯特　道格拉斯 CASTOR, DOUGLAS R. …等人， 可見光通訊(VIC)具速率控制調暗方法及裝置，中華民國專利第201115944號
[39] 杉山英充…等人，光通訊方式，中華民國專利第200631333號
[40] 中川正雄， 附有可見光收發訊機之攜帶電話終端，中華民國專利第200618504號
[41] 竹根浩一 TAKENE, KOUICHI…等人，門禁管制系統及門禁管制方法，中華民國專利第I329697號
[42] 竹根浩一 TAKENE, KOUICHI…等人，門禁管制系統及門禁管制方法，中華民國專利第200829781號
[43] Vishay, VBPW34Sdatasheet, ,http://www.vishay.com/