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中 華 大 學

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Academic year: 2022

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中 華 大 學 碩 士 論 文

題目:建構一個具空間定位能力之行動式資訊服 務系統

系 所 別:資訊工程研究所 學號姓名:E08902009 余坤舟 指導教授:游坤明

中華民國 92 年 7 月

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摘要

近幾年來嵌入系統快速成長,可攜式產品與無線通訊技術的大幅進步,傳統 的定點式網路通訊模式,已不能滿足使用者的需求,因此行動通訊便成為一個新 的需求。人們希望在任何時間、任何地點,使用可攜式產品透過有線或無線介面 來連上網路,由於行動通訊的快速發展,行動計算結合行動通訊也成為新的研究 方向。

行動通訊中如何計算空間定位是一個重要的研究課題,一般無線通訊大都是 結合全球衛星定位系統來達成,但是使用全球衛星定位系進行定位必須在室外,

因為在室內無法收到所需之衛星訊號來進行定位,而且使用全球衛星定位系統所 得的定位資訊有較大的距離誤差,這對於精準度需求較高的應用系統便無法採用 此種方式來進行定位。

本研究利用個人數位助理方便攜帶及且具無線傳輸功能的特性,採用紅外線 來進行室內高精確度的空間定位功能,建構出一個具自我定位能力的行動式圖書 館資訊服務系統。在此服務系統中,師生可以在圖書館內,隨時隨地不受時空限 制,查詢書籍詳細資料、借閱狀況、擺放位置,更可以顯示出使用者目前位置與 欲尋找之書籍的相對位置,並且利用個人數位助理之多媒體顯示功能,以更生動 更活潑的方式提供圖書館另類的服務。

關鍵字: 行動通訊,全球定位系統 ,個人數位助理,紅外線通訊協定,嵌 入系統

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Abstract

The Embedded System has been grown rapidly in the past few years. The Wireless products and wireless communication technology have also made a great progress in the same time. The traditional wire base network communication can not satisfy the users need. People hope to use the mobile products through cable or wireless medium to surf the Internet.

Because of the rapid growing of Wireless communication, to connect the mobile computation has become a research trend.

In mobile communication, how to obtain the exact space positioning is an important issue. Most of them apply the Global Positioning System to achieve the goal.

However, the Global Positioning System positioning is limited to use in the it can not be correctly positioned in indoors. Also the precision of Global Positioning System is limited. Most of the exhibitions and libraries are indoors, so there must be some other ways to proceed space positioning.

We proposed a self positioning infrastructure, Which can exactly air the position information in indoors, In this thesis, We uses PDA to be the platforms since its portable and wireless features. We also adopts an infrared ray to achieve the goals of the space positioning function, In this thesis constructed a self-positioning system of the portable library information service. In the system, the Users can remotely obtain the desired information, the situation of the books, and where they are located.

Also, it can display the relatively position between the users. And the books they are looking for. Furthermore, it has multimedia capability, and provides the users with different services and choices.

(8)

Key Word : Mobile communication,Global Positioning System PDA

IrDAembedded system

(9)

目錄

第一章 緒論

--- 1

1-1 研究動機 --- 2

1-2 研究目標 --- 2

1-3 研究方法 --- 3

1-4 論文架構 --- 4

第二章 相關研究

--- 5

2-1 PDA 作業系統 --- 5

2-2 PDA 應用程式開發系統 --- 10

2-3 802.11b --- 13

2-4 GPS 定位原理 --- 15

2-5 IrDa 紅外線通訊--- 16

第三章 定位技術研究

--- 18

3-1 雙軸定位法 --- 19

3-2 單軸定位法 --- 21

3-3 接近定位法 --- 23

第四章 系統架構 --- 25

第五章 系統實作 --- 30

(10)

5-1 PDA 硬體 --- 30

5-2

位置的識別 --- 33

5-3 PDA 應用軟體 --- 37

5-4

管理程式 --- 40

第六章 結論 --- 47

參考文獻 --- 49

(11)

圖目錄

圖 3-1(A)IGS 與 CCU 關係圖 --- 19

圖 3-1(B) 位置計算法--- 20

圖 3-2(A) 單軸定位法近距離 --- 22

圖 3-2(B) 單軸定位法遠距離 --- 23

圖 4(A) 基本架構圖 --- 27

圖 4(B) IGS 基本架構--- 28

圖 4(C): CCU 的基本架構 --- 29

圖 5-2(A) 雙軸定位法測試結果 --- 33

圖 5-2(B) 雙軸定位法測試結果 --- 33

圖 5-2(C) 雙軸定位法測試結果 --- 34

圖 5-2(D) 雙軸定位法測試結果 --- 34

圖 5-2(E) 雙軸定位法測試結果--- 34

圖 5-2(F) 雙軸定位法測試結果--- 34

圖 5-2(G) 雙軸定位法測試結果 --- 35

圖 5-2(H) 雙軸定位法測試結果 --- 35

圖 5-2(I) 雙軸定位法測試結果 --- 35

圖 5-2(J) 雙軸定位法測試結果 --- 35

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圖 5-2(K) 雙軸定位法測試結果 --- 36

圖 5-3(A) PDA Emulator 展示--- 38

圖 5-3(B) PDA Emulator 展示--- 38

圖 5-3(C) PDA Emulator 展示--- 38

圖 5-3(D) PDA Emulator 展示--- 38

圖 5-3(E) PDA Emulator 展示 --- 39

圖 5-4(A) 系統主畫面--- 41

圖 5-4(B) 學生資料維護功能畫面 --- 41

圖 5-4(C) 書籍資料維護功能畫面 --- 42

圖 5-4(D) 書籍借閱及歸還主功能畫面--- 42

圖 5-4(E) 書籍借閱功能登錄資料畫面 --- 43

圖 5-4(F) 書籍借閱功能登錄資料完成畫面 --- 43

圖 5-4(G) 書籍歸還功能登錄資料畫面--- 44

圖 5-4(H)書籍歸還功能登錄資料完成畫面 --- 44

圖 5-4(I) 查詢書籍借閱記錄登錄借書證號畫面 --- 45

圖 5-4(J) 查詢書籍借閱記錄回應結果畫面--- 45

圖 5-4 (K) 查詢特定書籍所有借閱記錄回應結果畫面 ---- 46

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表目錄

表 5-1 IPAQ 3850 的規格 --- 30

表 5-2 WL110 無線網卡規格特性表 --- 32

(14)

第一章 緒論

1.1 研究動機

全球定位系統與電子地圖所組成的GIS[9] [11] [19]系統,可以得知目前使用 者所在的位置。並且透過無線通訊系統,可提供各種即時資訊及位置資訊,以提 供使用者可以藉以得到最快、最短路徑,並且選擇最優的前進路線。最常見的空 間定位方式是與全球衛星定位系[10]結合,但是先決條件必須要在室外使用,因 為如果在室內就收不到全球衛星定位系衛星訊號了,也就是說在室內環境中無法 使用全球衛星定位系進行空間定位方式。另一方面在各種展覽館或圖書館中若能 提供適當且即時的資訊服務,將能有效提昇服務品質,縮短服務時間。在室內環 境中,一般參觀者經常會為了搜尋某樣商品或書籍而浪費許多的寶貴時間,或是 已經找到所想要的東西時,卻找不到可以詢問的人員介紹該項物品的相關訊息,

此種無法於適當時間內提供且即時適當的資訊服務皆是一件相當可惜的事。

如果有一個便利的資訊服務系統,整合多媒體導覽系統、空間定位系統、資 料庫系統、交易系統、無線通訊於一個可攜帶的資訊設備,在能符合上述的要求。

近 年 來 由 於 行 動 通 訊 的 快 速 發 展 , 在 行 動 網 路 結 合 資 訊 家 電 (Information Appliance)[8] 的 應 用 上 也 成 為 新 的 思 考 方 向 。 近 年 來 個 人 數 位 助 理 PDA (Personal Digital Assistant )蓬勃發展,在以往不容易達成的功能現在幾乎可以 達成了。

PDA無線通訊可利用無線電波及紅外線兩種,無線電波在許多環境會影響電 子性產品而受到許多限制,紅外線則無此限制,目前許多室內無線遙控通訊都利 用紅外線來達成。紅外線因有容易控制方向、距離、不受無線電波干擾的優點,

根據這些特性,建構許多使用額外的紅外線發射裝置,在室內封閉空間設置在特

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定位置上,每一紅外線發射設備給予一個特定的編碼,任何一個行動設備於有效 範圍內,自動接收該位置經過編碼程序的紅外線訊號,便能區別是那個紅外線裝 置所發射的訊息,根據所接收到的訊息資料,行動設備就可以定位出目前所在地 空間位置。

本研究利用PDA體積小重量輕方便攜帶來取代以往使用較重體積較大的筆 記型電腦及可無線傳輸的特性來發展並結合紅外線定位系統,可以讓使用者在圖 書館中,隨時隨地不受時空限制,查詢書籍詳細資料,並且得知書籍擺放位置與 使用者目前位置的相對位置圖,供使用者便利獲取更多資源。充分利用PDA可以 展現多媒體特色,以更生動更活潑的方式提供圖書館多元的服務。

1. 2 研究目標

為了達到能在適當時間於適當地點提供適當的資訊服務的目的,本研究提出 一個即時定位機制,在短時間之內能有效地自我定位,並且使用PDA無線傳輸協 定及資料庫系統等實際建構出一套圖書館資訊服務系統[2][10]。本研究針對如何 以PDA攜帶方便搭配獨特定位功能加以研究探討。

本系統中位置辨識時間約小於1秒,只要在同一地點停留1秒內,PDA即可 辨識使用者目前的位置,或者要找的書籍目前在什麼相對位置,並以PDA圖形[9]

顯示位置,並以游標的方式提醒指示,可以加速所有想要找的書籍或是書籍相關 資訊,相對的可以節省相當的時間及人力。

本系統在查詢書籍資料時,除了可以指示書籍存放位置外,並且可以多媒體 方式集聲光影音互動式的來介紹該書的內容簡介摘要,讓讀者對該書籍有更深一 層的認識,幫助使用者了解該書是否是使用者所要的。除此之外借閱書籍記錄(或 其他交易資料)可以儲存在PDA中,使用者可以隨時隨地查詢過去所有的借閱資 料(或其他交易資料),也可以下載到個人電腦中加以儲存利用。

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本研究提供一個使用PDA可以在圖書館或室內中快速定位出使用者位置,進 而提供使用者以圖形方式標示出欲尋找書籍的位置,並且透過無線通訊802.11b 網路協定[10][11]連結後端的資料庫,即可提供使用者所須的資料訊息,或其他 交易動作,也就是說本研究最終目的在提高圖書館整體效率及節省使用者時間。

1.3 研究方法

為了達成上節所述之各項目標,本研究可區分為文獻探討與方法研究以及系 統設計及測試等兩大項目分別敘述如下 :

(1) 文獻探討與方法研究 本階段之方向有三大方法。

(一)、研究目前適合室內使用的空間定位之方式及分析其優劣。

(二)、擬定空間定位各系統模組開發相關細節。

(三)、開發PDA各項程式與空間定位模組搭配來完成本研究所制定之目 標,並且考慮其日後功能擴充及普及性。

(2) 系統設計及測試

(一)本階段之研究方法將比較可行的定位方式加以設計並建置。

(二)本階段之建置完成之成果完成測試報告。

(三)本階段根據測試報告結果選擇最優之方法。

(四)PDA主體程式設計。

(五)PDA主體程式測試。

(六)管理性程式設計及測試。

(六)整體總測試。

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1.4 論文架構

本論文共分為六章。第一章緒論,首先說明本論文的研究背景與動機,其次 說明本研究所遭遇到的相關問題,最後是研究本論文的目的及章節提要。第二章 為相關的背景研究,包含了PDA作業系統目前的現況、PDA相關的無線傳輸方 式、PDA本機的資料庫與後端的SQL SERVER同步技術。第三章定位技術的研 究探討。第四章系統硬體及軟體架構的說明。第五章為本研究的實作說明及實作 結果。最後在第六章做一結論並說明本研究之未來展望。

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第二章 相關研究

本研究最主要的目的是建構一個具空間定位能力之行動式資訊服務系統。要 達到這樣的目的就必須要有一個便利可攜帶的資訊設備。以目前來評估 PDA 較 能符合輕薄短小的特性是比較可行的選擇的行動資訊服務系統。其次空間定位系 統是本研究的重點所在以目前來說全球衛星定位系是最熱門人選。為了能讓 PDA 能達成我們所要求的功能所以必須要能夠規劃 PDA 程式,故選擇一項規劃 程式的工具也是一個成功的關鍵。有了整個的實體後就要靠無線通訊來整合及溝 通的橋樑,所以無線通訊範疇下的無線電通訊及紅外線通訊也就成為研究的重點 了。以下便是針對本研究所涉及的相關研究探討。

2.1 PDA 作業系統

本研究是採個人數位助理(PDA )輕巧實用性高的特性,可降低行動端的硬體 需求、成本。PDA皆具備完整圖形操作介面、網際網路及通訊功能。以無線網路 連接上有線網路後,可隨時隨地、無限制擷取廣大而分散在各處的資訊,因為操 作簡單所以使用者很容易就可以熟悉操作要領。

嵌入式技術的應用是大部份在掌上型數位助理器上(PDA)。3Com公司所生 產的Palm系列由於其投入市場較早,因而相關之應用軟體與開發廠家較多,曾 經風靡一時。甚至造成一機難求之盛況,而這股旋風也隨著美國傳進台灣。Palm 系列亦成為眾人注目的焦點與資訊媒體的寵兒。然而微軟鑒於掌上型數位助理器 市場日益擴大與嵌入式市場之潛力,推出Windows CE[5][7][16]與之分庭抗禮。

雖然期間國內資策會與其他廠家亦有推出自有品牌之作業系統的動作。然概觀而 論,目前就掌上型數位助理器市場而言,Windows CE與Palm OS[4] 是兩大主 要陣營。

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而言有WinCE 、Palm、EPOC其特性可以和其他平台相容,如與Windows、

Mac 資料互轉分享。

封閉式架構就系統 :

如一般市面上的股票機、電腦字典、電子地圖機等等其特性就是功能已經固 定,如果要求改變功能或是與外界進行資料的傳遞非常困難甚至不可能。

就系統而言目前PDA市場中兩大陣營是Palm OS 與 Windows CE。

現在PDA的市場Windows CE只佔三成而Palm佔七成,所以現在是由Palm 領先一步,但Windows CE出來後這情形會慢慢的拉近,現階段Palm主打是實用 方面,而Windows CE幾乎主打多媒體效果,兩者不盡相同。無論是Windows CE 或Palm都是會與通訊科技相結合,如Blue Tooth 、GSM[1][13]、GPRS、CDMA 以及全球衛星定位系等,如此才能連上網路更增加PDA的實用性。

Pocket PC的產品運算能力遠在Palm Series之上,可以執行複雜的運算,手 持式裝置結合多媒體也是非常具有創意的產品,但是以Palm Series的成功似乎 不是在講究運算能力的提升,而是在解決一般商務人士的需求,其他多媒體娛樂 的需求似乎是其次。Pocket PC在彩色螢幕耗電問題無法克服,售價居高不下,

系統即時性不佳等問題無法有效解決的情況下Palm還是有市場主流地位。

目前PDA架構上區分為開放式架構與封閉式架構兩種。

開放式架構就系統 :

Palm OS :

設計理念傾向於精簡化、效率化的輔助公功能,與比較WINCE使用起 來像是電腦上的DOS無法達成多工處理,但是近年來可以以軟體來達到相同 功能。由於Palm 的程式體積小、耗電遠比WINCE小,現在已成為世界上最 多人使用的機種。

在WINDOWS CE 部份:

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WINDOWS CE目前已經發展到Pocket PC 2002的版本,這個作業系統本身 是一個純32位元的作業系統(和Windows NT一樣,Windows95、Windows98 則為32位元與16位元並存,DOS則為16位元的作業系統),所以沒有辦法執行 16位元的應用程式;而且在編碼方面,是採用Unicode的編碼方式(Windows NT 為Unicode與ASCII共存,Windows95, Windows98則為ASCII的編碼方式),所 以若想要設計一個程式能讀取ASCII的文字例如,網頁瀏覽會傳入ASCII的編碼 方式,則字元的顯示都是用兩個bytes做資料的存取,Pocket PC 2002也是一個 多工、多執行緒的作業系統,亦即可以在掌上型電腦上一邊聽MP3、一邊看電子 書,或是一邊使用筆記本記事,一邊採取網路上電子郵件的內容,同時進行的多 工如此一來便可以一邊進行資料通訊同時進行位置識別工作。

Pocket PC支援網路卡、數據機、PCMCIA、紅外線傳輸以及可擴充的 Compact Flash(CF)插槽也支援,所以可以透過無線網卡利用無線的Hub連上 網路,也可以透CF卡數據機直接撥接上網或是使用64MB或是12MB的CF記憶卡 充當硬碟,直接透過Pocket PC 2002的紅外線功能直接上網。

Pocket PC 2002也可以在低的記憶體的執行環境中保持高效率及延展性。

可以利用Pocket PC 2002作業系統接連接到網際網路存取信,並透過Pocket IE 直接連接到後方資料庫進行媒體的交換動作。

Pocket PC 2002最大的好處是,它的使用者界面和傳統的Windows 界面幾 乎沒有什麼改變,如果使用者本來就很熟悉Windows 作業系統,那也可以很快 的熟悉PDA的操作,以使圖書館中所借用的PDA可以讓使用者正確快速的使用本 系統。

以下簡單描述有關Pocket PC 2002作業系統的特色及能力:

(一) 和 Windows NT 與 Windows 2000 的 API 相容。

(二) 多工與多執行緒的觀念。

(三) 虛擬記憶體的架構。

(四) 檔案系統及屬性資料庫的支援

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(五) 支援 TCP/IP 與 HTTP 的溝通。

(六) 可以存取 Windows NT 與 Windows 2000 的網路資源。

(七) 序列埠的連接能力。

(八) 可透過 ADCE (ActiveX Data Objects for Pocket PC 2002)連接資料庫的 資料。

(九) COM(Component Object Model)[2]物件的支援,可以用來建立一個以 COM 基礎的軟體。

(十) DCOM(Distributed Component Object Model)物件的支援,可以用來支 援 Windows 分取式架構軟體的建立。

(十一) 可以透過 ActiveSync 和個人電腦做同步的工作,使得雙方的資料能夠 互相的傳送。

本系統所研究的架構實際上是進行一個模組化的作業系統。本系統的模組 化,代表本系統可以將作業系統所以要的部分程式內容抽取出來。Pocket PC 2002也可以成為一個伺服器等級的作業系統,支援了完整的HTTP伺服器元件,

以及ISAPI Extension 。當然COM元件的支援也是有的,在前個版本的Pocket PC 2002中,COM元件只支援單一執行緒的In-Process Server,在Pocket PC 2002中,COM元件支援了In-Process,也支援 Out-of-Process的COM物件,並 提供了所有的執行緒模式。也許在不久的將來,Pocket PC 2002也將開始支援 DCOM物件的使用(Windows NT 4.0 SP3支援DCOM物件)。不過,若是Pocket PC 2002支援DCOM的話,其執行方式和NT的DCOM會有些不一樣,因為Pocket PC 2002本身缺乏了NT所特有的安全模式,所以在Pocket PC 2002的DCOM物 件將會以RPC(Remote Procedure Code)的方式存在。

Microsoft Message Queue Services(MSMQ),用來支援分取式應用程式。

MSMQ在Pocket PC 2002上開發是會有些限制的,因為Pocket PC 2002中的應 用程式,是以Peer-to-Peer的設計方式,而不是使用NT的集中網域的管理方式。

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在Pocket PC 2002版本之前作業系統的執行緒模式:每個程式在執行時都 會被分到一個執行緒(Thread),每個執行緒都有一個優先權(Priority),優 先權的號碼分為8個等級,而當程式的執行緒被分到較高的優先權時,它的執行 順序會優先於執行順序低的執行緒。若是兩個執行緒或是三個執行緒的優先權都 一樣的話,則程式式會採用「先進先出」的Round-Robin執行方式,也就是執行 A的執行緒25 milliseconds 之後,切換到B的執行緒,再過25 milliseconds之後,

再切換回A的執行緒,直到整個程式執行結束。不過有例外的情形,是有可能破 壞這種緒行緒模式的。

如果一個優先權較低的執行緒佔據了一些重要的資源,使得優先權較高的執 行緒必須有等待優先權較低的執行緒釋放重要的資源,此時,這個優先權較低的 執行緒其優先權會動態的調整,比原來那個優先權較高的執行緒還要更高,當它 釋放了重要的資之後,它的優先權就會降回原來的低等級會態。這個稱之Priority Inversion,而且,這個突然竄升為最高等級的優先權,稱之為Time Critical。而 這個排程執行緒的方式在Pocket PC 2002的版本中,做了一些擴充。首先,它 先8個優先權等少增加到256個(Pocket PC 2002的預覽版本中,本來只有32個 等級,後來又多加了224個)。除此之外,執行緒排程的規則也做了一些的修改。

Quantum的名詞,它的意思是兩個相同優先權的執行緒多久該切換的時間。在 Pocket PC 2002的版本中,這個時間可以自己定義的,也就是說,程式開發者 可以自行定義Quantum的時間大小,因此,比較喜歡的執行緒就可以擁有較大的 Quantum。

內定執行緒Quantum是100milliseconds,是其他系統版本25 milliseconds 的四倍大小。而OEM的廠商可以自行修改預設的Quantum大小。當然,擁有高 優先權的執行緒其執行順序還是高於低優先權的執行緒,除非低優先權的執行緒 佔據了一些重要的資源還沒有釋放,才會發生之前所謂的Priority Inversion。除 了PIM(Personal Information Management;個人資訊管理)的相關程式之外(例 如:聯終人、行事曆、工作、可錄音的記事本),還提供了相當多的內建程式,

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例如信箱(連到網路收信)、媒體播放程式(可以播放MP3及WMA的檔案)、

Pocket Excel以及Pocket Word(可以直接將個人電腦上的Word及Excel轉換成 Pocket PC 2002版本的Pocket Excel以及Pocket Word)。

2.2 PDA 應用程式開發系統

目前Palm軟體開發工具遠比Windows CE多,其開發工具如以下介紹:

1.Metrowerks CodeWarrior :

這是Palm Computing公司所推薦為Palm作程式設計的「官方工具」,

也是目前最多人使用的開發軟體,它使用C/C++語言,可編譯Palm的可執 行檔,有視覺化的IDE,如同使用Microsoft Visual係列或Borland Delphi等 等RAD的感受,適合專案發展者使用。

2.GNU GCC 及 PRC-Tools

這 是 自 由 軟 體 協 會 所 開 發 免 費 軟 體 , 包 括 GNU GCC 、 PRC-Tools(Motorola 68K Cross Compiler)、PilRC等等。就和Linux一樣是 由許多人義務所合力完成,除了設定有一點難度外,一樣可產生高執行效率 的Palm可執行檔,但原本欠缺的IDE視覺介面,目前也有人在發展中。

3.PocketC

使用C語言令一選擇,使用容易,可在Palm少寫程式,編譯產生bytecode 檔,需要安裝PocketC的虛擬主機(Virtual machine)來執行。

4.CASL

一種類似BASIC的程式語言,強調跨平台的能力,程式編譯後產生 p-code就可在不同平台的Virtual machine執行,這好像跟Java的訴求有點 像,這好像跟Java的訴求有點像。需要在平台上安裝CASL VM。

5.Java

Sun microsystem 推出了J2ME(Java 2 Micro Edition),功能比標準 的Java VM,必須安裝在Palm中,目前Kjava還在Beta測試階段中,強調

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「Write once , use anywhere」的Java,面對介面異於桌上電腦的IA,目前 Java在Palm上仍然遇到相同執行效率較低得問題。

6.Basic

是一個免費的Basic直譯器叫BasPad,提供程式初學者一個簡易的工具。

7.ASDK

包 括 Palm assembler compiler 等 組 合 語 言 工 具 , 提 供 組 譯

(Assembler)等工作的需求。

從技術的角度而言:最大的利基來自於與傳統Windows作業系統相近的開發 模式與開發工具。以過去在Windows 作業平台上開發而言,使用C++與BASIC 語言可說是普遍而常見的。當作業平台轉移到Embedded System時,仍然可以 相同的程式語言與開發工具,將可使人力資源轉換的時間降低。

Embedded System 家族主要包括:Windows CE3.0與Embedded NT4.0。

以下分別就其特色來介紹:

Windows CE 3.0:

Windows CE 3.0主要的特色在於其系統沒有傳統產品必須向下相容的包 袱,因此系統單純使用32-bit API,可以節省系統執行時間;並且它也是Windows 系列產品中最小的。

就設計理念而論,Windows CE具備下列特性:

(一) 可以增加作業系統彈性這是由於Windows CE3.0採取了彈性元件 的設計理念,有別於傳統Windows產品是以通用目的為考量。windows CE 3.0強調了Customerlize(客製化)與彈性,也就是說Windows CE 3.0可以被 分割成若干個別的元件。

由設計者或系統整合廠商視需求增加或刪除之。這樣的優點來自於有助於節 省記憶儲存裝置,因而降低了系統的成本。Windows CE 3.0可以被分割成202

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個模組(EXE/DLL),每個模組還可以被分割成若干元件。在多語系的支援方面,

支援了Unicode,並且支援10種國家的語言。

(二) 即時(Real Time)效能的提昇

Windows CE 3.0加強了Windows CE 2.11在即時方面的能力。其中就具備 優先權的中斷呼叫而言,就由8個大幅提升到256個,並且對於對於高優先權之 中斷提供巢狀中斷的支援。

(三) 硬體支援

以Windows CE 3.0 支援了5大系列的32位元的CPU。包括:ARM/Strong Arm, MIPS, PPC,SH3/4,x86,超過180種CPU可供使用,其他硬體的支援包括 PCMCIA, PC Card, PCI, ISA, CF, USB, IrDA等。

(四) 最新的科技

包括Active X Data Object, Internet Explorer 4 Class Brower Control, Integrated HTTP Server, COM/DCOM, MSMQ等。

(五) 支援目前常見的網路通訊協定

Windows CE 3.0內建有包括PPP, SLIP, TAPI, IrRA, CHAP等常見通訊協 定,並且支援Windows 2000等級的TCP/IP[2][17][18]通訊協定。這同包含了無 線通訊部分。此外,在電話通訊的支援方面,提供了TAPI 2.1通訊協定。

(六) 發展工具

本系統就應用程式[9][15][16][17]方面的開發者而言,提供了C++與Visual Basic語言以供程式開發(Embedded Visual C++與Embedded Visual Basic)﹔對 於系統開發廠商者,微軟公司提供了Platform Builder 3.0開發工具,協助系統整 合廠商製作客製化的作業系統,並且提供硬體支援除錯功能。

Windows Embedded NT 4.0移植自微軟公司著名的作業系統Windows NT 4.0,因此具備有Windwos NT 4.0之主要功能。並具有下列幾項特色:

(1)元件化的模組設計

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傳統的Windows NT 4.0基於通用化的設計理念,且在修改系統的彈性上較 差因此作業系統頗為龐大。因此,在滿足客戶精簡化的系統架構與特殊的專業用 途上,所能給予的支援較差。在Embedded System的設計理念下,Embedded Windows NT 4.0得以分解成若干模組,視各個開發廠家之不同需求,以彈性的 調整其作業系統,並可以有效的降低硬體成本。

(2)支援以Microsoft Visual Studio工具發展之應用程式

Embedded NT 4.0 可以執行Microsoft Visual Studio工具發展之應用程式。

使得大部分的既有架構在傳統Windows NT 4.0 作業平台上的應用程式可以輕 易的移植到Embedded NT 4.0上執行,這點可以降低開發人員因為平台轉移所付 出之時間成本,並且有助於與既有之系統作整合。

在Windows CE 3.0的應用程式開發上,微軟公司推出了Embedded Visual Tools;由Embedded Visual Basic 與Embedded Visual C++作為開發應用程式 的利器。

保有傳統Microsoft Visual Studio工具十分相似的操作介面。在Embedded Windows NT 4.0的應用程式開發上,則可以沿用Microsoft Visual Studio[18]工 具。另外在系統開發方面,推出了Embedded Platform Builder 3.0作為主要的開 發工具。提供了強大之硬體除錯功能,並可以發展客製化系統的SDK。

2.3 802.11b

IEEE 802.11b(又稱Wi-Fi)規格是 IEEE 組織在 1999 年 9 月所制定出 來的高速無線區域網路標準,因當初802.11規格制定時,所定義的速率是在 1 至 2 Mbps左右,而 802.11b 則可高達 11 Mbps,不但在資料的傳輸速率上大大 的提昇,而且與原先的 802.1 1規格是完全相容的。

IEEE 802.11b 規格當初發展的目的是為了提昇企業內部網路通訊的機動 性、節省安裝有線區域網路的成本、以及更彈性的利用網路上有限的資源,所以 802.11b 是一項被設計用來進行長距離或高速數據資料傳輸的技術。

(27)

IEEE802.11b 無線資料傳輸技術所採用的傳輸媒介, "藍芽"無線傳輸技術一 樣,也是透過無線電波的技術來達成傳輸資料的目的,因此 802.11b 的資料傳 輸也具有全方位的傳輸特性,即沒有所謂角度或方向性的限制,並且能夠穿透障 礙物而完成資料傳輸的工作。802.11b 非常適合在室內的環境下使用,只需在室 內部架設一個無線橋接器(Access Point),則在其有效發射範圍內,就可以跟 裝有無線網路卡的電腦達到網路連線的目的,同時 802.11 b 無線傳輸技術在室 內的傳輸距離可達 100 公尺之遠,傳輸速率最快也可達 11 Mbps,如搭配上強 波器,則可資料的有效傳輸可以更遠(300 公尺)。這對於用在一般上網、資料 傳輸工作來講,其實已綽綽有餘,而且對行動式的工作者來說,也能解決傳統有 線網路環境下的限制。因為以上的特點,所以 802.11b 極適合用於在原有的有 線區域網路(LAN)下作延伸的佈局,亦或是完全取代現有的有線區域網路,因 其可架構出與有線區域網路完全相同的功能。

IEEE 802.11b 和其他無線技術一樣,亦需考量資料的傳輸安全性問題,因 此其有內建基本的加密機制,稱為 Wired Equivalent Privacy Mechanism,但此 加密機制僅能防止一般的資料竊聽,所以當資料傳輸時,尚需配合個人防火墻或 透過 VPN(Virtual Private Network,虛擬私人網路)的加密技術連結到公司網 路,以確保資料在傳輸上的安全及機密性。

IEEE 802.11b 和 Bluetooth 的 無 線 電 波 頻 率 都 是 使 用 ISM 頻 段

(Industrial Scientific Medical Band:此頻段主要是開放給工業、科學及醫學三 個主要機構使用)2.4GHz 的高頻率範圍,所以若在幾公尺範圍之內,同時存在 802.11b 及 Bluetooth 技術運作時,則彼此會產生干擾的情況,甚至會有所謂"

蓋台"(當受到相同頻率的通訊干擾時,而導致完全無法通訊的狀況)的現象發 生。因此後來延伸出來另一個無線區域網路規格:其還是遵循 802.11 的標準,

但其無線電波頻率採用的是 5.2GHz,所以不會有無線網路產品的干擾問題,且 其頻寬可高達 54 Mbps,將近是 802.11b 的五倍,故其蠻適用處理類似影音資 訊的大量資料傳遞應用,但其唯一的缺憾是資料有效傳輸距離只有 50 公尺,

(28)

而且 802.11a 的規格無法跟現有符合 802.11b 規格的產品相容,所以這也是一 個頭痛的問題。不過日前 IEEE 這個組織又推出了 IEEE 802.11g 的無線網路 標準,號稱 802.11g 可媲美 802.11a 的資料傳輸速率,其安全機制比 802.11b 較完善,還有另一個重點就是它可以跟 802.11b 規格相容,因其也是使用 2.4GHz 頻率

2.4 全球衛星定位系定位介紹

全球衛星定位系統(Global Positioning System,全球衛星定位系)是由美國 政府所發展,整個系統約分成下列三個部份:

太空衛星部份:由 24 顆繞極衛星所組成,分成六個軌道,運行於約 20200 公里的高空,繞行地球一周約 12 小時。每個衛星均持續著發射載有衛星軌道資 料及時間的無線電波,提供地球上的各種接收機來應用。

地面管制部份:這是為了追蹤及控制上述衛星運轉,所設置的地面管制站,

主要工作為負責修正與維護每個衛星能保持正常運轉的各項參數資料,以確保每 個衛星都能提供正確的訊息給使用者接收機來接收。

使用者接收機:追蹤所有的 全球衛星定位系衛星,並即時地計算出接收機所 在位置的座標、移動速度及時間,GARMIN 全球衛星定位系 即屬於此部份。一 般民間所能擁有及應用的,就是第三部份。計算原理為:每個太空衛星在運行時,

任一時刻都有一個座標值來代表其位置所在(已知值),接收機所在的位置座標 為未知值,而太空衛星的訊息在傳送過程中,所需耗費的時間,可經由比對衛星 時鐘與接收機內的時鐘計算之,將此時間差值乘以電波傳送速度(一般定為光 速),就可計算出太空衛星與使用者接收機間的距離,如此就可依三角向量關係 來列出一個相關的方程式。

一般使用的接收機就是依上述原理來計算出所在位置的座標資料,每接收到 一顆衛星就可列出一個相關的方程式,因此在至少收到三衛星後,即可計算出平

(29)

面座標(經緯度)值,收到四顆則加上高程值,五顆以上更可提高準確度,這就 是 全球衛星定位系的基本定位原理。一般來說,使用者接收機每一秒鐘的座標 資料都是最新的,也就是說接收機會自動不斷地接收衛星訊息,並即時地計算其 所在位置的座標資料,如此使用者便不需擔心是否接收機顯示的資料太舊或是不 準確了。

由於衛星是處在相當高的運行軌道上,其傳送的訊號是相當的微弱,因此它 不像一般通訊無線電或大哥大等可在室內使用或收到訊號,在使用時需注意下列 事項:

(一) 需在室外及天空開闊度較佳之地方才能使用,否則若大部份之衛星信號被 建築物、金屬遮蓋物、濃密樹林等所阻擋,接收機將無法獲得足夠的衛星 訊息來計算出所在位置之座標。

(二) .無法在具 1.57 GHz 左右之強電波環境下使用,因此環境易將衛星訊息遮 蓋掉,造成接收機無法獲得足夠的衛星訊息來計算出所在位置之座標,尤 其是高壓電塔下方。

(三) 單純 全球衛星定位系 所計算出的高程值,並非是一般所說的海拔高度及 氣壓計量測的飛行高度,原因在於所使用的海平面基準點不同,因此在使 用時請務必注意此點。

2-5 IrDA (Infrared Data Association) 紅外線通訊

1993 年成立的非營利組織,創立廠商有美國 HP、IBM 及日本 Sharp、Sony 等,主要是整合資訊週邊紅外線傳輸裝置,目的是建立紅外線短距離無線傳輸之 統一標準,並開發關聯之新技術與新市場。初期以低價位,點對點(point-to-point ) 及串列紅外線標準為主。主要訴求有三,分別是低價位,近距離傳輸及移動式裝 置;並於次年推出 IrDA 1.0 版之標準,採用波長 0.85 到 0.90 微米紅外線為媒介,

傳輸速度 115.2Kbps(即每秒傳送 115.2K 位元的資料),有效距離在 1 公尺以內,

(30)

發射接收角度為 30 度,IrDA 係第一個世界組織踏入短距離無線通訊領域者。發 展到今日,傳輸速度已推展到 16.0Mbps(VFIR 規範),有效距離及角度分別可達 8 公尺及 120 度(AIR 規範)。

IrDA 無線通訊的特色如下;

(一) 無線紅外線連線的全球標準。

(二) 容易配置與使用。

(三) 無紅外線輻射風險。

(四) 無電磁雜訊。

(五) 無政府規定的爭議。

(六) 最低的串音(cross talk , 訊號自連接的纜線溢出)

本系統使用嵌入式系統的理由:主要著眼於方便攜帶及穩定度與速度。嵌入 式系統顧名思義,指的是將整個作業系統將過去所使用的磁碟機,搬入電子式元 件ROM與RAM中。因此,消除了傳統磁碟機因為震動、溫溼度等環境不確定因 素引發之損毀機會,是故非常適合應用在行動裝置上。例如車用電腦(AutoPC)、

掌上型數位助理器等必須在不穩定環境下作業之系統設備。此外電子式元件之脈 衝時間遠小於磁碟機讀寫時間,是故非常適合應用在即時(Real Time)系統行動 裝置上。例如:多媒體資料傳輸,即時資料查詢等等。

由於WINDOWS CE的多媒體表現較Palm OS 機器來的好與後端資料庫的 銜接等優勢所以採用WINDOWS CE 是主要考量。

(31)

第三章 定位技術研究

座標之目的在表現某點在空間的位置,為了將室內的空間特徵給予數值化以 方便計算其座標。座標基準轉換是座標轉換重要的一環,係將參考位置改變後必 須將軸心位置重新計算。一般座標轉換在同一座標系統中約可區分為卡氏空間直 角座標(X,Y,Z) ,大地座標(Φ,λ,h)及平面投影座標(N,E,H)三種表示方式。我們 可以將它彈性地儲存、管理、分析這些資料以方便進行各種應用,並將空間資料 區分為 :點、線、面、立體等,以建立不同的資料結構。

在不同的儲存格式中,較常使用有兩種模式,其中之一是向量式資料結構 (Vector data structure)在這個模式中線段是由許多的 X,Y 座標所串聯記錄著。此 種模式最主要的優點是可以精確的表示實際的複雜地理位置,但也有建立成本較 高的缺點。而另一種是網格式資料結構(Raster data structure) 在這個模式中是 利用行與列所組成的矩陣來表示每個點與點之間的關係,每個網格都可以數值 化,也就是每個網格都可以付予不同的屬性,用以定義出不同的分類以提供詳細 描述環境的素材,所以網格式資料結構比較適合描述詳盡的地理現況,也比較容 易了解及學習,不過格子的大小會影響整個結構的精密度也會消耗較多的記憶 體,也因為是由格子的結構特性所以可能會出現鋸齒狀的圖形的缺點。

目前空間定位技術之研究通常都使用全球衛星定位系,但全球衛星定位系只 能運用於室外而我們所希望建構的定位系統就是在室內環境,所以我們提出三種 定位技術,分別為: 雙軸定位法、單軸定位法、接近定位法。

我們將此三種方式之特性詳述於后。

(32)

3.1 雙軸定位法

這是一種較容易實施及維護的方式,最主要的方式是室內展示場地內的四 周,每隔一固定的距離擺設一 IGS (Infrared Guide System 一種裝置來發射經過 編碼程序的紅外線訊息 ),展示場地內的 IGS 被一特定的計數控制器以無線方式 (Polling)所控制,按順序的由某一方向週而復始的循環,當被叫醒(Wake Up)的 的 IGS 就會發射經過編碼程序的紅外線訊息,如圖 3-1(A) IGS 與 CCU(Center Control System)關係圖所示。

圖 3-1(A) IGS 與 CCU 關係圖是一對多的關係一個 CCU 對應全部的 IGS 。 最主要原理是利用 CCU 內部的計數控制器來依序逐一呼叫每一個 IGS,被呼叫

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

表示 CCU 模組 表示 IGS 模組

圖 3-1(A) IGS 與 CCU 關係圖

(33)

的 IGS 也會回應 CCU,如此 CCU 收到了 IGS 的回應後就會進行呼叫下一個 IGS

當被呼叫的 IGS 在回應 CCU 後 IGS 便會發出帶有位置數碼的紅外線光訊 號來通知 PDA 目前 PDA 所處的位置。此種方法的優點是架構簡單、利用平面 座標 X, Y 軸來求出使得使用者(參觀者)在何處。由於紅外線發射是以扇形面 積的方式涵蓋,所以每一軸可能會收到數個 IGS 的訊號。在此可以將各 IGS 收 到的訊號加權值加以平均以求得實際之定位資訊,請參考圖 3-1(B) 位置計算法 所示。

1

2 3 4 5 6 7 8 9 10

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

表示 CCU 模組 表示 IGS 模組

圖 3-1(B) 位置計算法

表示 PDA 被 IGS 紅外線涵蓋範圍

(34)

根據圖 3-1(B) 位置計算法所示,參考文中計算公式來計算圖中 PDA 所在的 位置。

X 軸位置是 ( 13 + 14 + 15 ) / 3 = 14 Y 軸位置是 ( 6 + 7+ 8 ) / 3 = 7

結果 PDA 的位置在 ( X , Y ) = ( 14,7 )

本法的優點是架構簡單,施工較為簡單而缺點就是 IGS 的數量會隨著場地 的面積增加而增加以及 IGS 的數量增加會造成 Polling 的時間增長,最後導致識 別位置的時間增加而使得整體效率降低。

3.2 單軸定位法

單軸定位法係雙軸定位法的變型。單軸定位法基本是利用雙軸定位法的加權 值差來判斷。

我們將此方法稱為「倒三角陰影法」,其原理就像一個正三角形若頂點與底 部距離愈遠、那底部的長度則將愈長。相反的正三角形若頂點與底部距離愈近,

底部的長度則將愈短,也就是說當正三角形面積愈大則正三角形的高也一定愈 大。

由於 IGS 發設紅外線訊號是類似扇形面積向外發出,也就是說當 PDA 接收 到 IGS 個數愈多,那就表示 PDA 距離該軸愈遠,才會涵蓋在這些 IGS 的發射範 圍內。相反的是當 PDA 接收到 IGS 個數愈少,那就表示 PDA 距離該軸愈近,

才涵蓋在這些少數 IGS 的發射範圍內。所以根據這個原理若所接收的單軸內的 值若其加權值相差愈大則距離該軸愈遠,相反的若所接收的單軸內的值若其加權 值相差愈小則距離該軸愈近。距離遠進就決定了另一軸的數值,如此就可以找出 平面的某一點。

圖 3-2(A)與圖 3-2(B)分別顯示定位目標與 IGS 模組之距離與涵蓋範圍間之 關係。

(35)

圖 3-2(A) 單軸定位法近距離 1

2 3 4 5 6 7 8 9 10

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

表示 CCU 模組 表示 IGS 模組

表示 PDA 被 IGS 紅外線涵蓋範圍

表示 PDA

(36)

3.3 接近定位法

本研究所提出的第三個方法為接近定位法,此種方法是利用人體會散發出遠 紅外線波長的光線特性來達成,這種光線不受電磁波及輻射線的干擾,不過此波 長光線相當微弱故須要將此波長的光線先行處理,當處理後就可以提供 IGS 使 用,利用此波長的光線來促使 IGS 驅動發射紅外線數碼。當使用者到達偵測器 偵測範圍內時、該位置的 IGS 會發射經過編碼程序的紅外線訊息,當 PDA 收到

表示 IGS 模組

圖 3-2(B) 單軸定位法遠距離 1

2 3 4 5 6 7 8 9 10

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

表示 CCU 模組

表示 PDA 被 IGS 紅外線涵蓋範圍

表示 PDA

(37)

訊息後即可解碼出該使用者實際的位置。

接近定位法並不須要提供任一軸的資訊,此法並不需要利用掃瞄的方式。如 果不需要利用掃瞄的方式來偵測時,接近定位法就不須要一個控制全體 IGS 的 裝置了,如此一來就可以節省許多的系統建造時間。

(38)

第四章 系統架構

本系統係利用偵測人體體溫所自然散發出紅外線的功能來觸發一連串使用 者目前位置的辨識工作。偵測器可以調整適當的靈敏度以符合場地各種不同的地 形及環境。當使用者接近人體體溫偵測器之預設範圍內時,會啟動一個裝置,該 裝置主要的工作是發射一串使用者目前位置代碼經過編碼程序並且轉換成紅外 線串列訊息,在此將這個的裝置稱為紅外線導引系統(Infrared Guide System)簡 稱為 IGS,所以一個場地可以提供多個 IGS,每個 IGS 都會發設特定的代碼。

因此當使用者(參觀者)接收到 IGS 的訊息時 PDA 也會回應 IGS 確認訊息。當 完成整體確認程序時所持有的 PDA 可以透過 IGS 來取得目前最新的位置就可以 將該資料當成查詢資料庫的關鍵字、並透過 WINSOCK 及無線網路來與後端資 料庫連接,以取得 PDA 所要展現多媒體影音的素材內容。此後即可根據後方的 資料庫傳回的資料進行雙向的溝通,直到收到下一個 IGS 為止。

本系統中資料存取部份主要分成三種控制介面方式:

(一) PDA 介面 (二)Web 介面 (三)管理介面

(一)PDA 介面端部份就是 PDA 本身直接透過無線機制存取本身及後端資料庫,

在離線時要能查詢本身內部資料庫。

(二)Web 介面端部份就是使用者可以透過 INTERNET 來存取後端資料庫。

(三)管理介面部份就是圖書館館方人員所使用的終端機,透過 INTERNET 或是 INTRANET 的方式來存取後端資料庫。

以上三種介面存取同一個資料庫並且需要後端資料庫與 PDA 內部資料庫同步更 新資料,所以必須有些機制來處理這些任務。

(39)

目前有兩種技術可以達成:

(一) 遠端資料存取技術 Remote Data Access( RDA )

(二) 合併複寫遠端資料庫技術 Merge Replication ( Replication )

遠端資料存取技術 Remote Data Access( RDA )係當第一次進行存取時 PDA 端 會將資料從 Server 端的資料庫下載至 PDA 端,往後若要做查詢的動作時,PDA 則會從本機中的資料庫做查詢的動作,而當資料更動時,即時連線回存到 Server 端的資料庫中來進行 PDA 本機的資料庫與後端的 SQL SERVER 同步。

RDA 主要的架構有三層:

第一層:SQL SERVER 資料庫端 第二層:IIS 端

第三層:Pocket PC 應用程式端

而另一種技術合併複寫遠端資料庫技術 Merge Replication

網路連線時,所變動的內容同步至 Server 端的資料庫,達到 Server 端與 PDA 資料的一致性,在網路不連線的狀態下可以直接存取 PDA 資料庫內容,且又能 確保在 Server 端與 PDA 的資料一致。遠端資料存取技術必須維持在網路連線的 狀態所以有即時性,修改資料後,PDA 端資料庫與 Server 端的資料立即一致。

而合併複寫遠端資料庫技術主要是使用在網路不連線的狀態下直接連接到 PDA 端資料庫,若要和 Server 端的資料庫內容一樣,只要連線後就能立即同步,所 以較適合批次作業沒有時效性的工作性質。

綜合分析上述特性以遠端資料存取技術 Remote Data Access( RDA )較適 合本系統。整體架構請參考本系統基本架構圖 4(A)所示。

(40)

圖 4(A) 基本架構圖

架構中 IGS 這個裝置的基本原理比較單純請參閱 IGS 的基本架構如圖 4(B) 所 示,由一對紅外線發射接收器,紅外線接收器是接收來自 CCU (Central Control Unit),CCU 的基本架構如圖 4(C)所發射的控制訊號,也就是一個控制全體 IGS 的裝置。CCU 這個裝置的基本原理是利用一個重複計數的計數器,計數的起始 數為第一個被掃瞄的 IGS 內部接收部門的內碼,計數所涵蓋的範圍必須包括所 有的 IGS。

CCU 傳送計數的內碼給 IGS 之前必須透過無方向性的無線傳輸,如此才不 會有某些 IGS 因為位置的關係而沒有收到 CCU 所傳送計數的內碼,CCU 傳送 計數的內碼給 IGS 之前必須經過編碼的程序,通常經過編碼後可以增加傳送訊

溫度感應元件

發射紅外線位 置編碼機制

接收紅外線確 認機制

WINSOCK 傳送 機制

WIRELESS 傳送機制

WIRELESS 接收機制

電文處理

PDA 程式處理

IIS 端資料處理

後端資料庫

PDA 顯示

(41)

號與接收訊號的品質。另外一個結構是時序控制它控制何時轉換下一個 IGS,何 時可以傳送訊號。

當 CCU 發射出某一個 IGS 的內碼訊號時,每一個 IGS 都會同時收到來自 CCU 的訊號,當每個 IGS 都經過解碼之後,判決是否與本身的內碼相符合,若 是的話則立即發設一紅外線訊號通知 PDA 目前在何處。

圖 4(B) IGS 的基本架構

本系統傳遞資料部份 PDA 透過無線網卡與 LAN 連線,其中 PDA 與無線網 卡的連接是透過 PDA 擴充背匣來完成 PDA 無線上網的功能,PDA 與後端的資 料庫是透過 RDA 的方式達成,PDA 亦可透過無線網卡以 TCP/IP 通訊協定使用

Infrared Receiver

Unit

Infrared Signal Amplifier

Signal Process

Unit

Decoder Unit

Compare Unit Encoder

Unit Infrared Transmit

Unit PDA

(42)

好處是只要用相容的器材,都可以透過這個無線網路規範,連接上網速度上 IEEE 802.11b 最多支援 11MB 的資料傳輸。

PDA 的作業系統為新版的 WINCE 稱為 Pocket PC 2002 可以透過無線方 式上網、或使用 Media Player 來觀看圖書館所提供相關多媒體影片、與聽 MP3 規格的聲音,所以本研究中的多媒體展現是透過這種方式進行。

圖 4(C) CCU 基本架構 Set Up

IGS’s Range

Counter Unit

Encoder Unit

Decoder Unit

Timer Unit Transmit

Control Unit Transmit

Unit

(43)

第五章 系統實作

本階段之工作是將比較可行的定位方式加以設計並建置,等建置完成之成果 完成測試報告,再根據測試報告結果選擇最優之方法,針對該方法就PDA主體程 式展開規劃設計工作。

當完成PDA主體程式後進行PDA主體程式測試,連同完成圖書館管理程式設 計及測試等工作,最後進行整體總測試。

本論文在系統實作方面區分為 PDA硬體部份和位置的識別及軟體的規劃與 設計分別如下。

5.1 PDA 硬體部份

在 PDA 硬體 方面本研究使用 COMPAQ IPAQ 3850 的機器,IPAQ 3850 的規格特性如下表 5-1:

技術

Intel 206MHz StrongARM SA-1110 低耗電處理器 64MB 記憶體 ; 32MB Flash ROM

紅外線同步傳輸資料 備有 SD 卡插口

O/S Microsoft Pocket PC2002 Premium Edition 中文版 外觀 6.5 oz

5.3" x 3.3" x 0.62"

顯示幕

65000 色高解析度彩色螢幕 240x320 解析度

2.26" x 3.02" 可視區域 輸入方式

電子筆觸感應輸入

錄音及撥放(可撥放 MP3 音樂及網站廣播)單鍵 即時錄音按鈕

電池 1400 mAh 鋰聚合物可充式電池

軟體

行事曆,聯絡人,工作,錄音, IE 瀏覽器,小算盤,遊戲接 龍,收件匣,File Explorer ,MSN Messenger,VPN Client,紅外線傳輸,iPAQ 工作管理

員,Dashboard,Insignia JVM,遊戲,MediaPlayer 8,支 援中,英文輸入包含螢幕手寫及手寫板,支援手寫 ,注 音,倉頡中文輸入.

表 5-1 IPAQ 3850 的規格

(44)

本研究採用 Pocket PC 2002 作業系統的最重要原因是 Pocket PC 2002 對 多媒體展示的功能效果遠比 PLAM 作業系統好。另一原因 IPAQ38 系列的 PDA 算是使用較新的作業系統,但 PLAM 作業系統有其優點既硬體需求較小,使用 PLAM 作業系統的 PDA 價格較便宜,也比較省電的優點。

無線網卡部份也是採用 COMPAQ 的 WL110,其規格特性如下表 5-2:

頻帶

2400-2483.5 MHz 可選擇的次通路數

Other Euro/APA countries (ETS) 13 USA (FCC) 11

France (FR) 4 Japan (JP) 14 模組技術

Direct Sequence Spread Spectrum (CCK, DQPSK, DBPSK) 擴散

11-chip Barker sequence 位元錯誤率

Better than 10-5 媒體存取通訊協定

CSMA/CA (Collision Avoidance) with ACK 介面

PC Card, PCI OS 支援

Windows 95/98/ME/NT4 (SP4)/2000; Windows CE/Pocket PC 尺寸

117.8mm×53.95mm×8.7mm (PC card) 速度選擇

11, 5.5, 2 and 1 Mbps; Automatic Rate Selection (ARS) 輸出電源

15dBm

(45)

消耗電力(5 伏電源供應)

Doze mode - 9mAReceive mode – 185mATransmit mode – 285mA 溫度範圍(操作)

0-55℃ 95% max. Humidity (non condensing) 標準

IEEE 802.11b 安規

US: FCC (47 CFR) Part 15C, Section 15.247Canada: ISC

RSS139Europe/APA: ETS 300-328, CE MarkedJapan: MPT Radio Regulations

速度選項 11 Mbps 5.5 Mbps 2 Mbps 1 Mbps 涵蓋範圍公尺(英呎) 開

放式辦公室

160m (525 ft)

270m (885 ft)

400m (1300ft)

550m (1750 ft)

半開放式辦公室 50 m (165 ft)

70 m (230 ft)

90 m (300 ft)

115 m (375 ft)

封閉式辦公室

25 m (80 ft) 35 m (115 ft) 40 m (130 ft)

50 m (165 ft)

接收器敏感度 -82 -87 -91 -94

延遲擴散(at FER of

<1%) 65ns 225ns 400ns 500ns 表 5-2 WL110 無線網卡規格特性表

本研究測試過許多的無線網卡,發現 IPAQ 的 PDA 對自家廠牌的無線網路 卡所發生的不明原因問題最少。

(46)

5.2 位置的識別方面:

在位置的識別方面:針對前述幾種偵測方式來測得實驗數據並評估其是否可 以應用於實際的狀況上。

由於在實地測試時模擬使用者可能會在圖書館內以任意方式移動,而且是多 位使用者同時使用,根據實際測試,我們得到的結果是以第三種接近定位法最為 可行。第三種接近定位法是利用人體的體溫感應器來感應使用者是否已經到達所 設定的範圍內,如已到達則觸發 IGS 發出紅外線編碼訊息,通知 PDA 現在在何 處。

第三種接近定位法不須要像前兩種方式,使用 CCU 所以就可以教快速的反 覆傳出多次紅外線訊息。

本次實驗方式以逐步增加矩陣的面積及逐步減少掃瞄時間間隔來測出結果 正確率。

以下是單軸及雙軸的實驗數據,在此處實際中,我們以定位目標在室內空間之不 同位置來檢測定位的正確性。

圖 5-2(A) 圖 5-2(B)

(47)

圖 5-2(C) 圖5-2(D)

圖 5-2(E) 圖5-2(F)

(48)

圖5-2(G) 圖5-2(H)

圖5-2(I) 圖5-2(J)

(49)

圖 5-2(K)

雙軸定位法測試結果如圖 5-2(K)所示,根據統計結果顯示若 IGS 發射訊號 之間時間隔大於 0.5 秒較佳,間時間隔愈小則效果愈差,錯誤率也跟著大幅增 加。單軸定位法能夠成功的關鍵在於雙軸定位法正確率能夠到達一定的水準,如 果雙軸定位法不能達到要求,單軸定位法就無法達到實際應用的層面。

由實驗數據來看雙軸定位法,在要求辨識使用者位置時間至少小於 0.2 次/

秒,如此才可以在一秒內做多次確認位置的效果,所以依實驗結果單軸定位法及 雙軸定位法不理想。

第三種接近定位法經實際測試效果比前兩種方式好,因為人體溫感元件可以 調整感應的距離,所以在實際應用上會有人接近才發射紅外線編碼訊息,所以本 研究採取這種方式。

(50)

5.3 PDA 應用軟體部份

本論文 PDA 應用軟體部份開發平台採用 WINCE Pocket PC 2002 的版 本,這個作業系統本身是一個純 32 位元的作業系統,Pocket PC 2002 也是一 個多工、多執行緒的作業系統。本研究採用 Pocket PC 2002 作業系統的最重要 原因是 Pocket PC 2002 對多媒體展示的功能效果遠比 PLAM 作業系統好。其次 的原因是 PDA 軟體開發平台工具 EMBEDDED VISUAL TOOLS 可以開發 Pocket PC 2002 相容的應用軟體並可以以最快速的時間,設計出所規劃的功能。

PLAM 作業系統有其優點既硬體需求較小,使用 PLAM 作業系統的 PDA 價 格較便宜,也比較省電但對多媒體方面表現不盡理想,這也是本研究未加以採用 的最主要原因。

本研究所開發的系統 PDA 應用軟體部份,利用 Embedded Visual Tools 發 展出 Pocket PC 2002 作業系統相容的 PDA 的專屬的程式。此種方式可以開發 出功能比較複雜的 PDA 程式,例如透過 RS232 串列傳輸與外界週邊設備溝通 資料的功能,這種功能在 Web 網頁中不易達成,使得將來除了可以有現有的功 能之外,還能與外界的週邊設備週邊設備連接,使得本系統可以達成與自動化設 備連接的功能。圖 5-3(A)、圖 5-3(B)、圖 5-3(C)、圖 5-3(D)、圖 5-3(E)為利用 PDA Emulator 展示本論文所完成之應用系統的情形。

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圖 5-3(A) 圖 5-3(B)

圖 5-3(C) 圖 5-3(D)

(52)

圖 5-3(E)

由圖 5-3(A)、圖 5-3(B)、圖 5-3(C)、圖 5-3(D)、圖 5-3(E)可以顯示使用者 如果想知道書籍存放於何處或是查詢書籍資料只要輸入欲查詢書籍資料之書號 後再按位置的功能選擇鍵即出現如圖 5-3(E)所示:紅點表示使用者目前的位置、

紫點表示書籍目前存放的位置。

(53)

5.4 管理程式的實況

本研究的管理程式最主要的目的是提高圖書館整體效率與 PDA 程式相輔相 成,管理程式提供管理人員處理 PDA 所登錄的資料,管理程式可以真針對後端 資料庫提出資料的修正。

該管理系統區分為

„ 系統主畫面

„ 學生資料維護功能

„ 書籍資料維護功能

„ 書籍借閱及歸還功能

„ 學生資料管理系統

„ 書籍管理系統

„ 書籍借閱歸還系統

圖 6(A)至圖 5-4(K) 所示的管理系統的情形。

(54)

圖 5-4(A) 系統主畫面

圖 5-4(B) 學生資料維護功能畫面

(55)

圖 5-4(C) 書籍資料維護功能畫面

圖 5-4(D) 書籍借閱及歸還主功能畫面

(56)

圖 5-4(E) 書籍借閱功能登錄資料畫面

圖 5-4(F) 書籍借閱功能登錄資料完成畫面

(57)

圖 5-4(G) 書籍歸還功能登錄資料畫面

圖 5-4(H)書籍歸還功能登錄資料完成畫面

(58)

圖 5-4(I) 查詢書籍借閱記錄登錄借書證號畫面

圖 5-4(J) 查詢書籍借閱記錄回應結果畫面

(59)

圖 5-4(K) 查詢特定書籍所有借閱記錄回應結果畫面

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第六章 結論

本研究建構了一個具有無線通訊能力、空間定位功能、資料庫系統以及多媒 體導覽顯示的行動資訊服務系統,此資訊服務系統不但可以提供快速的書籍資料 查詢服務,而且可以多媒體方式來介紹該書的內容摘要與簡介。除此之外,本系 統具有室內空間定位能力,可以動態指示出書籍存放位置以及使用者與該書籍之 相對位置,幫助使用者迅速找到該書籍。

本研究針對位置辨識空間定位加以研究探討,顯示了在許多場合中全球衛星 定位系無法達成的區域(如室內環境中) 因為在室內無法收到全球衛星定位系所 需之衛星訊號來進行定位,或者全球衛星定位系的位置辨識解析度(最近全球衛 星定位系的解析度約為二米)如要求二米以下的解析度,全球衛星定位系就無法 達成。

本研究中運用接近定位法要求位置辨識時間約小於 1 秒,只要定位目標在同 一地點停留大於 1 秒 PDA 即可辨識目前在什麼位置,或者要找的書籍在目前所 站的位置的相對位置,並以游標的方式指示,可以加速所有想要找的東西,相對 的可以節省相當的時間及人力,本系統在查詢書籍資料時,除了可以指示書籍存 放位置外,尚可以多媒體方式集聲光影音互動式的來介紹該書的內容簡介摘要,

讓讀者對該書籍有更深一層的認識,幫助使用者了解該書是否是使用者所要的。

近年來嵌入系統(Embedded System)技術日趨成熟,目前已發展出體積 小、重量輕、功能強的可攜式產品如個人數位助理(PDA)、數位行動電話、手持 電腦等等,相當適合本研究之特性需求。

未來在都市中佈置有足夠的密度的無線存取點那麼人人就可以隨時隨地的 方便高速上網,雖然目前有上網手機,但礙於螢幕顯示區較小,一個畫面可以顯 示訊息過少及上網速度較慢的遺憾,但未來勢必是 PDA 容納行動電話合而為

(61)

一,透過無線的方式,將聲音、影像、文字、圖片等多媒體資料訊息傳遞給使用 者的個人行動助理以提供有效率的多元服務。

除此之外借閱書籍記錄(或其他交易資料)可以儲存在 PDA 中,使用者可以 隨時隨地查詢過去所有的借閱資料(或其他交易資料),也可以下載到個人電腦中 加以儲存利用,也可以將生活中許多瑣碎的事情交給可以可攜式的個人行動助理 會幫助個人的行程規劃與安排。

本研究亦可以應用在醫療保健的領域上,將會為醫療相關院所或是個人保健 管理帶來一些新風貌。未來在醫療院所中的醫生,可能隨身攜帶一部支援無線通 訊的 PDA,利用這部 PDA,不管在哪裡醫生都可即時查詢、更新病人的病歷並 即時掌握醫院內病床使用狀況、藥品庫存狀況,甚至可以透過 PDA 連結到網際 網路中之診療輔助系統以幫助醫療行為之進行;而一般的個人則可能利用支援無 線上網的手機,查詢醫院的門診時刻表並預約掛號,還可透過手機查詢健康檢查 的結果或查看自己的病歷資料,也可以利用手機連結到提供個人保健管理的網站 建立自己的健康管理資料庫,而醫院與病患間也能利用無線網際網路來做更即時 且個人化的互動,包括醫療檢驗結果的主動通知,回診日期的提醒,活動的通知 等。

微軟總裁比爾蓋茲認為未來就是電腦隨身用,那裡都是辦公室的時代,「無 線通訊」及電腦 ( C & C ) 似乎已成為本世紀改善人類生活品質最有利的工具之 一,這項重大的變革,將會改變人們的生活習慣與工作方式。

可攜式行動計算結合無線網路及位置識別可以方便使用者,也增加管理層面 的效率,符合現代人立刻就能辦妥節省時間的需求及資訊隨身攜帶垂手可得,資 訊隨時更改即時生效,隨即流通的無紙新境界。

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