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數位生活之
無線感測網路技術與應用
鄭憲宗
資訊工程學系
國立成功大學
數位生活科技研發之目標
計畫簡介
三年研發技術簡介
展示
2
以提昇家庭生活便利為目標，結合家庭視聽娛樂、無線感測網路、家電控制、網路服務平台、人性化互動介面等，來打造智慧型數位生活空間。
本計畫分三年跨四個系所，共同開發一套功能強大的數位生活魔法師
E-life 宙斯
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第一年成果
Enabling
Technology
Enhancing
Technology
Promotion
Technology
成大優質生活體驗屋 簡報室 玄關 起居室 廚房
書房 臥室 展示空間
完全智慧生活產品 – e連結 完全智慧生活空間– e控制 到處液晶顯示/感測/網路 中央控制燈光/空調
設計概況:
成大優質生活體驗屋俯瞰圖
大門、玻璃屏風與簡報室區隔並塑造玄關空間
數位客廳
智慧廚房
互動式中島系統
互動庭園
成大優質生活體驗屋示意圖
備註：
內部空間採彈性調整，各主題位置規劃視實體配置為準。
智慧臥房
看影片囉
開發Tmote與Zigbee設備
• 開發以下各個設備：
– 可控制咖啡機之感測器
– 可控制電磁爐之感測器
– 震動感測器
– 煙霧偵測感測器
– Tmote 音響
– Tmote 遙控器
– IM 電冰箱
– Tmote 與 Zigbee之間的轉換器
– Tmote蛋盒
研發Tmote家電
• 研發出8樣Tmote家電。
• Tmote家電通電後，將會連接上e-Life系統提供給使用者控制。
• 目前研發出的Tomte家電如下:
Tmote遙控器
• 利用Tmote製作的遙控器，除了可以控制音響外，還可以控制家中的各種電器，如
咖啡機、微波爐，或是家中的電燈。
情境模擬 大門sensor
• 大門開啟 偵測sensor，在大門被打開的時候，會傳訊息給中控端，通知保全系統，大門被打開
Tmote音響
• 可以透過sensor傳遞訊號，然後音響收到訊號後，可以根據收到的訊號作反應，除此外，此音響還有可以根據遙控器距離音響的遠近來自動調整音量大小
地板震動感測sensor
• 裝置在情境屋中，用來感測屋中地板的震動，然後發訊息給中控端，可以偵測屋中人的活動情形。
冰箱中的雞蛋偵測
• 可以偵測線在冰箱中總共有幾個雞蛋，除此外，也可以讓IM MSN去下查詢指令給agent server，查詢冰箱中雞蛋的數量
Tmote咖啡機
• 可以透過中控端控制，或是使用Tmote 遙控器控制
Tmote電磁爐
• 可以透過中控端控制，或是使用Tmote遙控器控制
ZigBee電燈
• 屋中所有的電燈都是ZigBee
電燈，可以透過中控端傳輸，控制燈光的開啟關閉。
Real-time instant message
• IM家電系統為了安
全起見，只能由
e-Life系統加入使用
者的MSN，這樣IM家
電才會聽命於使用者
• 如右圖所示，使用者
為Jacky
Real time instant message
• IM電冰箱
– 可以對電冰箱下達Command，詢問目前蛋盒中蛋的數量。
Real time instant message
• IM電磁爐
– 可以對電磁爐詢問是不是有壞掉的狀況。
Real time instant message
• IM電燈
– 可以控制與詢問電燈的狀態。
大門、玻璃屏風與簡報室區隔並塑造玄關空間
數位客廳
智慧廚房
互動式中島系統
互動庭園
成大優質生活體驗屋
備註：
內部空間採彈性調整，各主題位置規劃視實體配置為準。
智慧臥房
看影片囉
看影片
第二年成果
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生動的圖形化介面，將可控制或監視的設備與服務清楚明瞭地呈現於使用者眼前。
可操縱、監視之頁面 Home State – 監視、控制家中OctopusII Sensors運作
Appliance – 遠端操控家中各項家電設備
My TV、My Video、My Picture、My Music – 結合
多項影音多媒體播放 (Media Center)
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伺服器以OSGi為服務平台，提供開放、穩定、具擴充性的各項軟硬體服務。
目前掛載於OSGi平台之各項服務 Magic Wand
UPnP Base Driver / Control Point
Home Appliances with OctopusII Wireless Sensor /
Transmission Modules
Location System
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(Cont.)
OSGi Platform Service Registry Database
Enhance Capability Database
Standard Bundle
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Customized Module
Controller Bundle
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Service Management
Basic Services Custom Services
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S
G
i
Service Management
… …
… …
Task A
Task B
Task C
Task N
Priority
Setting
Module
request
request
request
request
Service
Request
Analysis
Module
Service Finish
Event Module
Scheduler Module
Multiple Service Allocation
…
Service Allocator
Service Ⅰ Queue
Service Allocator
Service Ⅱ Queue
C B D
Service Allocator
Service Ⅲ Queue
B
C A
Task
Analysis
Module
Service Ⅱ Service Ⅲ Service Ⅳ … … … Service Ⅰ
Binding by
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Fuzzy
Inference
Engine
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第一年: 自製 Tmote 遙控器 與
MSN
第二年: 神奇魔棒 – 利用手勢控制宙斯系統各式家電與服務
利用M-sensor/G-sensor計算手勢軌跡，再經由OctopusII傳向宙斯的OSGi進行各式服務的操控。
內建紅外線發射器，可以有效提高魔棒手勢判別的可靠度。
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UPnP Converter (1) 利用 8051嵌入式系統設計UPnP
Converter，可以利用RS-232連接器輕易地與無特殊功能的家電結合，再提供UPnP服務設定，並連上Ethernet與宙斯的OSGi溝通，讓此家電搖身一變成為UPnP家電，提供隨插即用的便利服務。
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UPnP Converter (cont.) 今年以8051作為UPnP converter的開發環境，來測試UPnP在嵌入式系統讓的架設狀況，未來將利用OctopusII結合UPnP converter，讓無線感測網路輕易地與UPnP通訊協定接軌。
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OctopusII (1) – 無線家電 宙斯之OSGi 可以針對 OctopusII Service bundles 提供無線服務，使用OctopusII的家電便可以輕鬆地與宙斯溝通，並提供各式操控服務。
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OctopusII (2) –瓦斯偵測器 本計畫除了裝設了OctopusII自身擁有的光溫施偵測，更將瓦斯偵測器與之結合，充分利用OctopusII輕巧省電的特性，為居家安全更有保障。
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OctopusII (3) – 魔力拖鞋 利 用 拖 鞋 擷 取 地 板 下 的OctopusII的RSSI訊號以進行大範圍定位，依照本計畫的配置，家庭可被區分為玄關、客廳、廚房、書房、臥室等大範圍區域以供定位。
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OctopusII (4) –紅外線定位器 利用焦電型紅外線感測器(KSD1), 來感應人體所放射出的紅外線，調整紅外線的感應範圍約1m，以達到近距離定位的效果，再將定位訊息透過OctopusII傳給宙斯，並搭配魔力拖鞋的RSSI定位與魔棒的對應手勢來完成近距離對特定家電做控制。
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多重路徑繞送路由協定延伸設計與實作(蘇銓清)
RoMAP，一具有穩固特性之多重路徑繞送路由協定，並將其路徑重建的平均延遲時間降低至0
秒，此協定包含了空間與時間兩個維度的保護方法。
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無線感測網路容錯與路徑建構機制(斯國峰)
Coverage的維護，在主要功能的sensor旁均佈建Beckup Sensor，即使有Sensor失去功能，整個網域仍能維持正常工作。
Application: ChiMei Aspire Home
Kitchen Primary Sensor
Backup Sensor
Failed Primary Sensor
Backup Sensor
( Standby ) ( Take Over )
Server
( Active )
Gas Leak
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無線感測網路通訊安全 (高榮鴻) 在OctopusII上實作資料傳輸加密
在PC上實作計算長度為k-bit的RSA金鑰
Y+X
X=rand()
Y
KaC E (X)
Y+X
Y+X C
Y
Ka X D (C)(Y+X)- X
Sender
Receiver
•Random generate x •Add x to each column of packet •Encrypt x with public key
•Decrypt C with private key •Subtract x to each column
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資訊安全防護(陳嘉玫) authentication
IP Scan
IP scan
Port scan
Vulnerability exploit
知道哪幾台主機有開
知道哪幾個port有開
知道哪幾個服務有開
利用這些服務已
知的弱點發動攻擊
第二年 demo video
第三年:
語音(Cast-it)與隨寓所得
自製遙控器 魔棒
手機 (操控) + 電話語音 (溝通)
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馭宅族之隨寓所得
42
研究架構
TV Controller
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隨寓所得技術 • OSGi
– 為不同家庭掛載其家電服務與Bundle
– Bundle Management
– 服務元件描述與提供 (for手持式裝置)
– Multi-User控管機制
• 定位
– 提供人員所在位置資訊
– 允許區域、禁入區域之提醒與回報
• 手持式裝置動態服務
– 服務控制選項的動態呈現
– 認證與安全機制
– 使用者習慣的學習機制
– 與Cast-It的互動
介面說明 (1) 首頁_顯示家中各區域
目前可控制家電圖示
客廳_顯示客廳目前
可控制家電按鈕
Location定位：
自動跳到各區
域控制頁面
介面說明 (2)
與宙斯互動頁面
展示廳投影屏幕操控頁面
介面說明 (3)
介面說明 (4)
家電控制 :電燈
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馭宅族之Cast-It
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• 電話語音系統 – 來電號碼顯示過濾、辨別家中成員與權限
– DTMF按鍵偵測進行選項控制 • 播放留言時間
• 播放留言地點
• 播放留言觸發事件
• 控制、預約家電服務選項
• 收聽家中各項感測資訊、狀況與留言資訊
– 留言功能
• 電話語音系統(續) – 留言功能
– 使用者習慣的學習機制
– 聽取由隨寓所得所提供的留言資訊
– Family Tube預錄功能
Cast-it 技術
系統架構圖
公共交換電話網路
(PSTN)
DTMF按鍵偵測
錄製留言
播放留言
家電控制
感測器回報
Wireless Sensor Network
設定事件觸發條件
語音提示
定位資訊
Appliances
OSGi
Cast-it
使用情境展示
無線感測器
Cast It Device
無線感測器
無線感測器
(1) 留言給媽媽
(2) 開冰箱時播
(3) “晚上我想吃烤鮭魚”
(1)
媽媽
事件觸發感測器
(打開冰箱時)
無線多媒體播放
+
(2)
(3)
電話留言
事件觸發
語音傳遞
媽媽你有留言，
來自女兒：
“晚上我想吃
烤鮭魚”
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