智慧型監測技術~91

智慧型監測技術

監測之核心技術，不外乎是量測訊號後進行分析再進行判讀等技術，從訊號之量測、處理、傳輸到接收單元之系統架構如圖九所示。

圖九　系統架構圖

訊號的來源可以是壓力、風速、溫度、溼度、聲、光、電、振動、影像及超音波等等，經過轉換器（Transducer）轉換成電子訊號後經低通濾波器（LPF）作用後，再由類比/數位轉換器（A/D Converter）取樣及量化成數位信號後，再送至訊號處理單元，如圖十所示。

圖十　訊號量測單元

在實做上，圖十可以由個別元件組成，也可以用A/D卡、音效卡或擷取卡等來完成。

訊號處理的工作可以是下列之一或組合：頻譜分析、統計、特徵值抽取、辨認、系統識別等。圖九的訊號處理單元主要有三種不同的實現方式，第一種是客製化IC（ASIC）或FPGA，這種方式是把所需之訊號處理演算法整合在一顆IC上。第二種方式是以數位信號處理器（DSP）為運算核心，所需之演算法皆在DSP內完成，此種方式我們以DSP-Based架構稱呼。DSP-Based的方式若不牽涉到存入檔案或人機介面（與使用者互動）的問題，就不需與作業系統協同作業，然而若有前述之需要，就必須內嵌一個作業系統來處理，一般就稱為內嵌式作業系統。第三種方式是以PC的CPU為運算核心，訊號則從PC的插槽（slot）上的擷取卡輸入，此類用途一般都著眼於PC上之人機介面與資料儲存於檔案。

圖九中的傳輸及資料格式轉換單元，主要是要將處理及分析後之結果送到遠端。可以有許多不同的傳輸模式，每一個都會有各自的協定，所以需進行資料格式轉換。茲列舉幾個不同的傳輸方式，第一種為TCP/IP協定，我們可以把發射單元當作客戶端（Client），可以將所處理之後的結果送至遠端的伺服器（Server）。發射單元也可以實做成伺服端，可以接受遠端客戶端的查詢。此種架構也可做為遠端控制用，如圖十一所示。

圖十一　遠端控制架構

TCP/IP協定的底層可採用電話撥接、專線、UTP線或無線的連接線方式。其中無線的方式，當距離遠時可以透過個人行動通信系統的網路或藍芽（BlueTooth）系統。

傳送協定除了藉由TCP/IP之外，也可以透過RS232C或RS449等串列介面，或者使用數據專線但上層不是運作在TCP/IP協定，而是一些專屬的協定，例如終端機模式。

    前述三種傳送端及接收端之通信的優缺點比較如下所述。
     (一)接纜線通訊:亦即是透過電腦的串列介面或並介面利用電纜線直接相連，不需要調變解器，
        其缺點是距離不能太遠（約15公尺之內）。
     (二)使用電腦網路通訊:亦即是透電腦網路所提供的通信功能來傳遞信息。根據距離的遠近可以
         用區域型網路、都會型網路或是廣域型網路來實現，其缺點是:信號容易被截取，更改而導
         致安全性較低。
     (三)使用數據專線進行通訊:亦即是透過數據機（MODEM）經由專線來傳遞信息。其優點是距離
         可遠可近，且保密性較高。

在圖九之接收及展現單元可接收傳輸單元所傳送之資料並加以呈現。它可以是WAP手機、PDA、瀏覽器或執行於電腦或DSP上之應用程式。

在營建、電通、環工及機械等領域，目前的情況是很多量測系統都是國外廠商的天下，如何整合各領域之技術，建立自主的監測技術及培育是項技術之系統整合人才是一件很值得努力的事情。

建立符合圖九之系統架構之訊號擷取、處理、傳送及呈現等技術的研發及專題教學實驗室，是邁向整合及人才養成的第一步。本實驗室建立後，將提供各系研究生及大學部專題學生研發前述相關技術所需之設備及發展工具。

接下來，我們分別就前述之系統架構中，特別需要進一步加以說明的部分，也就是這個子題所要採購的硬體設備及系統發展工具之必要性進行說明如下。針對FPGA部分，由於積體電路製程技術愈來愈精密（已從微米邁入奈米），單位面積所能容納的閘數（Gate Count）也增加許多，實有必要採購新一代之數位邏輯發展系統。例如Altera 1k100和xilinx Spartan xc2s200，前者規格為10萬gates，後者則高達20萬gates，而且各含286I/O pins、6個週邊模組，以及豐富多樣的訊號處理演算法。

就DSP-Based架構方面，隨著數位訊號處理器（DSP）硬體結構和性能的不斷改善，其開發環境和支援軟體。也迅速發展起來了，用DSP來作即時（Real-time）處理已成為當今和未來技術發展的一個新焦點，也創造了前所未有的廣闊空間。系統即時性要求越來越嚴格，設計人員必須具有快速修改的能力以盡快滿足各種用戶隨時的特殊化要求，以適應市場競爭。這樣對軟體的可靠性要求越來越高，軟體的生命期（乃至是整個系統的生命期）也越來越短，產品上市前的開發時間也是一再被壓縮，因此軟體開發成本也相對在提高（如人力資源等等）。

工作的複雜度隨著產品競爭與使用需求而日益增高，同時人力的不足與產品上市時間（Time-To-Market）的急迫，更加重了應用開發者的壓力。因此，在發展內嵌式作業系統時，如何使用整合發展環境往往是致勝關鍵。為訓練學生具有這方面的經驗及能力，提供「Virtuoso即時作業系統與整合發展環境」是有必要的。

再就PC-Based的架構來說，我們之所以會採用此種架構，無非基於兩種考量，第一個是要能與使用者互動及提供即時觀看結果，第二個是經由介面卡可以擷取到外面環境的訊號。

雖然我們有這個期待，但當想出一個演算法想印證其可行性或建構成一個展示系統時，卻花很多時間在設計與使用者有關之介面程式，還有處理與介面卡之間的即時（real-time）要求，所以快速原型工具就因應而生。為了養成這方面的人才，我們擬建立快速原型（Rapid Prototyping）之實做環境，主要是RIDE企業版。

前面談到的是DSP部分。在通信上由於藍芽（Blue Tooth）技術的成熟，它作為近距離的傳輸/接收的解決方案已漸漸獲得大家的認可。將Blue Tooth發射/接收模組內建在量測單元及訊號處理單元是可預期的。在我們的計劃中，研發此方面之技術也是重點之一。我們將購置Blue Tooth實驗系統來完成此項工作。