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作者:黃文聰、謝佩均(2003-09-24);推薦:徐業良(2003-10-14)
附註:本文為九十二學年度吳昌暉教授申請國科會小產學計畫計畫書。

單晶片網路伺服器在分散式遠端監控系統的應用

計畫摘要內容(動機、研究方法及目的,約300字)

現今遠端監控系統多以個人電腦來架設,成本高,且容易發生中電腦病毒而使伺服器癱瘓,或是系統本身內部的漏洞,讓駭客很容易就竊取資料。本計畫設計以微控制器搭配網路晶片架構,直接連結網際網路環境,上傳命令指令、下載系統動態資訊、收集監控資料等,作資訊雙向傳遞,成為微控制器網際網路伺服器,應用在遠端監控系統上。本韌體系統內建一套使用者帳號管理系統,以設定使用者的的系統控制權限,並可透過網際網路通道遠端即時變更,且為單晶片程式是燒錄在韌體中的,因此較不容易中毒。在命令指令傳遞過程,本系統韌體系統內建一命令字串解碼函式,轉譯已編碼之命令字串,提高命令字串傳遞安全性。

合作廠商漢晶科技公司,研究與製造主力就是在於監控控制器與監控控制器收集模組,且在這兩方面有豐富經驗,與本計畫所開發之「單晶片網路伺服器在遠端監控系統」的結合,更可成為一高安全性、低成本的遠端監控系統。

簡述本計畫研究背景及國內外之技術評估請條列式,100字)

國內外監控控制系統發展背景與趨勢:

(1)   功能更強大、體積越小、強調資料保存時的安全性,以及系統不容易因網路中電腦病毒、或是駭客入侵,造成系統癱瘓的監測控制系統,是現有監控控制系統設計上的趨勢。

(2)   單晶片這類的嵌入式系統輕薄短小的外觀,與低價位高性能的設計理念,有別於傳統個人電腦架構,一昧追求高速運算與功能強大的設計邏輯,在核心晶片內嵌連結網際網路功能後,即可做到網路監控系統。

國內外技術評估:

(1)   尚無標準化的網際網路傳輸規格前,國內外系統開發者針對各種不同系統的傳輸規格,需自行建立一套網際網路通訊協定,這項工作不但艱鉅,還要再針對各種不同系統需求,在通訊架構上作取捨,無疑是開發過程的一大障礙。

(2)   單晶片結合網際網路通訊應用需求,不如一般網站伺服器來的單純,其資訊的傳遞格式、傳遞頻率、傳輸量及資訊正確性要求等,往往就系統的需求考量,相異性甚大。

計畫創新重點(技術提升指標、效益、實務應用與潛力,請條列式100字)

(1)   利用單晶片分散式管理及嵌入式系統,資料保存安全性較高,且可以防止網路過於擁塞癱瘓。

(2)   使用單晶片做到簡單的資料監控與管理,大量降低購買昂貴設備所需之花費。

(3)   使用者可以透過網路登入單晶片網路伺服器,直接監控遠端的環境或抓取資料。

(4)   藉由本系統的開發,此核心也可應用在遠端家庭照顧、家庭防盜防火偵測系統上。

(5)   合作廠商漢晶公司主要研發方向為「監控控制器∕監控資料收集模組」,目的即在提供更好的監控控制設備,結合本計畫單晶片網路伺服器與遠端監控系統,更可成為一功能強大、體積小、資料安全性高的監控控制器。

十五、計畫中文摘要:請於五百字內就本計畫要點作一概述,並依本計畫性質自訂關鍵詞。

關鍵詞:單晶片、微控制器、嵌入式、網際網路伺服器、遠端監控

現今遠端監控系統多以個人電腦來架設,成本高,且容易發生中電腦病毒而使伺服器癱瘓,或是系統本身內部的漏洞,讓駭客很容易就竊取資料。本計畫設計以微控制器搭配網路晶片架構,直接連結網際網路環境,上傳命令指令、下載系統動態資訊、收集監控資料等,作資訊雙向傳遞,成為微控制器網際網路伺服器,應用在遠端監控系統上。本韌體系統內建一套使用者帳號管理系統,以設定使用者的的系統控制權限,並可透過網際網路通道遠端即時變更,且為單晶片程式是燒錄在韌體中的,因此較不容易中毒。在命令指令傳遞過程,本系統韌體系統內建一命令字串解碼函式,轉譯已編碼之命令字串,提高命令字串傳遞安全性。

十六、計畫英文摘要:請於五百字內就本計畫要點作一概述,並依本計畫性質自訂關鍵詞。

Keywords: single chip micro-controller, web server, remote monitoring

Current remote monitoring systems are mostly PC based. The cost for such systems is high, and there are virus and security problems. The goal of this project is to develop a single chip micro-controller with network interface to link to the Internet, so that user can transmit commands and dynamic data and then ran the application on system just like on a web server. We plan to apply it on remote monitoring systems. There will be a user management system built in the firmware, and the web administrator can manage the single chip micro-controller web server thru the Internet. In order to preserve packets intercepted, the firmware included an interpreter to translate the command from clients.

十七、研究計畫之背景及目的:

請詳述本研究計畫之背景、目的、重要性以及國內外有關本計畫之研究情況及技術評估,計畫創新重點(含技術提升指標、效益、實務應用與潛力),重要參考文獻之評述等。

1.     單晶片微控制器在網際網路上的應用

近年來由於半導體製程技術的快速進步,單位面積上的電晶體,每年幾乎以倍增的方式成長,使積體電路(integrated circuit, IC)朝細微化的方向發展。傳統需要多顆積體電路與其他分離元件才能完成的小系統,漸漸地整合在單一晶片上,形成系統晶片(system on chip, SoC)。微處理器拜這波科技浪潮之助,使得為特定功能所開發的嵌入式系統,廣泛運用客制化(customize)的微控制器為核心,在功能性不變的前提下,創造出體積小、效能高、價格低的產品,讓自動控制系統的設計者,多一選擇。

單晶片優越的性能表現,使其日漸取代部分個人電腦的角色,也逐漸被廣泛應用在日常生活之中,包括遠端監控系統上的應用。市場研究公司IC Insights最近公佈的料顯示[1]2002年微控制器銷售為93億美元,預計2003年微控制器成長率將提升11%,到達104億美元,2004年將攀升至122億美元,如圖1,其中各種位元的微控制器每年的比例,只有32位元微控制器所佔比例逐年上升,但是8位元微控制器仍為微控制器產品主流。而微控制器領先廠商分別為,Texas InstrumentsMotorola NEC Microchip TechnologyZilog。而微控制器市場逐年的成長,意味著微控制器正被廣泛的應用在日常生活之中,為人類堆砌一座數位化的城堡。

1. 微控制器市場成長趨勢[1]

另一方面,隨著網際網路的快速發展,微控制器供應商接續提出嵌入式系統與網際網路連結方案,發展出以微控制器為核心的嵌入式網際網路伺服器系統。在單一微控制器搭配一網路控制晶片的結構,不但執行微控制器既有系統任務,還可直接對外連結網際網路,達到訊息雙向傳送與接收,但是目前仍無內嵌於微控制器內部的網際網路通訊協定。嵌入式系統輕薄短小之外觀,與低價位高性能的設計理念,有別於傳統個人電腦架構,一昧追求高速運算與功能強大的設計邏輯,在核心晶片內嵌連結網際網路功能後,將提供另一種流通資訊的平台。利用這平台開發遠端監控系統,可有低成本、安全性高、且利用分散式系統架構更可確定保障網路伺服器不易癱瘓等優點。

2.     微控制器網路伺服器發展現況

本研究以嵌入式系統為核心,依據英國電機工程師協會的定義[2],嵌入式系統為控制(control)、監視(monitor)或輔助設備、機器或甚至工廠搬運裝置。其具備下列四項特性:

(1)  通常執行特定功能

(2)  以微電腦與周邊構成核心

(3)  嚴格的時序與穩定度要求

(4)  全自動操作循環

其包含軟體與硬體的綜合體,亦可涵蓋機械或其他的附屬裝置。整體設計目的,在於滿足某種特殊功能。也可能是軟體型態,或韌體(firmware)形式;有的以明顯型態存在易於辦識,也有隱存於機器內部不易為人所識。所有嵌入式系統皆是電腦,有些是比個人電腦還非常簡單的設備,最簡單的像單一微處理器(Microprocessor, MPU),亦稱為單晶片,大都與其他晶片套裝整合在一模組或特殊用途的IC晶片上。其係經由某一偵測器、感應器等輸入訊號;而輸出為啟動某一開關或一個動作,如開動、或關閉一部機器的運作,或一個值、一個脈波以控制一部引擎的油料。簡單的嵌入式系統可以執行單一或一組預先設計的功能用途,較複雜的嵌入式系統大都經由應用程式控制執行一個特殊功能,或作成軔體[3]

而嵌入式系統以微處理器為核心,而微處理器在摩爾定律(Moore’s Law)推波助瀾下,使其單位矽晶體內新增更多周邊模組,衍生出另一種晶片,微控制器(Microcontroller, MCU)其將CPUROMRAMI/O集合於一晶片中,兩者最基本的差別在MCU內含ROMFlash,並可程式規劃、儲存使用者賦予之指令。隨著嵌入式系統於控制領域系統設計需求,目前已較難以明確界定兩者之差異性。但是,微控制器周邊電路增加,以配合嵌入式系統整體設計規劃,使其在嵌入式系統佔有一席之地。

微控制器的技術發展與嵌入式系統的演進是相輔相的。對於微控制器未來的發展,Bursky[4, 5]認為隨著矽晶片製程技術的進步,IC單位面積可容納的電路增加,微控制器從原來8位元提升為16位元,並增加一些功能電路,提升整體性能。目前的16位元微控制器產品,增加許多系統設計所需之數位邏輯電路,例如多通道類比數位轉換器、液晶顯示器控制、複雜計時器/計數器區塊、波寬調適模組、USBUARTs、同步序列埠及記憶容量擴充等性能,讓系統設計者可以在單一晶片的結構下設計一套完整系統,可簡化系統設計者之工作負荷。此外,多種的記憶體形式,如ROMOTPFlash等,在輔以多種封裝形式,可因應不同系統開發需求。現今微控制器供應市場,可提供設計者多樣化選擇。

微控制器網路伺服器發展上,Shear[6]認為應將網頁伺服器加到內嵌式系統上,藉由個人電腦螢幕為顯示器,瀏覽器為介面,透過網際網路為通道,提供硬體及軟體資源,為嵌入式系統增加外部資源以增強系統功能。而Cole[7]則建議把網際網路通訊機制內建在嵌入式應用的核心內部運作,除了提供控制的功能,可以藉由網際網路通道,把每一個孤立的系統連結在一起,讓系統管理者在任何時機、任何地點及任何元件,進行遠端監視數據及執行狀況,還能進行系統除錯、升級、與維護任務。Patterson[8]認為非個人電腦為主元件置入嵌入式伺服器對於遠端監控系統是非常有用的,不需要在系統管理者所使用的電腦安裝特定的監控軟體,避免操作者監控軟體版本不同與軟體更新升級的問題,只要有標準的網際網路瀏覽器即可進行系統監控,而系統開發者只要用運HTML網頁開發軟體,即可完成人機介面的開發。

Lioyd[9]則認為將網站(Web)的概念移植到現場元件(Field Devices)內,不但可利用網頁語法快速開發使用者圖形介面,而且讓現場元件能透過網際網路通道自發性提出系統需求,如元件可自動提出一般性維護、可進行系統遠端診療、可遠端更新軟體、系統內消耗性零件磨耗後提出需求。Rodrigues[10]認為嵌入式系統帶來許多應用上的便利性,但是系統資源不如個人電腦的嵌入式系統而言,要支援整個網際網路通訊協定是很困難的尤其TCP/IP通訊協定,建議以8位元與16位元微控制器為核心的嵌入式系統軟硬體特質,提出一套最佳化及最小化的TCP/IP通訊協定,以降低系統開發者的負擔。此外,針對嵌入式系統資源不足的窘境,其建議只把主要入口網頁及動態數據檔放置於嵌入式伺服器上,其他圖形、靜態網頁及其他文件則按至於一般網路伺服器上,以降低嵌入式伺服器的負擔。

微控制器結合網際網路伺服器功能破除距離的障礙,並且提升系統維護效率,提供嵌入式系統設計新思維與擴充性。然而,面對尚未標準化的網際網路通訊協定,使得嵌入式網際網路伺服器的開發模組陷入群雄並起紛亂的戰國時代。

3.     現有網際網路伺服器開發模組簡介

(1)   Atmel - AVR Embedded Web Server

此系統以megaAVR 微控制器為核心[11],搭配CS8900網路控制晶片,實體如圖2,使用者可直接透過瀏覽器存取。其軟體通訊結構提供完整TCP/IP通訊協定支援,其網際網路通訊協定堆疊如圖3。系統開發者可利用其應用程式開發介面(Application Program Interface, API),其以C語言為應用程式開發工具,完成後儲存於128 Kbyte FLASH記憶體。

2. AVR Embedded Web Server實體

3. AVR網際網路通訊協定堆疊

(2) Dallas Semiconductor – Tiny InterNet Interface

此系統是一提供元件與Ethernet連結的介面[12]DS80C390為核心晶片輔以SMC91乙太網路控制晶片的整合性72 Pin模組,實體如圖4。其軟體結構是以JAVA為介面,即時作業系統儲存於記憶體內部,向上構築TCP/IP堆疊、JVM(Java Virtual Machine)及軟體應用程式,再藉由JAVA技術將資訊傳入乙太網路,系統結構如圖5。本模組可搭配RS232介面之外部感應器連接,使其資訊透過乙太網路環境傳送至網際網路,由外部操作平台(console)接收與儲存。

4. TINI實體

5. TINI網際網路通訊堆疊

(3)   Microchip – PICDEM.net

此系統以PIC16F877為系統核心[13]可置換PIC18C452搭配RTL-8019AS網路控制晶片,實體如圖6透過6 Pin連接器以Microchip In-Circuit Debugger (ICD)撰寫、偵錯及燒錄軟體應用程式。其提供一精簡版TCP/IP通訊協定,通訊結構如圖7。其以C語言為工具撰寫軟體應用程式,儲存於8K Word Flash記憶體,而入口網頁儲存於24L256外部EEPROM,網頁支援HTML語法,再利用個人電腦RS-232介面設定系統的IP位址、卡號及下載網頁。

6. PICDEM.net實體

7. PICDEM.net網際網路通訊堆疊

(4)   Rabbit Semiconductor - TCP/IP Development Kit

此開發模組是以Rabbit 2000晶片為核心[14]Realtek晶片為網路控制介面C語言為開發工具開發環境以Z-World公司的 Dynamic C 為介面與編譯其網際網路通訊堆疊沿用Dynamic C內建結構如圖8內建512 Kbyte Flash 記憶體128 Kbyte SRAM

8. Rabbit2000 網際網路通訊堆疊

(5)   P&S DataCom – Webchip

此系統並非直接與網際網路環境連結[15],是提供微控制器一個通訊閘(Gateway),此模組透過RS-232RS-485數據機與電腦連接,再對外連結網際網路,其系統如圖9。此系統預留接口以結合各種微控制器,再透過IICSPI與底部通訊匝模組通訊,而軟體應用程式由系統開發者撰寫載於微控制器。

9. WebChip 系統結構圖

(6)   Ubicom – PhantomServer

此系統核心是一整合型晶片[16]將微控制器與網路控制介面整合成單一晶片名為IP2022網際網路處理器其系統如圖10。軟體結構以其作業系統(ipOS)為軟體基礎,可搭配眾多的軟體模組,如表1所示。系統開發者可透過RadHat GNUPro軟體開發介面,依系統需求選定軟體模組及撰寫應用程式。其中網路通訊協定路徑,可依系統需要而作變更。

10. Phantom Server實體圖

1. Ubicom軟體模組

各供應商所提供微控制器結合網際網路環境的解決方案,可概略分為兩類,一為網際網路接口,一為單一微控制器網際網路模組。前者讓系統開發者利用既有晶片通訊介面,相互傳遞資訊以與轉發,單純給於微控制器一個網際網路的開口,後者則提供單一微控制器自立接收傳遞網際網路資訊,並可同時執行系統既定任務的獨立系統,只是在軟體應用程式開發過程需把網際網路通訊模組內嵌於內。雖然兩者運用的手法不同,但是目標都是一致的,給予微控制器連結網際網路環境以因應網際網路時代潮流。

4.     本研究目的

本計畫設計以微控制器搭配網路晶片架構,直接連結網際網路環境,上傳命令指令、下載系統動態資訊、收集監控資料等,作資訊雙向傳遞,成為微控制器網際網路伺服器。本計畫開發之單晶片網路伺服器主要將應用在遠端監控系統上,規劃有資料收集、系統即時診療、及遠端監控三模式,此三種模式皆有不同應用領域,分別敘述於下:

(1)   資料收集模式

此模式下單純收集系統中各種訊號或記錄系統狀況,而不作即時反應。其訊號來源可為生醫訊號,如心跳、體溫、血壓、及呼吸狀況等,或自然現象紀錄,如氣象資訊量測、水情量測、環境變化等,或記錄使用狀況,如門禁系統,核對進出人員身份、記錄其進出時間等。而其所收集資科的傳遞週期,分為「即時傳遞」與「非即時傳遞」。即時傳遞為狀況發生當下,即刻把完整資訊透過網際網路傳送,不作資料儲存動作。非即時傳遞則是針對事件發生頻率低系統,則其傳遞週期由系統開發者設定,於特定時段將週期內所有資料一併傳遞,而非傳遞時序其間,先將其收集資料先暫時儲存於資料備份空間。

(2)   即時診療模式

以微控制器伺服器為窗口之系統,可就系統有無內建「控制策略」與否作區隔。內建控制策略之系統,其系統操作者為因應系統狀況變更系統控制策略時,即刻透過網際網路通道,隨時隨地對系統參數,進行參數調適或設定,如溫控系統、資訊家電。無控制策略系統,操作者單純欲獲知遠端資訊與系統變動,於登入微控制器伺服器後,就其參數資訊與變化,確切掌握系統狀況,如存貨系統或自動販賣機。

(3)   遠端監控模式

針對多晶片系統元件,系統任務繁瑣,事件回報資料複雜,搭配外掛即時監控軟體,由線上操作員即時狀況處理之階層式或分散式系統。如電信系統、電力系統及自動化設備等。由外掛即時監控軟體以輪詢(Polling)溝通方式,就其事件觸發狀況透過即時監控軟體之虛擬面版,通報操作人員,待其依標準處理程序進行事件處理或障礙排除。或者,將其處理原則建立一事件處理資料庫,讓系統進入自動監控狀態,協助操作員進行系統監控,降低人為疏失機率與人力資源負擔。

合作廠商漢晶科技公司,研究與製造主力就是在於監控控制器與監控控制器收集模組,且在這兩方面有豐富經驗,與本計畫所開發之「單晶片網路伺服器在遠端監控系統」的結合,更可成為一高安全性、低成本的遠端監控系統解決方案。

參考資料

[1]       http://www.icinsights.com/news/releases/press20030409.html.

[2]       www.iee.org./policy/areas/Y2K/w-46.cfm.

[3]       www.iee.org./policy/areas/Y2K/w-43.cfm.

[4]       Bursky, D., “16-Bit Embedded Controllers Open up New Markets”,Electronic Design, Mar. 3, 1997 , pp.31-48.

[5]       Bursky, D., “8- and 16-bit microcontroller server up low cost, high performance ”, Electronic Design, Oct. 4 , 1999,Vol. 47 Issue 20 p45-56.

[6]       Shear, D., “Putting an Embedded System on the Internet”, EDN, Sep. 12, 1997,pp.37-46.

[7]       Cole, B., “Microcontrollers craft a network future”, Electronic Engineering Times, May 21, 2001, Issue 1167, p71-73.

[8]       Patterson, S. K., “Embedded Web server aids monitoring”, Electronic Engineering Times, Feb. 28, 2000, Issue 1102, p112-113.

[9]       Lioyd, B. and Susnik, M., “ Web embedded field devices”, IEEE Pulp and Paper Industry Technical Conference, 2002, p199-202.

[10]   Rodrigues, J., “Internetworking” tread on MCU turf”, Electronic Engineering Times, May 21, 2001, Issue 1167, p82-96.

[11]   http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/DOC2396.pdf.

[12]   http://www.ibutton.com/TINI/index.html.

[13]   http://www.microchip.com/1010/pline/tools/picmicro/demo/pdemnet/index.htm.

[14]   http://www.rabbitsemiconductor.com/products/rab2000_tcpip/index.shtml.

[15]   http://www.webchiponline.com/products_asdk.asp.

[16]   http://www.ubicom.com/pdfs/products/ip2000/processor/IP2022_White_Paper.pdf.

[17]   方盈著,“TCP/IP通訊協定與入門與應用,博碩文化,台北縣,民國89年,p.122-150

十八、研究方法、進行步驟及執行進度:

1.本計畫採用之研究方法與原因。

2.預計可能遭遇之困難及解決途徑。

3.重要儀器之配合使用情形。

4.如為須赴國外或大陸地區研究,請詳述其必要性以及預期成果等。

本計畫設計「單晶片網路伺服器在分散式遠端監控系統的應用與開發」,希望使用功能強大、體積小、安全性高的單晶片代替一般的電腦主機,來達到遠端監控控制的功能,同時希望藉由與漢晶公司的合作,與該公司現有的「監控控制器/監控資料收集模組」作結合,達到成本低廉、普遍性高的監控產品。元智大學機械工程研究所主要任務在機電整合、遠端監控、與網路整合等技術研發,漢晶公司本身研發「監控控制器/監控資料收集模組」有相當多的知識與研發經驗,藉此次合作計畫,期望可以達到產業與學術界知識經驗交流,整合、提升雙方整體研發能力。

本計畫目標,在傳輸低、安全性高、無傳輸失誤的前提下,以單一微控制器結構,直接連結網際網路環境,上傳命令指令,下載動態資訊,作資訊雙向傳遞,同時執行系統既定任務,並將網際網路功能函式化,以降低系統開發者的負擔。其系統結構包含軟體與硬體兩大主題,本研究主要從軟體結構為出發點,先建構連結網際網路環境的雙工軟體通訊管道,再規劃微控制器腳位功能,搭配周邊電路,以研發一獨立模組之微控制器網際網路伺服器為核心之泛用型嵌入式系統。

1.  軟體功能規劃

(1) 函式化網際網路功能

為了減少微控制器開發者,摸索多階層結構的網際網路通訊協定時間,本系統計畫將網路通訊協定包裝成函式,制訂主控端與受控端雙向溝通模式,讓系統開發者可直接引用網際網路功能,破除系統開發者領域背景的障礙,及縮短開發時程。

(2) 提供記憶體空間

微控制器上程式記憶體(Program Memory)與資料記憶體(Data Memory)應提供記憶空間給予系統開發者撰寫軟體應用程式使用,避免微控制器成為連結網際網路的接口,而無執行系統既有任務的能力。

(3) 即時動態資訊更新

本系統以遠端功能為主要應用領域,如遠端監控、資料收集、及遠端診療等,則受控系統即時顯示,有助於主控端第一時間掌握受控系統狀態,在最短時內做出因應法則,以利遠端系統即時反應。

(4) 多人上線瀏覽

本系統以微控制器為核心,其使用資源與空間雖然受限,但是系統目標其功能要與一般網站一樣,可同時多位使用者上站瀏覽,察看系統即時資訊,以符合網站規格。

(5) 使用者權限規範

本系統給予每個使用者帳號不同的權限,讓系統在多人同時上線狀態下,面對不同的使用者帳號,就其使用權限的高低,區隔每位使用者對於受控系統的控制程度,避免系統遭惡意破壞。

(6)線上即時變更帳號及權限

本系統在設計上有「使用者權限規範」目標,其使用者帳號與權限的資料庫管理,計畫由系統管理員可直接透過網際網路通道,即時線上變更使用者帳號與權限,以提高帳號管理效率與彈性。

2.  硬體功能規劃

(1) 微控制器選擇

微控制器的選擇除了考量其程式記憶體、資料記憶體大小及工作時脈快慢外,也應該注意其腳位的多寡及周邊設備所能提供的支援,以提高微控制器應用的層面。此外微控制器的擴充性與彈性更是選擇微控制器的重要指標。本系統計畫在相同電路結構下,相容不同等級的微控制器,以達到垂直升級橫向擴充的彈性,所以微控制器選擇上也需要考慮製造商提供多種微控制器的能力。

(2) 類比數位轉換器

微控制器本身須具備高精確度,類比數位轉換器(A/D Converter),以利用類比I/O腳位以收集受控端現場狀況,透過網際網路通報主控端;而主控端判斷類比資訊,下達數位命令以因應現場狀況,達成即時監控資訊雙向流通。

(3) 外部擴充通道

微控制器應用於任務簡單的系統上,單一微控制器即可完成,但是面對任務複雜的系統,往往需要多個微控制器相互搭配。在系統規劃之初,需考量多個微控制器結構下,建立一共同的資訊流通管道,以相互傳遞訊息,完成整體性系統任務。

(4) 乙太網路介面

乙太網路介面為一10-Base T連接器,用以連結乙太網路設備,以連接其他的網路節點(node),以廣播(broadcast)的方式與各節點的設備相互傳遞訊息。藉由封包內含6位元的乙太網路位址(Ethernet address),和俗稱網路卡卡號(Media Access and Control, MAC)以鑑別接收者,而這卡號是每一網路設備皆需具備,而且獨一。

(5) 乙太網路控制晶片

本系統需要一網路控制晶片(Network Interface Controller, NIC)以作為微控制器與乙太網路的中繼站負責接收乙太網路上封包(Ethernet frame)儲存於緩衝區記憶體(Buffer RAM)以待微控制器透過控制暫存器(Control registers)與遙控直接存取記憶體(Remote DMA registers)以讀寫封包資訊。而乙太網路控制晶片任務,將所有來自乙太網路封包儲存於內部的環式緩衝區(Ring buffer )

(6) 串列通訊介面

串列通訊介面主要功能為下載系統開發者所撰寫之軟體應用程式,次要功能用一傳輸線與個人電腦連結,再透過終端機程式,如Hyperterminal,以觀看程式運作狀況,提供一軟體應用程式偵錯的窗口。

(7) 網頁儲存空間

本系統定位成伺服器的角色,目的讓使用者透過網際網路,登入本網站瀏覽網頁以獲得資訊,則網頁需要一儲存空間以存放,而其空間大小就實際需統所需而定。

(8) 資料儲存空間

本研究透過乙太網路以連結網際網路,為提防乙太網路斷線,資料無法向外傳遞狀況,應於系統上設計資料儲存空間,用以儲存斷線發生時應該外傳資料,待線路恢復通訊後,由主控電腦將其讀出。

(9) 其他周邊

周邊資源的規劃,以一輸入介面及一輸出介面為基礎。以背光LCD模組為輸出裝置,用以顯示系統狀態及資訊;而輸入介面以鍵盤裝置,用以系統初始化的輸入,或者用於系統參數變更,以利開發完成後系統之使用。

(10) 外部輸出輸入腳位

微控制器與於網路控制晶片相互溝通腳位,及系統運作必要腳位外,剩餘腳位應設計腳座,供系統開發者設計外部硬體電路。

3.  網路安全機制規劃

(1) 訊息正確性

通訊系統其通訊的品質首重,傳輸速度、傳輸量、及傳輸正確性。而本系統以微控制器為核心,其通訊傳輸的速度與傳輸量受限於微控制器運作時脈,只能就其資訊傳輸的正確性,及網路傳遞過程中封包碰撞導致的傳遞失敗現象,提出系統整體開發的因應之道,以掌控傳輸品質。

(2) 資訊加解密

為避免傳遞資訊被攔截,系統資訊在傳遞過程中,應再重新編碼,以避免系統資訊被攔截後,使用者帳號外流及控制策略遭破解的潛在危險。

4.  進度步驟

本計畫將分為四個階段進行,每3個月為一個階段,各階段工作說明如下:

第一階段

組成研究團隊,建立意見與技術交流機制,研究目前網路伺服器在網路應用上有哪些問題或是容易造成癱瘓的原因,以及尋找本計畫開發時所適用的單晶片微控制器,並進行本計畫設計需求分析與概念設計。

第二階段

開始建立單晶片網路伺服器的硬體設備,並開始尋求如何將系統與網路晶片結合。

第三階段

完成硬體設備,也將單晶片為控制器與網路整合的相關軟體架設完成,並且開始測試配合一些感測器,作監控控制的測試。

第四階段

整合網路安全性,完成單晶片網路伺服器與遠端監控系統,並進行實體遠端網路監控測試,依據結果進行設計修正,最後發表成果。

十九、預期完成之工作項目及具體成果

1.執行期限內預期完成之工作項目。

2.對於產業界、國家發展及其他應用方面預期之貢獻。

3.對於參與之工作人員,預期可獲之訓練。

本計畫預計將單晶片網路伺服器開發應用在遠端監控系統上,可以改善目前電腦架構下的網路伺服器,容易因中電腦病毒或是駭客入侵而癱瘓,並且使用分散式系統將資料加以管理保密增加個人資料的安全。本計畫藉由與漢晶公司的合作機會,分享彼此研發與商品經驗、技術交流與設備資源共享,可以達到產業與學術界相互提升值整體研發能力、培養研究人才的目標。

本計畫各階段預期完成之工作項目與具體成果說明如下:

第一階段:

(1)   研究目前網路伺服器在網路應用。

(2)   尋找本計畫開發時所適用的單晶片微控制器。

(3)   確立本計畫單晶片網路伺服器在遠端監控系統的概念設計。

第二階段

(1)   開始建立單晶片網路伺服器的硬體設備。

(2)   尋求將遠端監控系統與整個系統還有網路架構的整合。

第三階段

(1)   完成硬體設備、單晶片控制器與網路整合軟體架設完成。

(2)   配合相關感測器,作遠端監控控制的測試。

第四階段

(1)    整合網路安全性,完成單晶片網路伺服器與遠端監控系統。

(2)    進行實體遠端網路監控測試,依據結果進行設計修正,最後發表成果。