臺灣博碩士論文加值系統

本文成功的開發了ZigBee網路上的嵌入式資料收集系統。該系統由ARM9的嵌入式系統和ZigBee無線感測網路所組成。ZigBee網路中的末端節點可以連結到溫度感測器和濕度感測器。而節點則是使用單晶片MCS8051連接到ZigBee模組，來控制ZigBee IC和控制其它的周邊設備。收集資料的感測節點可以將資料經由ZigBee網路傳至統籌節點，再傳輸至嵌入式開發版。並且可以將收集到的資料上傳至FTP伺服器，來進行備份的動作。當收集到的溫濕度數值超過了警告的門檻時，嵌入式系統會寄送警告訊息給設定好的電子郵件位址。使用者可以利用簡單的網頁管理介面來管理系統。在安全方面的考量上，利用了防火牆的架設，只允許讓白名單上的網路位址來存取。我們所開發的系統可以用在工廠的環境資料收集或家庭的安全性監測。

An embedded system based data gather system over Zigbee network was successful developed. This system is composed as an ARM9 based embedded system and the Zigbee sensorial network. The endpoint device of Zigbee network can connect to the temperature sensor and moisture sensor. An MCS8051 based MCU is connected to a Zigbee IC module to handle the Zigbee IC and to control peripheral devices. The data can be gathered by the sensor node and it can be transmitted back to the embedded system over Zigbee network. The gathered data can be uploaded to the central FTP server. The system will send an email message to specific address if the monitoring temperature or humidity is out of the alarm levels. The users can manage this system on the web based management interface easily. For security concern, only the legal IP addresses can access this system. The system can be used in industrial data gathering or home security.

TABLE OF CONTENTS
中文摘要 I
Abstract II
誌 謝 III
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 論文簡介 5
第二章 相關知識與原理說明 6
2.1 ZigBee簡介 6
2.2 CGI簡介 8
2.2 GPIO簡介 10
2.3 週邊通訊介面的原理 11
2.3-1 RS-232 12
2.3-2 SPI 13
2.3-3 ADC0832 Timing 14
第三章 系統架構的設計 15
3.1 系統設計 15
3.2 ZigBee無線感測網路設計 17
3.3-1 硬體架構 17
3.3-2 軟體設計-網路運作 19
3.3-3 節點控制流程 21
3.3 嵌入式開發版設計 26
第四章 系統實現與測試 31
4.1系統實現 31
4.1-1節點實作 31
4.1-2 嵌入式系統的實作 36
4.2 系統測試 38
4.2-1無線感測網路測試 38
4.2-2整體測試 41
4.3 討論與分析 52
第五章 結論 53
參考文獻 54
附錄A：iptables移植 56
附錄B：研討會投稿論文 60
簡歷 68

LIST OF FIGURES

圖1-1 智慧灰塵實照及示意圖 1
圖2-1 ZigBee/IEEE 802.15.4通訊協定堆疊圖 6
圖2-2 CGI運行架構圖 9
圖2-3 週邊通訊介面關係示意圖 11
圖2-4 RS-232 DB-9接腳圖 12
圖2-5 SPI介面示意圖 13
圖2-6 ADC0832 Timing圖 14
圖3-1 系統概述圖 16
圖3-2 節點基本架構示意圖 18
圖3-3 感測模組架構示意圖 19
圖3-4 UZ2400 Data Frame示意圖 20
圖3-5 ZigBee無線感測網路架構圖 21
圖3-6 統籌節點運作流程程圖 23
圖3-7 路由節點運作流程程圖 24
圖3-8 末端節點運作流程程圖 25
圖3-9 長高ST2410開發平台 26
圖3-10 ARM-9 ST2410初始化流程圖 27
圖3-11 ARM-9 ST2410處理概述圖 29
圖3-12 CGI網頁架構圖 30
圖4-1 UZ2400和AT89C51RD2電路圖 32
圖4-2 電壓轉換模組電路圖 32
圖4-3 RS-232模組電路圖 33
圖4-4 溫度感測模組電路圖 33
圖4-5 微控器電路主板和UZ2400 34
圖4-6 RS-232模組電路 35
圖4-7 溫濕度感測模組 35
圖4-8 (左)溫度感測IC LM35 (右)濕度感測模組HMZ-333A 35
圖4-9 嵌入式系統與ZigBee統籌節點連接圖 38
圖4-10 ZigBee網路連線過程 39
圖4-11 連線測試示意圖 40
圖4-12 ZigBee網路連線測試結果圖 41
圖4-13 系統測試實驗實際圖 42
圖4-14 嵌入式系統啟動訊息 43
圖4-15 瀏覽器登入畫面 43
圖4-16 溫濕度監控畫面 44
圖4-17 管理密碼輸入 45
圖4-18 設定網頁 45
圖4-19備份電腦中的備份資料 46
圖4-20資料儲存格式 46
圖4-21安全範圍設定網頁 47
圖4-22末端節點超過安全範圍情況圖 47
圖4-23 警告信寄送MAIL設定網頁 48
圖4-24 溫濕度感測系統寄送的警告信 48
圖4-25 系統資訊 49
圖4-26 時間更新 49
圖4-27密碼變更網頁 50
圖4-28 網路位址變更網頁 50
圖4-29 網路位址變更完成圖 51
圖4-30 白名單管理 51
圖4-31工具(左)軟體還原 (右)重新啟動 52









LIST OF TABLES

表2-1 Zigbee與Bluetooth協定比較表 8
表2-2 GPIO Prot F腳位控制暫存器列表 10
表3-1 開發平台裝置敘述 26
表4-1軟體版本 36
表4-2 實際測試參數表 41

[1]Smart Dust Project, http://robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/SmartDust/
[2]Khusvinder Gill, Shuang-Hua Yang, Fang Yao, Xin Lu , "A ZigBee-Based Home Automation System",IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 55, No. 2, MAY 2009
[3]A.R.Al-Ali and M.Al-Rousan, "Java-based home automation system",IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol. 50, no. 2, pp. 498-504, 2004.
[4]ARM home page, http://www.arm.com
[5]Mini_httpd home page, http://www.acme.com/software/mini_httpd/
[6]Bluetooth Alliance, Specification of the Bluetooth system, Version 2.1 + EDR, 26 July 2007.
[7]Ran Peng, Sun Mao-heng and Zou You-min, “ZigBee Routing Selection Strategy Based on Data Services and Energy-Balanced ZigBee Routing,” IEEE Asia-Pacific Conference on Services Computing, 2006.
[8]CGI home page, http://hoohoo.ncsa.uiuc.edu/cgi
[9]Freescale Semiconductor Corporation, Serial Peripheral Interface (SPIV3) Block Description, Version 3.06, Freescale Semiconductor Corporation, July 2001.
[10] National Semiconductor,ADC0831/ADC0832/ADC0834/ADC0838 8-bit
Serial I/O A/D Converters with Multiplexer Options Data Sheet, January 1995
[11]Honda Chen, Chih-Kai Chang and Yang-Yu Yeh, "Development of Zigbee Sensor Nodes" , Proceedings of the Third Intelligent Living Technology Conference, 2008, pp. 88-94. Chin-Yi University,Taichung, Taiwan, ROC.
[12] Uniband Electronic Corporation home page, http://www.ubec.com.tw
[13] ATMEL Corporation, AT89C51RD2 Datasheet, Version I, 2007.
[14] National Semiconductor Corporation, LM35 Datasheet, November 2000
[15] Ghitron Technology, HMZ-333A Humidty module Specification, App. NO. ECN# 061001.
[16]Honda Chen, Pai-Fa Wu, And And Yang Yu Yeh, “Energy Benefits Of Embedded Linux 2.6 In Arm9 Based Soc Systems”,2007 Conference On Microelectronics Technology And Application, May. 18, 2007, National Kaohsiung Marine Univ., Kaohsiung Taiwan, ROC, pp125-126.
[17] Honda Chen, Guo-Cheng Lin And Yang Yu Yeh “Implementation Of A High Configurable And High Performance Embedded Linux System”, 2008 Conference in Information Engineering Application, Mar. 28, 2008, Yuanpei University, HsinChu, Taiwan, ROC.
[18] Maxim Corporation, MAX220–MAX249 Datasheet,2006 Maxim Integrated Products, 19-4323, Rev 15.
[19] HTML 4.01 Specification, http://www.w3.org/TR/html401/
[20] Cross toolchains, http://kegel.com/crosstool/