[[alternative]]Design and implementation of the embedded wireless gateways and multimedia sensor nodes for WSNs

碩士[[abstract]]科技使人類與大自然日益隔離，造成人的異化，使人的價值退化到科技工具層次。為避免科技造成此種不良影響，我們將以科技方法結合人文藝術，來塑造一個「以人為本，科技為輔」的人類與科技和諧共存之休閒創意空間。 本研究欲將無線感測器網路技術應用於人文藝術上，建置一件以多媒體無線感測網路技術為主的休閒創意空間，民眾漫步於其中可隨時賞析與多媒體無線感測節點互動而播放出的有趣音樂，多媒體感測節點也會隨著環境變化(如天色、風力、雨水)而播放不同美妙的音樂，民眾甚至可以利用手機，下載與安裝我們所開發的互動軟體，並連線至嵌入式無線閘道器來和多媒體感測節點互動，或是將多媒體感測節點播放之音樂下載至手機，而後端維護者也可利用我們設計之遠端系統應用平台，來監控整個系統或是線上更新音樂。 本研究為此設計與實作多媒體感測節點、環境感測節點、嵌入式無線閘道器以及後端管理系統。我們將VS1053音樂模組及多種環境感測器整合至Octopus II無線感測平台，並透過特定的通訊序列介面將其連結，實作出多媒體感測節點，其可以感測到周圍民眾的活動，也可以播放預存之多媒體音樂來和民眾互動，亦可播放線上串流音樂，另外我們整合WiFi模組、藍芽模組以及Octopus II無線感測平台至Arduino嵌入式微控制板，實作出嵌入式無線閘道器，透過其可橋接網際網路、802.15.4網路和藍芽網路，最後我們開發後端系統管理系統，維護者可以透過其監控多媒體感測節點是否異常，以及線上更新多媒體感測節點之音樂檔案。 我們將多媒體感測節點安裝於多個真菌造型之藝術品中，並將整個系統命為「無線感測人文樹道」，期望民眾透過本研究建造的休閒創意空間能與環境有互動對談之機會，而環境空間能具有智慧性、藝術性、創意性與當代未來性。[[abstract]]Wireless Sensor Networks(WSNs) have been widely applied in many applications, including environmental monitoring, smart life, habitat monitoring and tracking as well as healthy monitoring. However, few art applications are developed by applying the technologies of WSNs. This thesis proposes a platform, called WSN Sound-Tree Sidewalk (S-TS) System, which integrates art design and new technologies such as sensing, wireless communication, cyber physical system and embedded system designs, aiming at providing an interactive and artistic production. The proposed platform mainly consists of a number of mushrooms, which are able to interact with people through multi-track music playing. In the developed S-TS system, the music mushrooms play the major role. Each music mushroom supports a variety of functions, including sensing, communication as well as music playing. Inside each music mushroom, several sensing components, including temperature, humidity, motion and microwave sensors, are connected to the Octopus II for collecting environmental information and motion detection. Based on the collected information, the Octopus-II makes decision for the music selection and then sends command to the connected VS1053 chip which stores the multi-track music and is able to play the designated music. A gateway s that integrates several heterogenous wireless interface, including Bluetooth, Zigbee, as well as WiFi is designed and implemented in this thesis to enable the communication between the mushrooms, android mobile phone and the access point. In addition to play the stored music, the designed S-TS system is able to receive the music from Internet through the developed Gateway and then play the music in a streaming manner. We expect that the proposed WSN Sound-Tree Sidewalk can provide people with an interactive, artistic, smart, and creative landscape.[[tableofcontents]]第一章、簡介 1 1.1 研究動機及文獻探討 1 1.2 研究內容 4 第二章、背景知識 7 2.1 硬體背景 7 2.2 軟體背景 14 第三章、無線感測音樂樹道互動設計 21 3.1 音樂互動模式 21 3.2 手機遠端互動參與模式 25 第四章、無線感測音樂樹道系統設計 27 4.1 多媒體感測節點之硬體整合技術 28 4.2 真菌節點之感測模組設計與實作 41 4.3 嵌入式無線閘道器之硬體整合技術 44 4.4 「後端管理系統」開發與建置 47 第五章、結論心得與未來工作 53 參考文獻 55 附錄－英文論文 58 圖目錄 圖1.1 「無線感測音樂樹道」之系統架構圖 4 圖2.1 Octopus I感測節點 8 圖2.2 Octopus II感測節點 8 圖2.3 Octopus II系統架構圖 10 圖2.4 VS1053硬體架構 13 圖2.5 VS1053 MP3 Shield實體照片 14 圖2.6 TinyOS元件所具有的Uses Interface及Provides Interface 18 圖3.1 真菌人文樹道場景圖 23 圖3.2 真菌透過環境感測器(b)得知天色資訊，並於黃昏時點燈(a) 25 圖3.3 手機遠端互動參與模式的手機畫面 26 圖4.1 真菌節點內部構造圖，包含多媒體感測節點、電源和喇叭 27 圖4.2 第一代真菌節點 29 圖4.3 第二代真菌節點 30 圖4.4 第三代真菌節點 31 圖4.5 第三代真菌節點系統架構圖 34 圖4.6 第三代真菌節點模組化 36 圖4.7 第四代真菌節點系統架構圖 38 圖4.8 第四代真菌節點 39 圖4.9 第一代到第四代真菌節點元件分工圖 39 圖4.10 X-BandMotion Detector 42 圖4.11 Octopus II與微波位移感測器接線圖 43 圖4.12 Octopus II與風力計和雨量計之接線圖 43 圖4.13 嵌入式無線閘道器 44 圖4.14 嵌入式無線閘道器之硬體架構 46 圖4.15 真菌人文樹道後端系統管理系統 47 圖4.16 後端系統應用平台系統架構圖 48 圖4.17 真菌後端監控系統之系統分析圖 50 表目錄 表1：TinyOS常用的介面 16 表2：TinyOS常用的元件 16 表3：第一代至第三代真菌之系統架構與功能說明 32 表4：第三代真菌節點遭遇之相關問題 37 表5：後端系統應用平台「真菌交響樂模式」之功能 49[[note]]學號: 698410718, 學年度: 9