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研究生:朱立宇
研究生(外文):Li-Yu Chu
論文名稱:物聯網裝置函式庫及開發環境
論文名稱(外文):IOT device library and development environment
指導教授:江士標葉則亮
指導教授(外文):Shyh-Biau JiangTse-Liang Yeh
學位類別:碩士
校院名稱:國立中央大學
系所名稱:光機電工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文出版年:2020
畢業學年度:108
語文別:中文
論文頁數:173
中文關鍵詞:物聯網C4MLIBASABUS乙太網路LwIP
外文關鍵詞:Internet of ThingsC4MLIBASABUSEthernetLwIP
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物聯網裝置已逐漸被應用在各個產業中,並與雲端、大數據、AI 結合,來解決各種產業上遇到的難題。隨著時間的發展,物聯網裝置的需求量也極具的增加。

本論文建構一套用於開發物聯網裝置的環境,包括單板電腦、函式庫、以及工具軟體。

本論文中開發函式庫 C4MLIB 做為開發物聯網裝置用,其目的為降低開發人員需要的硬體相關知識需求,以降低開發成本、時間,加速開發出物聯網裝置。
本論文中實現單板電腦 ASA_M3_v1 做為物聯網裝置的本體,使用了 ASABUS來建構出一套裝置互相連接交換資料的方式,並提供乙太網路硬體支援裝置接上網際網路。本論文中開發的工具軟體 ASA_DataAgent,提供了圖形化的介面,能做為燒錄、除錯用的工具,亦能做為數據收集的中繼站。

本論文最後提出了基於乙太網路與 LwIP 的聯網解決方案,並移植 LwIP 到文中開發之單板電腦上。未來預計將此功能加入本文提出的函式庫中,完善函式庫,降低開發者開發聯網應用的難度。
The IoT (Internet of Things) devices have been applied in various industries, and combined with cloud, big data, and AI to solve the problems encountered in various industries. The demand for IoT devices has also increased dramatically. This paper builds an environment for developing IoT devices, including single board computers, libraries, and tool software.

The library C4MLIB in this paper is used to develop IoT devices, and its purpose is to reduce the hardware-related knowledge needs of developers, so as to reduce development costs and time, and accelerate the development of IoT devices.In this paper, the single-board computer ASA_M3_v1 is used as IoT device. ASABUS is used to construct a set of devices to exchange data, and provide Ethernet hardware support devices to connect to the Internet.The tool software in this paper provides a graphical interface, can be used for programming and debugging, and can also be used as a relay station for data collection.

In the end, this paper proposed a networking solution for IoT device based on Ethernet and LwIP. LwIP was ported to the single-board computer developed in this paper. In the future, we will add this networking solution to the library C4MLIB to further improve the functional integrity of the library and reduce the difficulty to develop network applications.
中文摘要 i
ABSTRACT ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 x
表目錄 xvi
第一章、緒論 1
1-1 研究目的與動機 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 研究構想 3
1-4 論文章節 4
第二章、理論與技術基礎 5
2-1 物聯網 5
2-1-1 物聯網研究方向 5
2-1-2 物聯網常用硬體平台比較 5
2-2 ASABUS 7
2-2-1 ASABUS網路 7
2-2-2 ASABUS接腳規格 7
2-2-3 ASA單板電腦 9
2-3 ASALIB 10
2-3-1 ASALIB 開發流程 11
2-4 網路架構 12
2-4-1 OSI模型 12
2-4-2 TCP/IP協定組 12
2-4-3 乙太網路 13
2-4-4 MII介面 13
2-4-5 MIIM 13
2-4-6 RMII介面 15
2-4-7 LwIP輕量級IP網路實現 16
第三章、C4MLIB 17
3-1 簡介 17
3-2 架構實現 17
3-2-1 開發流程模型 17
3-2-2 版本號 19
3-2-3 模組切割 21
3-2-4 函式庫建置 23
3-2-5 CI/CD 25
3-3 函式庫內特色功能及實現 28
3-3-1 硬體設定及操作 28
3-3-2 中斷處理及登陸 29
3-3-3 HMI通訊 32
第四章、ASA_M3_v1 34
4-1 介紹 34
4-2 規格及介面 34
4-2-1 電腦規格 34
4-2-2 實體照片 35
4-2-3 介面 36
4-2-4 機構規格 37
4-3 具體實現 38
4-3-1 電源及類比電路處理 38
4-3-2 主微控置器 39
4-3-3 輔助微控置器 41
4-3-4 主僕切換開關 43
4-3-5 ASAID旋鈕 44
4-3-6 ASABUS擴充介面 45
4-3-7 乙太網路擴充介面 48
4-3-8 40PIN擴充介面 49
4-3-9 洞洞板外接電路擴充介面 51
4-2-10 重置按鈕 51
4-3-11 Program/Run開關 53
4-2-12 USB通訊介面 54
4-2-13 LED指示燈 55
4-2-14 擴充FLASH與擴充EEPROM 56
4-3-15 RTC擴充介面 57
第五章、bootloader及燒錄工具 58
5-1 簡介 58
5-2 系統規劃 58
5-2-1 系統架構 58
5-2-2 通訊介面 59
5-2-3 FLASH空間規劃 60
5-2-3 asaloader操作介面規劃 62
5-2-3 asaloader程式擴充介面規劃 65
5-3 bootloader具體實現 66
5-3-1 軟體架構 66
5-3-2 狀態機器 66
5-3-3 封包送收處理 68
5-3-4 跨平台處理 69
5-3-5 主要邏輯實現 70
5-4 asaloader具體實現 73
5-4-1 軟體架構 73
5-4-2 CLI介面處理器 74
5-4-3 語系處理 75
5-4-4 Hex解析器 76
5-4-5 命令回應管理器 77
5-4-6 系統狀態機器 77
5-4-7 軟體發佈 77
第六章、ASA_ DataAgent 78
6-1 簡介 78
6-2 功能方塊 78
6-2 使用者介面 79
6-2-1 HMI分頁 80
6-2-2 串列燒錄分頁 86
6-2-3 STK500燒錄分頁 88
6-2-4 設定與更新分頁 89
第七章、ASA_M3_v1連網功能 91
7-1 簡介 91
7-2 系統架構 92
7-3 物理層模組實現 93
7-4 乙太網路驅動實現 94
7-4-1 MAC層硬體設置 94
7-4-2 PHY層硬體設置 96
7-4-3 RX/TX記憶體設置 96
7-4-5 對外介面 99
7-5 LwIP移植 100
7-5-1 編譯器、硬體架構支援 100
7-5-2 LwIP設定 101
7-5-3 LwIP記憶池設定 102
7-5-4 LwIP系統時間設定 103
7-5-5 連結到乙太網路驅動 104
第八章、功能測試與結果討論 107
8-1 asaloader CLI介面燒錄測試 107
8-2 asaloader程式擴充介面測試 108
8-3 ASA_DataAgent燒錄測試 109
8-4 ASA_M3_v1連網功能DHCP自動分配測試 112
8-5 ASA_M3_v1 TCP echo server測試 115
第九章、結論 118
參考文獻 119
附錄一、C4MLIB重要原始碼 120
c4mlib/src/module/makefile 模組建置規則 120
c4mlib/src/module.mk 模組建置規則 120
c4mlib/src/makefile 函式庫建置規則 121
c4mlib/src/gcc.mk GCC相關建置規則 122
scripts\genheader.py 標頭搜集器 124
scripts\ genarchive.py 函式庫建置器 126
scripts\ build.py 整理建置腳本 126
scripts\ build.py 發佈腳本 127
附錄二、asaloader重要程式碼 129
asaloader/ihex.py 文字解析器程式碼 129
asaloader\__main__.py CLI命令處理 131
asaloader\__main__.py Loader物件及CommandTrnasHandler物件 135
附錄三、LwIP移植重要程式碼 143
inc/lwip/arch/cc.h 編譯器、硬體架構抽象化標頭檔 143
inc/lwipopts.h LWIP設定標頭檔 145
附錄四、TCP測試程式碼 147
TCP echo server 實現程式碼 147
TCP 測試主程式程式碼 151
[1] 陳信合,「IoT 開發平台─ASA 匯流排單板電腦開發」,國立中央大學,機械工程學系光機電工程碩士班,碩士論文,2017。
[2] John A. Stankovic, “ Research Directions for the Internet of Things ” , IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL, VOL. 1, NO. 1, FEBRUARY 2014
[3] Andrea Zanella, Nicola Bui, Angelo Castellani, Lorenzo Vangelista and Michele Zorzi, “ Internet of Things for Smart Cities ” , IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL, VOL. 1, NO. 1, FEBRUARY 2014
[4] 王諭卿,「IOT裝置ASA─匯流排單板電腦自動品質檢測及韌體開發」,國立中央大學,機械工程學系光機電工程碩士班,碩士論文,2018。
[5] IEEE Standard for Ethernet," in IEEE Std 802.3-2018 (Revision of IEEE Std 802.3-2015) , vol., no., pp.1-5600, 31 Aug. 2018, doi: 10.1109/IEEESTD.2018.8457469.
[6] LwIP官網,https://www.nongnu.org/lwip
[7] wiki,Zero-copy,https://zh.wikipedia.org/wiki/零复制
[8] MVMC-lab,C4MLIB專案,https://gitlab.com/MVMC-lab/c4mlib/c4mlib
[9] MVMC-lab,Bootloader專案,https://gitlab.com/MVMC-lab/hervor/bootloader
[10] MVMC-lab,asaloader專案,https://gitlab.com/MVMC-lab/hervor/py-asa-loader
[11] MVMC-lab,ASA_DataAgent專案,https://gitlab.com/MVMClab/hmi/ASA_HMI_Data_Agent
[12] MVMC-lab,ASA_M3_v1聯網功能開發專案,https://gitlab.com/MVMC-lab/hervor/lpc1769_ether
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