博碩士論文 100522043 詳細資訊




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姓名 李秉霖( BING-LIN LI)  查詢紙本館藏   畢業系所 資訊工程學系
論文名稱 分散式工業電子看板網路系統設計與實作
(System Design and Implementation of a Distributed Industrial Signage Network)
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摘要(中) 本研究提出了一個分散式工業電子看板網路(distributed industrial signage network)
架構。我們首先設計一個智慧型 128x16 點陣式 LED 電子看板控制器及一組工業訊息顯
示嵌入式中介軟體。電子看板控制器可執行 Grafcet 虛擬機器(GVM),提供無 OS、無
compiler 的開發環境。在一個工業製造環境中,不同的電子看板被分散安裝於不同的設
備或生產線位置,因此我們的電子看板器控制器提供了有線(wired RS-485)連結通訊,最
後透過網路閘道器連結到雲端伺服器,使遠端手機或平板得以進行遠端客製化顯示
scenario 設計、部署和監控。
我們設計了一個嵌入式三微控器(Triple-MCU)的電子看板網路閘道器。其中,一個
MCU 作為 TCP/IP 網路控制器,接收和處理來自遠端設計、部署和監控指令;另一個
MCU 負責工業設備如 PLC、DIO 或 HMI 連結界面控制器;最後一個 MCU 作為電子看
板節點的管理引擎,可自動偵測電子看板的新增、刪除、故障等狀態,並轉送遠端顯示
控制指令。至於三微控器間採用 SPI 協定進行高速串列通訊。
針對電子看板網路通訊,閘道器與電子看板節點採用 Modbus RTU 協定,藉由
Modbus 主從式協定(master/slave protocol),可支援最多 247 個電子看板節點。閘道器與
雲端採用 Modbus TCP/IP,控制器將遠端 Modbus TCP/IP 指令轉換為 Modbus RTU 指
令,用以管理底層的電子看板節點。
最後整合本研究所開發的軟硬體模組,我們實現了一個分散式工業電子看板系統雛
形,並且以實例驗證了系統的功能性和性能。
摘要(英) The research proposes an architecture of distributed industrial electronic signage network.
First of all, we design an intelligent controller of 128x16 dot matrix LED electronic signage
and an embedded meta-program to show industrial message. Electronic billboards controller
can execute Grafcet Virtual Machine (GVM) which provides a working environment under
the condition without OS and compiler. In a manufacturing industrial environment, different
electronic signages are separately installed in different devices or different positions of
production lines. In order to communicate with all of them, we provide wired (wired RS-485)
communications links for our electronic signage controller, so that cellphones or tablets in the
remote end can easily customize and display the design of scenario by using the Internet
gateways to link to cloud servers. Furthermore, we can also make the deployment and monitor
on electronic signage controller.
We design a Triple embedded microcontroller (Triple-MCU) for electronic signage
network gateway. Among those MCUs, one MCU is used as a TCP / IP network controller
receiving and processing the instructions of design, deployment, and monitor from the remote
end, another MCU takes charge of industrial equipment such as PLC, DIO link interface or
HMI controller, the other MCU is for the engine of managing electronic signage which can
automatically detect the state of new, delete and fail etc… and transfer remote display control
instructions. Those three microcontrollers communicate with SPI serials.
On the communications of Digital signage networks, we adopt Modbus RTU between
gateway and Digital signage nodes. By Modbus which is a master and slave protocol, we can
iii

support up to 247 Digital signage nodes in each gateway. While gateway and Cloud are using
Modbus TCP/IP to communicate with each other. Controller can translate remote Modbus
TCP / IP instructions to Modbus RTU instructions and manage those Digital signage nodes in
the bottom layer.
In summary, we integrate all hardware and software modules developed in this research
and accomplish a model of distributed industrial electronic Signage system. Moreover, we
demonstrate the functionality and performance of the system by experiments.
關鍵字(中) ★ 分散式網路
★ 工業電子看板
關鍵字(英) ★ Distributed Network
★ Industrial Signage
論文目次 摘要 ..................................................................................................................................... i
ABSTRACT ............................................................................................................................... ii
誌謝 ........................................................................................................................................... iv
目錄 ............................................................................................................................................ v
圖目錄 ...................................................................................................................................... vii
表目錄 ........................................................................................................................................ x
第一章、 緒論 .................................................................................................................... 1
1.1 研究背景與動機 ................................................................................................ 1
1.2 研究目的 ............................................................................................................ 3
1.3 論文架構 ............................................................................................................ 4
第二章、 工業電子看板 .................................................................................................... 5
2.1 LED 點矩陣顯示模組 ....................................................................................... 5
2.1.1、 LED 點矩陣顯示原理 ............................................................................... 6
2.2 電子看板文獻回顧 ............................................................................................ 8
2.3 工業電子看板節點設計 .................................................................................. 11
2.4 使用者遠端控制介面 ...................................................................................... 14
第三章、 電子看板網路閘道器 ...................................................................................... 15
3.1、 嵌入式多核心閘道器 ...................................................................................... 15
3.2、 多核心通訊 ...................................................................................................... 16
3.3、 嵌入式乙太網路 .............................................................................................. 20
3.4、 Modbus 通訊協定 ........................................................................................... 21
vi

3.4.1、 Modbus 介紹 ........................................................................................... 22
3.4.2、 Modbus 封包格式 ................................................................................... 23
3.4.3、 Modbus 資料單元 ................................................................................... 25
3.4.4、 Modbus on TCP/IP ................................................................................. 28
3.5、 GRAFCET 原理 .............................................................................................. 30
3.5.1. GRAFCET 參數表 ...................................................................................... 35
3.5.2. 遠端控制中介程式 ...................................................................................... 38
第四章、 分散式工業電子看板系統設計與驗證 .......................................................... 42
4.1 分散式工業電子看板系統架構 ...................................................................... 42
4.1.1. 分散式嵌入式系統節點設計 ...................................................................... 45
4.1.2. 智慧聯網 Modbus 通訊協定設計 .............................................................. 46
4.2 分散式工業電子看板系統流程 ...................................................................... 48
4.3 分散式工業電子看板網路系統整合驗證 ...................................................... 49
4.3.1. 單節點工業電子看板網路系統測試 .......................................................... 50
4.3.2. 分散式工業電子看板網路系統測試 .......................................................... 53
第五章、 結論與未來方向 .............................................................................................. 57
5.1 結論 .................................................................................................................. 57
5.2 未來方向 .......................................................................................................... 58
參考文獻 ............................................................................................................................ 59
參考文獻 參考文獻
[1] digitalsignageresource.com, “Digital Signage Market Rapidly Expands, ” http://www.digitalsignageresource.com/digital-signage-articles/digital-signage-market-rapidly-expands.asp
[2] D. Yanchuang and G. Jinying, “LED display screen design and proteus simulation based on single-chip microcomputer,” Information Engineering and Computer Science (ICIECS), pp.1–4, Dec. 2010
[3] Yuanyuan Chen, Jing Chen, “The design of multi-channel temperature detecting system, ”Anti-Counterfeiting, Security and Identification (ASID), pp.1-3, Aug. 2012.
[4] 黃志宏, 李慎竹, 王麗琇, 游仁傑, 張廷謙, 鄭和燦, 張淑貞, 王姿婷, 黃正道, 劉繼諡, “以群播方式為架構之廣告托播系統, ”中華民國專利, 專利號碼:096127891.
[5] 張賽昭, 周家麟, 白莊, 申曉玉, “一種多媒體電子廣告看板系統, ” 中華民國專利, 專利號碼:092109952, 2004
[6] 林嘉彬, 蕭元曙, “遠端數位電子看板的管理方法, ”中華民國專利, 專利號碼:097116034, 2012.
[7] Modbus-IDA, Modbus Application Protocol Specification, Version 1.1b, 2006.http://www.modbus.org/docs/Modbus_Application_Protocol_V1_1b3.pdf
[8] 74HC595 data sheethttp://www.nxp.com/documents/data_sheet/74HC_HCT595.pdf
[9] http://tools.ietf.org/html/rfc1180
[10] 卓卿安, "智慧聯網應用的即時嵌入式系統虛擬機器設計, "國立中央大學,碩士論文, 2013.
[11] 謝欣蓓, "整合GRAFCET虛擬機器的智慧型控制器開發平台,"國立中央大學,碩士論文, 2011.
指導教授 陳慶瀚(Ching-Han Chen) 審核日期 2014-1-27
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