系統需求環境

如 Figure 6 所示，建構本系統環境，需要數個或一個 Gateway、數個 Node、一台 Server 與 Data Center。以 Gateway 為 6LoWPAN 與 IPv4/IPv6 環境之分界，6LoWPAN

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為內網，IPv4/IPv6 為外網。Gateway 上接上支援 BLE 之 Bluetooth Dongle，可與 BLE Node 進行溝通，BLE Node 佈於 6LoWPAN 環境內，Node 收到 Gateway 之 Prefix 後並可自行 組成 IPv6，包含 link-local 與 Global address。BLE Node 接上感測器，可將此感測器的 資料透過 CoAP 傳遞至使用者端，並將相關資料儲存於 Data Center 內，詳細流程於 3.2.2

Tool-chain 交叉編譯，可使用 IAR Workbench、ARM mbed、GCC 或 Keil MDK，在本系 統中使用 Keil 版本 4 之試用版[34]設計 BLE Node，於 Keil 內撰寫 nRF51 IoT SDK[35]

令其符合本系統之需求，令 Node 能夠在取得 Gateway 發送的 Router Advertisement Message 後，自行組成 IPv6 位址(於 3.2.3 節介紹)。修改成 BLE 可支援 6LoWPAN(於 3.2.1.1 節介紹)，且取得 IP 位址後，即可使用 CoAP Server 所提供的資源(CoAP 協定於 3.2.5 節介紹)。此外，Keil 編譯過後產生 Hex 檔案，將此檔案透過使用支援 Segger J-Link[36]的官方程式 nRFgo Studio[37]燒入程式至開發板內。其詳細規格如 Table.1 所 列。

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Table.1 nRF51-DK 硬體規格[33]

SoC Nordic nRF51(both nRF51822 and nRF51422) support Bluetooth Smart, ANT and 2.4GHz proprietary application Hardware standard Arduino Uno Revision 3

Program CMSIS-DAP for mbed and tool-chain Debug Segger J-Link Lite

I/O 4LED and 4 button

USB drag/drop programming USB Virtual COM port for serial terminal

Accepts power USB, External source(1.8V~3.6V), Single 2032 coin-cell battery

3.2.1.1.1 6LoWPAN over BLE

近年來設備數量持續提升，如何連結各設備並運用在物聯網中，IPv6 是很好的解 決方法，並提供有效的 auto-configuration 功能。但由於 6LoWPAN 是為 Zigbee(IEEE

802.15.4)所設計，並不適合直接將 6LoWPAN 標準放入 BLE 中，因此，6LoWPAN 工作 組目前為適合在 BLE 上運用 6LoWPAN 協定規劃標準[17]，但尚未為 RFC 規範，而本 研究所實測到的 6LoWPAN 封包(於 4.3 節說明)並不為標準的 6LoWPAN 格式，但 Payload 含有 IPv6 位址資訊。且 Gateway 能夠將此封包還原成完整的 IPv6 封包。BLE 在 L2CAP 中 MTU 為 27byte[18][47]，L2CAP Header 佔 4byte，Protocol Data Unit (PDU)只有 23byte

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可供上層使用。但 IPv6 的封包為 1280byte 或更大，因此，要能夠運用在 BLE 中，須 有 L2CAP 的 分 割 與 重 組 之 功 能 。 此 外 ， Internet Protocol Support Profile

Specification(IPSP)[17]，IPSP 為支援網際網路所定義的 Profile，依照此 IPSP 的規則，

與目前相連的設備協調，選擇最小的 MTU，確保所有封包皆可有效傳輸。IPSP 能發現

於本系統所規劃之 Gateway 角色，以 Raspberry Pi 小型電腦設計 Gateway 原型，未 來將擴增使用 Smart Phone 支援本系統所設計之 Gateway 角色。目前本系統設計之智慧 型 Gateway 採用 Raspberry Pi[38](又稱樹莓派)，Raspberry Pi 為一款 Embedded Linux 系 統的小型電腦，與一般電腦相較之下，可節省許多電力消耗，適合運用於物聯網中。

Raspberry Pi 所 採 用 的 晶 片 為 Broadcom BCM2835 System on Chip ， 處 理 器 為 ARM1176JZF-S 700MHz。Raspberry Pi 官方與 Raspberry Pi 進階玩家提供多樣化的作業 系統，讓開發者可發展客製化的電腦，其他作業系統包含 Windows 10、Android、Unix 與 RISC OS 等，Raspberry Pi 移植系統相當容易，更改 SD 卡即可，燒錄與備份可透過 Win32 Disk Imager[39]完成。在本系統所開發之智慧型 Gateway 使用官方提供之

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Raspbian 作業系統。Raspberry Pi 上提供許多介面供開發者發展應用，包含 USB、GPIO、

HDMI、MIPI 相機與 I²S 介面等，詳細硬體規格如 Table.2 所列。

Table.2 Rapberry Pi 硬體規格[38]

SoC Broadcom BCM2835

CPU ARM1176JZF-S 700MHz

GPU Broadcom VideoCore IV, OpenGL ES 2.0, 1080p 30 h.264/MPEG-4 AVC

Operating Power 700ma

Operating Voltage

5v

GPIO 26 Pin

3.2.1.2.1 Gateway Kernel 設計

Linux Kernel[40]為系統上的檔案，而此檔案紀錄許多關於系統的資訊，包括驅動主 機與一些相關的模組，Linux 最大的優點就是使用者能透過編譯 Kernel 滿足使用上的需 求，達到客製化系統的目的，編譯 Kernel 的目的包含新功能的需求，而官方所提供的

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作業系統並不支援 6LoWPAN 需求，因此，為了讓 Gateway 具備支援藍牙的 6LoWPAN 能力，本系統設計之 Gateway 必須自行重新編譯 Linux Kernel 的功能，主要有兩種編譯 的方式，包含 Raspberry Pi 直接編譯與交叉編譯(Cross Compilation)，由於直接在

Raspberry Pi 上編譯受限於硬體規格，編譯的速度將非常緩慢，因此，本文採用交叉編 譯的方式組成自己所需要的系統，使用虛擬機器執行一般 Linux(如 Ubuntu 等)，首先，

必須先建立起 Tool-chain[41]的交叉編譯環境，設定為 Raspberry Pi 的 ARM 架構，並利 用選單的方式選擇 Kernel 功能(如 Figure 9 所示)，支援藍牙 6LoWPAN 之能力，編譯完 成後燒錄 image 檔至 Raspberry Pi 的 SD 內。此外，為支援 BLE 協定之 Bluetooth Dongle，

系統需安裝 BlueZ5.2[42]或更新版本，連接完成後，達到本系統所需之支援 6LoWPAN 的智慧型 Gateway。

Figure 9: Gateway Kernel 設定