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1、科學發展 2010年3月，447期3938 科學發展 2010年3月，447期專題報導電視機、電冰箱、電磁爐、電燈、烤箱、CD音響、冷氣機等， 需要多少支遙控器？多少個控制介面？ 就請您安心地坐在客廳的沙發上，讓宙斯系統為您服務吧。 鄭憲宗科技始終來自於人性，希望只靠著一支遙控器、一個螢幕就可以控制生活中越來越多的家電設備嗎？在成功大學優質生活體驗屋內，家庭生活魔法師宙斯便是一套針對數位家庭各種家電與服務的中央管理系統，讓生活的機能增添了不少便利及樂趣。數位生活的控制 與服務管家設置在成功大學的優質生活體驗屋科學發展 2010年3月，447期3938 科學發展 2010年3月，447期在一般家
2、庭裡都會有一些家電用品，諸如：電視機滿足了對於資訊與娛樂的需求；冷氣提升了居家生活的舒適度；烤箱、電冰箱、電磁爐等則增添了食品與烹調的便利性，這一切都是進步的科技為人們帶來的福利。這些便利無疑地滿足了我們在生活上的各種期望，但缺點是家電的控制器太多了。坐在客廳的沙發上時，想看個有氣氛的文藝愛情電影，必須起身關掉客廳電燈；走到廚房關閉可能會發出嗶嗶聲的電器，以免影響觀看影片的情緒；拿起電視遙控器切換至Video輸入；使用音響遙控器調整音量；再拿起DVD Player遙控器播放影片；最後才能喘口氣開始看電影。讓我們思考一下，有沒有一個按鈕，可以一次幫我們把這些事情都做完呢？換句話說，要如何把各種家
3、電與服務連接在一起？簡言之，家電可以上網嗎？答案是可以的。近年來，有線與無線網路的技術不斷創新，服務應用也一直蓬勃發展，越來越多的產品具備了網路能力。通用隨插即用（UPnP）是一套設備網路化的網路協定，目標是使家庭網路中的各種裝置與家電能夠相互連線，分享彼此的服務，並簡化相關網路的操作。目前許多網路應用服務改以可擴充套件置標語言（XML）做為標準的描述語言，網路服務裝置設備描述檔（devices profile for web service, DPWS）的技術因此誕生。DPWS把網路服務的物件服務化的概念，結合了UPnP，以標準化的XML做為服務提供的基本語言，整合各網路設備的服務。以上兩種
4、網路協定UPnP與DPWS，都是期望帶給使用者隨插即用的便利性，達到類似網路USB概念的功用。除了有線網路與家電設備的連接外，無線網路也瀰漫在我們的生活中，例如高功率的WiFi、WiMAX，通信使用的3G，或短距離傳輸的藍芽、Zigbee等，也不斷地開發各種服務應用，例如應用在無線感測網路、各種檔案與視訊音訊傳輸等。雖然家電都可以上網了，但是上述的網路連接方式因為設定與封包格式的差異，彼此之間互不認識，也無法溝通，就像草莓、香蕉與檸檬的差別一樣。因此需要一個平台，把它們放上去之後，都能以水果這種單一角色提供彼此的營養。我們對於這些水果的認知，就成為紅色的水果、剝皮的水果與酸的水果。科技業與相關
5、學術界也發現了這水果盤的重要性，為了提供各種異質網路通訊協定、設備與服務一個穩定的平台與高度的整合性，在1999宙斯系統的研發團隊在成功大學優質生活體驗屋內，家庭生活魔法師宙斯是一套 針對數位家庭各種家電與服務的中央管理系統， 讓生活的機能增添了不少便利及樂趣。科學發展 2010年3月，447期4140 科學發展 2010年3月，447期專題報導科學發展 2010年3月，447期4140 科學發展 2010年3月，447期透過適當的平台，可以橋接、掛載各種網路與家電， 提供相對應的服務，讓彼此共享。年昇陽、IBM、愛立信等公司一起組織、設定了開放式服務平台規範（Open Service Gat
6、eway initiative, OSGi）。透過這個平台，可以橋接、掛載各種網路與家電，提供相對應的服務，讓彼此共享。在平台上提供各種遠端操作與監控等服務，並且擁有整合各服務成為新的客製化服務的可能性。有了平台與網路的基礎建設，雖然已經能夠把各個家電串連在一起，但是仍然需要一個人性化的操控介面。因此，設計了精美的圖形化使用者介面，可利用肢體揮動軌跡進行操控的遙控設備，以及定位系統，增進家中成員與數位家庭的互動融合。為了居家安全的需求，會在數位家庭中設置為數可觀的無線感測器，針對防火、防盜、防瓦斯外洩、電器設備安全等進行監控。這些無線感測器兼具感測環境數據與傳輸資料的功能，在感測器功能燒錄、資
7、料量節省和布建方式等方面都必須考量。因此，得針對上述問題開發感測網路的核心技術，以健全整個網路的可靠度。在整合了平台、網路、人性化設備及核心技術四方面的技術後，把這個系統命名為宙斯（Zeus）古希臘神話中掌權的天神。技術描述開放式服務閘道器規範 開放式服務閘道器規範（OSGi）服務平台依循各開放式標準、網路架構，提供跨作業系統的服務。在OSGi服務平台上，各式設備可以分享彼此的服務與資訊，創造出更富創意的情境。OSGi主要由3種元件組成：骨架、服務包和服務。以一個實例來說明它們的運作。客廳有一台UPnP電視，會以網路線與OSGi伺服器連接，而在OSGi伺服器上有一支專為UPnP電視所設計的服務
8、包掛載於OSGi骨幹上，這個UPnP電視服務包提供了電視開關、頻道轉換、音量大小、輸出輸入切換等的服務。因此，只要依據OSGi的規則標準，就能很容易地提供或使用所有服務包裡的服務。無線感測網路 無線感測網路（wireless sensor network, WSN） 是分布在環境中的眾多感測器所組成的網路。每個感測器都是由一個處理單元、無線傳輸單元、感測單元和電力供應單元所組成，這些感測器部署在環境中，會自己形成網路拓樸。無線感測網路近年來除了在技術上不斷地突破創新外，也開發各種服務應用，實作上也有成熟的規格，例如IEEE 802.15.4和Zigbee。宙斯系統科學發展 2010年3月，44
9、7期4140 科學發展 2010年3月，447期與無線感測網路相關的應用也不斷地出現，像是家庭安全監控、防盜系統、情境感知等。優質生活體驗屋也布設了許多無線感測模組，其中以Zigbee系列與Tmote無線感測模組為大宗， 如何有效管理感測節點便成為一個重要的議題。研究成果平台與網路 本專案選用Knopflerfish OSGi為服務整合平台，並架設在成功大學優質生活體驗屋的環境中。平台對於硬體設備會由基層驅動程式橋接，對上層的各種服務或不同架構的中介軟體，則是透過服務包分享在平台之上。最後，設計了一個集中控管的機制進一步提升服務品質，並且為新加入的設備或服務尋找與安裝驅動程式。目前已設計了3種
10、OSGi與家用設備、感測模組的銜接方式。第1種是符合UPnP規範的設備透過UPnP Base Driver橋接上OSGi平台；第2種是符合DPWS規範的設備透過DPWS Base Driver來橋接；第3種是符合其他網路通訊協定（Zigbee、Tmote、Bluetooth等）的設備，也由本專案設計Base Driver來橋接。設備 本專案主要使用清華大學開發的無線感測模組Octopus II做為無線感測網路的傳輸元件，開發宙斯設備與各式橋接系統，並且研藉由人性化的操控介面，可利用肢體揮動軌跡進行操控的遙控設備， 以及定位系統，增進家中成員與數位家庭的互動融合。宙斯系統元件示意圖科學發展 20
11、10年3月，447期4342 科學發展 2010年3月，447期專題報導發通用即插即用設備的轉接裝置（UPnP Converter），擴充了宙斯系統的網路多樣化。以價格低廉的8051嵌入式系統設計UPnP Converter，可以利用嵌入式板上的IO輕易地與無特殊功能的家電結合，再提供UPnP服務設定，並連上乙太網路與宙斯的OSGi溝通。讓這個家電搖身一變成為UPnP家電，提供隨插即用的便利服務。人性化操控介面 宙斯的使用者介面除了提供一般的多媒體影音之外，也可以用來對家中已裝設Octopus II傳輸模組的家電做簡易性的操作，還可以經由宙斯觀看那些散布在家中的各個感測器所感測到的資訊。接下來
12、，針對宙斯中的顯示頁面功能做進一步的說明。Home State使用者位置的監控、各區域光溫溼度的偵測、UPnP裝置的狀態與操控、各區域感測器電量與狀態回報。Appliance以無線遠端操控的各項家電設備，包含各區域電燈、咖啡機、電磁爐、CD音響等。My TV、My Video、My Picture、My Music結合多種影音系統，可以播放數位電視、影片、照片、各式音樂等。魔棒 它搭載了紅外線發射器、三軸加速規晶片及Octopus II。有這3項硬體設備的搭配，可以用來操控宙斯的中控系統與家電設備。魔棒具有兩種操控中控中心宙斯的模式。當使用者在客廳時，魔棒會自動切換為紅外線模式。紅外線發射是單
13、點發射，接收端透過這單點在2D平面上的移動方向與路徑做直覺式操作，並藉由藍芽無線傳輸來控制宙斯。當使用者在家中其他區域時，自動切換為三軸加速規模式。三軸加速規產生各軸加速度值，並藉由Octopus II傳輸出去，接收端會依據各個瞬時狀態下三軸的正負加速度值，依序形成3D立體空間中八個子空間中的移動方向，記魔棒搭載了紅外線發射器、三軸加速規晶片及Octopus II，可以用來操 控宙斯的中控系統與家電設備。通用即插即用設備轉接裝置科學發展 2010年3月，447期4342 科學發展 2010年3月，447期錄所有的移動路徑後，轉換為操控中控中心宙斯的行為。魔力拖鞋與紅外線定位系統 把拖鞋與Oct
14、opus II做結合，可以偵測出使用者目前在家中的位置，並給予相對應的權限。以優質生活體驗屋為例，把空間劃分為四大區域，在每個區域的地板下面各布置了一個Octopus II Sensor，並調整Octopus II至適當的感測範圍。當魔力拖鞋進入客廳時，魔力拖鞋上面的Octopus II會偵測到這一處Sensor的訊號，就可以定出使用者目前在家中的位置，完成大範圍的定位。當宙斯解析完魔力拖鞋的大範圍區域定位後，會自動開啟該區域的電燈，以達到燈光如影隨形的便利服務。此外，把人體紅外線感測定位功能嵌入各家電中，利用焦電型紅外線感測器感應人體放射出的紅外線，並調整紅外線的感應範圍到大約1公尺，以達到
15、近距離定位的效果。利用魔力拖鞋與人體紅外線感測分別做大小範圍定位，可以加強定位的正確性，再搭配魔棒進行相對應的手勢控制，啟動特定家電服務與功能。瓦斯偵測器 利用瓦斯煙霧感測器可以偵測廚房瓦斯是否外洩，如果感測器偵測到過高濃度的一氧化碳，就會啟動蜂鳴器，並經由Octopus II通知各家電關閉電源。家電控制模組 把Octopus II結合繼電器電路，利用繼電器以小電流控制大電流的概念，控制家電的電源開關，或利用繼電器的特性，產生一個訊號脈波來啟動家電的功能。此外，也結合Octopus II的RF與GPIO功能，使得家電可透過無線方式加以控制。無線感測網路核心技術 現今的WSN網路上的感測器大多只
16、負責傳遞感測的資料，不具大量運算的能力。而且其功能在燒錄階段就已經決定，若要資料更新，就必須把感測器硬體拆下，透過電腦把感測行為與功能燒錄至記憶體中。為了有效地應用感測器的硬體資源，以及可以讓感測器的功能具有擴充性，因而提出了封包編程的架構。它的燒錄方式是透過無線傳輸，把帶有行為模式的劇本檔傳送至要更新的感測器中，並且透過感測器內建的直譯器進行解析與更新。這樣一來，不需要拆下感測節點也可更新節點的行為，讓感測器除了以往的感測資料外，還具有群體運算及擴充或修改功能的能力。目前所開發出支援數位生活的家控服務整合平台宙斯，整合了不同的技術（OSGi、UPnP、DPWS及WSN），利用這些技術得以開發相關的設備與服務，並應用於成功大學優質生活體驗屋中，且可以發展到其他網路設備服務整合的領域上。將來還會持續研究系統穩定性與多個服務之間的決策機制，並把系統擴大至可以進行多人服務的規模。鄭憲宗成功大學資訊工程學系把拖鞋與Octopus II做結合，可以偵測出使用者目前在家
