基於多微控制器系統的物聯網閘道器設計

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姓名

劉忠棋(Jhong-Ci Liou) 查詢紙本館藏

畢業系所

資訊工程學系

論文名稱

基於多微控制器系統的物聯網閘道器設計
(Design of IoT Gateway Based on Multi-Microcontroller System)

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摘要(中)

物聯網閘道器扮演著大量智慧物件(Smart things)與雲端連網伺服器的關鍵中介角色，目前學術界和產業已投入大量的研發資源從事物聯網閘道器相關技術和產品的研發。在小型、低功耗的物聯網應用，傳統閘道器系統使用微控制器作為核心，來實現底層裝置網路的管理和上層雲端伺服器功能和遠端行動計算服務。然而，使用單一微控制器的解決方案在系統擴充性及計算和通訊效率上難以應付物聯網的大量資料收集、管理、和通訊網路以及多樣性服務需求。本研究提出一個創新的多微控制器系統架構，結合一個基於FPGA的硬體橋接器，以及可擴充的多重微控制器，構成一個主從架構的高性能多微控制器的物聯網閘道器。此一系統具有分散式處理、微控制器間的高速通訊、豐富週邊的優點。在論文最後，我們以一個物聯網應用系統開發案例，來驗證我們所提出的多微控制器物聯網閘道器，並與現有的架構進行比較，實驗結果顯示本系統具有明顯的性能優勢。

摘要(英)

The Internet of Things (IoT) gateway serves as a key intermediary between a considerable amount of smart things and their corresponding cloud networking servers. Academics and industry members have invested substantial research and development resources into developing IoT gateway-related technology and products. In small and low-power IoT applications, conventional gateway systems mainly use microcontrollers to perform lower-layer device network management, upper-level cloud server functions, and remote mobile computation services. However, regarding system scalability and computation and communication efficiency, solutions that use a single microcontroller cannot cater to the demands of IoT regarding large data collection, management, communication networks, and various other services. Therefore, this study proposed an innovative multimicrocontroller system framework, combining a field-programmable gate array-based hardware bridge and scalable multiple microcontrollers to construct a master–slave architecture of a high-performance multimicrocontroller IoT gateway. The proposed system features distributed processing, high-speed communication among microcontrollers, and compatibility with a wide variety of peripheral devices. In the end of this study, we implement an IoT application system case to verify our multimicrocontroller IoT gateway which has obviously more performance advantages than before.

關鍵字(中)

★ 物聯網閘道器
★ 多微控制器系統

關鍵字(英)

★ IoT Gateway
★ Multi-Microcontroller

論文目次

摘要 I
Abstract IV
誌謝 V
目錄 VI
圖目錄 IX
表目錄 XIII
第一章、緒論 1
1.1、研究背景與動機 1
1.2、研究目的 2
1.3、論文架構 4
第二章、文獻回顧 5
2.1、微控制器介紹 5
2.2、多微控制器系統應用 7
2.3、多微控制器系統架構 9
2.4、多微控制器介面通訊 11
第三章、多微控制器系統設計 16
3.1、多微控制器系統架構 16
3.1.1、主從式架構 17
3.1.2、橋接控制器 18
3.1.3、多微控制器通訊介面 19
3.2、基於多微控制器系統的物聯網閘道器 21
3.2.1、主控端雲端聯網系統設計 24
3.2.2、從屬端裝置管理系統設計 24
3.2.3、從屬端嵌入式資料庫系統設計 27
3.3、高速橋接控制器設計 28
第四章、多微控制器系統實作 31
4.1、嵌入式軟硬體設計與合成 31
4.1.1、IDEF0功能建模 32
4.1.2、Grafcet功能建模 33
4.2、基於多微控制器系統的物聯網閘道器實作 35
4.2.1、主控端雲端聯網系統實作 37
4.2.2、從屬端裝置管理系統實作 42
4.2.3、從屬端嵌入式資料庫系統實作 44
4.3、高速橋接控制器實作 47
第五章、多微控制器系統整合與測試 53
5.1、硬體開發環境 53
5.2、模組功能驗證 58
5.2.1、主控端雲端聯網系統 58
5.2.2、從屬端裝置管理系統 61
5.2.3、從屬端嵌入式資料庫系統 62
5.2.4、高速橋接控制器系統 64
5.3、整體系統功能驗證與評估 65
5.3.1、通訊性能比較 70
第六章、結論 76
6.1、結論 76
6.2、未來展望 76
參考文獻 78

參考文獻

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指導教授

陳慶瀚(Ching-Han Chen)

審核日期

2016-7-27

推文