智慧型校園生活環境研擬與建置(I)

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行政院國家科學委員會專題研究計畫期中進度報告

智慧型校園生活環境研擬與建置(1/3)

計畫類別：整合型計畫

計畫編號： NSC94-2218-E-011-011-

執行期間： 94 年 11 月 01 日至 95 年 10 月 31 日執行單位：國立臺灣科技大學電子工程系

計畫主持人：陳金蓮

共同主持人：劉政光，陳玲鈴，馬自莊，胡能忠，呂永和，方文賢

計畫參與人員：黎碧煌、陳建中、鄭瑞光、楊成發、王乃堅、劉馨勤、曾德峰、

張立中、王煥宗、賴坤財、廖顯奎、蘇忠傑、趙良君、羅乃維、

張文智、陳建雄、鄭金典、柯志祥

報告類型：精簡報告

報告附件：出席國際會議研究心得報告及發表論文處理方式：本計畫可公開查詢

中華民國 95 年 9 月 18 日

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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫期中進度報告 智慧型校園生活環境研究及建置(1/3)

計畫編號 94-2218-E-011-011-

執行期限：94 年 11 月 1 日至 95 年 10 月 31 日

總計畫主持人：陳金蓮教授台灣科技大學電子工程系

共同主持人：陳金蓮教授¹、馬自莊教授²、方文賢教授¹、劉政光教授¹、胡能忠教授¹、呂永和教授³、陳玲鈴教授⁴

參與研究人員：黎碧煌教授²、陳建中教授²、鄭瑞光教授¹、楊成發教授²、王乃堅教授²、劉馨勤教授²、曾德峰教授²、張立中教授²、王煥宗教授¹、賴坤財教授¹、廖顯奎教授¹、蘇忠傑教授¹、趙良君教授¹、羅乃維教授³、張文智教授⁴、陳建雄教授⁴、鄭金典教授⁴、柯志祥教授⁴

1台灣科技大學電子工程系、²台灣科技大學電機工程系、³台灣科技大學資訊管理系、⁴ 台灣科技大學工商業設計系

中文摘要

本計畫之目的旨在研究建構智慧型校園環境所必要之核心技術，用以營造智慧生活與科技化的多元整合校園環境，並以創造安全、健康、便利、

舒適與永續等五大願景的生活型態為目標。本計畫第一年執行期間中，子計畫一至六優先研發實現智慧校園願景所必需要的核心技術與能力，包含多媒體中心技術、射頻辨識技術、光電感應技術、次世代照明技術、隨意資訊擷取技術等，作為未來兩年整合應用之準備。再者，本計畫透過子計畫七之情境模擬與概念產品設計，尋求技術發展與生活需求的一致性，並透過子計畫間的協調與溝通逐步建構智慧校園的真實生活情境。

關鍵字：智慧型校園、多媒體中心、射頻辨識、光電感 應、次世代照明、隨意資訊擷取、情境模擬、概念產品 設計

Abstract

This project aims at developing and integrating the core technologies for smart living space with the visions of security, health, convenience, comfort and everlasting. In the first year of this project, Sub-projects 1 to 6 are engaged in studying the essential building blocks for realizing future smart campus, which include the technologies for multimedia center, radio frequency identification, automatic photoelectronic sensing, next-generation lighting and pervasive information access framework, etc. Meanwhile, Sub-project 7 performs scenario

simulations and concept product designs to integrate the requirements of smart living space with the developed advance technologies. Based on the research conducted in the first year, this project will focus on building up real scenarios for demonstrating smart campus in the next two years.

Keywords: Smart Campus, multimedia center, radio frequency identification, photoelectronic sensing, next-generation lighting, pervasive information access, scenario simulation, concept product design.

I. 背景與目的

根據 2005 年行政院產業科技策略會議所勾勒出的發展遠景，未來智慧化生活空間是要「透過資訊基礎設施，結合電子、電機、資訊、通訊相關產業技術與自動化設備，建構智慧化空間，創造及享有安全、健康、便利、舒適與永續的生活型態」[1]。

本整合型計畫擬於校園建立創意應用空間，營造出智慧生活與科技化的多元整合環境，故需掌握多項前瞻性的關鍵技術與能力，諸如：隨處可用的網路設施、射頻辨識 (Radio frequency identification, RFID)技術、自動化感測及控制技術、隨意擷取的服務應用軟體，及智慧化生活情境模擬等。本計畫之第一年研究著重於各領域之關鍵技術的研發，依次打造智慧空間生活所必須的核心技術與能力。同時，子計畫七亦同步進行智慧生活情境之模擬與規劃，期將前瞻技術與未來生活作更緊密的結合。本計畫第一年之研究內容、成果自評、及各子計畫間的交流情形詳述如后。

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II. 研究內容與成果

1. 子計畫一：隨處行動網路平台架構 1.1 研究背景及目的

本子計畫旨在研究網路互連之先進核心技術，並能於台科大校園內，建構隨處可用的網路基礎建設，並於此網路基礎建設上，進行語音、影像等多媒體服務以及自動偵測感應系統的導入與整合，以提供師生更方便舒適的生活環境。要達到此目的，本子計畫預定適當的運用校園目前現有的電話網路、有線區域網路以及無線區域網路等基礎建設，適度的整合目前校內各自運作的語音與網際網路存取(Internet Access)服務功能。研究開發相關的多媒體編碼與通信的技術，建立智慧型之校園媒體中心。發展無線感測網路系統，以支援其他子計畫所需的網路傳送功能。同時，還將積極引入新的網路技術如 WiMAX，以建構一個可提供更高速傳輸，更多樣性服務的隨處行動網路平台架構。

本子計畫預定在現有校園網路架構上，建立校園媒體中心，提供媒體 QoS 控制,fully scalable 及通透異質網域等服務功能。完成無線感測網路繞徑最佳化及整合測試。第一年之研究目的包括：

(1) 在校園內提供隨處皆可存取的 VoIP 服務；

(2) 設計媒體編解碼品質可調之系統；

(3) 建立無線感測網路之階層式叢集拓樸，針對 CSMA/CA 機制與 IEEE 802.15.4 最佳化研究。

依循此目標將本子計畫於第一年所完成之研究成果詳述如後。

1.2 校園內隨處皆可存取的 VoIP 服務 本研究希望利用 Skype[2]突出的語音特性，結合校園內的網路基礎建設，進行語音、影像等多媒體服務。本年度我們透過自行撰寫的程式，配合由 KHAOSLABS 公司所提供的 Skype API COM Wrapper 套件軟體[3]，讓我們可以藉由簡單方式來控制 Skype 通訊軟體。此外，今年度亦試著將子計畫二的 RFID 以及子六計畫的普及資訊擷取架構引入初期的規劃中。在執行上，我們首先透過使用目前商用化已成熟的短距 RFID 系統，以簡化使用者登入 Skype 系統時的程序，再藉由一個簡單的資料庫系統管理師生的資料，並根據使用者是否登入系統，讓使用者可在校園內任何有加裝本系統的地方，順利的登入系統進行語音影像、聽取留言等多媒體之服務。

Skype 校園服務網路架構如圖 1.1 所示，藉由目前校內以建設完成的有線與無線網路，搭配校園內的導覽電腦，我們可在導覽電腦中加裝簡單的 RFID Reader 以及專為 Skype 所設計的語音交換機，讓使用者可以直接使用現有的話機來撥打 Skype 電話。其中，每台導覽電腦皆與集中式資料庫伺服器連線，資料庫內記載著所有使用者的基本資料，包括記錄著唯一的 RFID 標籤編號，以提供使用者在使用 RFID 登入時進行身份的確認。

現階段已經完成 Skype 電話網路的測試平台，並已經初步與 RFID 系統與資料庫系統相結合，讓用戶可以省去繁瑣的鍵盤鍵入登入手續。接下來將進行使用者情境測試，將根據測試結果細部修正相關軟硬體的設定。未來並預定近一步的結合其他人機介面，例如加入語音撥號的功能，讓原本專為單人使用的 Skype 可以逐漸延伸到校園的大眾化應用。

1.3 可調媒體編解碼品質系統

媒體串流播放方式[5]之一為將全部檔案傳送到接收端才播放，另外是將串流資料從伺服器端傳送至接收端緩衝器，只要緩衝器內的資料足夠播放，即立即播放，邊下載邊播放，如圖 1.2。以 Microsoft® Windows Media Server 傳播 Streaming Media 時，選擇適當的傳播方式是很重要的一件事情，針對不同需求而做不同的傳播方式，比如 On-Demand Media，最好是選擇 Unicast；而 Live Media 則適合 Multicast。Unicast 適合隨選媒體 (On-Demand Media)，每個客戶端獨自擁有一份串流，但缺點是對於 CPU 的負載相當的重。Multicast 也是一個窄頻廣播，在網路中透過專門的路由器 (Router)將串流複製並傳送至客戶端們，每個客戶端得到相同的串流。適用於現場直播(Live)或已排定好時間的媒體(Scheduled Media)，可以節省網路寬頻及降低 CPU 的負載。缺點是無法彈性地對串流做控制。Microsoft® Windows Media 技術[6]的關鍵是使用 MMS 協定及 ASF(Advanced Streaming

圖 1.1 Skype 校園服務網路架構示意圖

圖 1.2 媒體串流播放處理[4]

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Format)檔案格式，其 ASF 檔案格式出現的副檔名為 .ASF 、 .WMV (Windows Media Video) 及.WMA(Windows Media Audio)。MMS 協定用於網路傳輸和控制，而 ASF 檔案格式則用於媒體內容和編碼方案的封裝。系統的架構如圖 1.3 所示。

圖 1.3 校園媒體中心架構與服務

1.4 無線感測網路之階層式叢集拓樸與最佳化 IEEE 802.15.4 標準的目標在實現一低功率消耗、低成本之無線感測網路。IEEE 802.15.4 的傳輸週期可分為競爭週期(contention access period;

CAP)及非競爭週期(contention free period; CFP)二種，其中競爭週期的資料傳輸是以載波偵測多重擷取/碰撞避免(carrier-sense multiple access/ collision avoidance; CSMA/CA)做為其競爭機制。我們針對 IEEE 802.15.4 的 CSMA/CA 機制加以研究，並提出一延遲後退演算法(delayed backoff algorithm;

DBA)。根據模擬的結果，我們提出的演算法能在相同的功率消耗下，提高有效資料傳送量(goodput) 並降低媒體存取控制層之延遲(MAC delay)，明顯的提升無線感測網路的服務效能。

我們所提出之演算法適用於具有主碼框架構的IEEE 802.15.4無線感測網路。由於隨機倒退時間容易導致頻寬的浪費，故在主碼框架構的競爭週期中，欲傳送資料的感測節點其倒退時間可分為已預先設定及未預先設定二種。

1.5 成果自評及與其他子計畫之交流 本子計畫於第一年研究期間，已完成隨處存取的 VoIP 服務平台、以及媒體編解碼品質可調之系統之設計，以及無線感測網路之階層式叢集拓樸設計。部分研究內容並已於今年 8 月於韓國首爾舉行的 IFIP EUC-06 研討會中發表[7]。並與子計畫七進行多次會議與溝通，針對可能的使用情境及網路技術之能力與限制，逐漸修正網路的功能。此外，

VoIP 服務平台已試著與子計畫二進行初步整合，

藉由 RFID 標籤提供個人多媒體相關資訊，以簡化使用者登入程序。至於媒體中心的建構，目前已可提供線上即時編解碼播放、媒體檔案串流播放等，

並將結合子計畫二提供之 RFID 訊息顯示個人化的即時動態網頁，提供符合情境、時間的適當訊息。

2. 子計畫二：人機介面之射頻技術 2.1 研究背景及目的

本子計畫研究應用於智慧校園人機介面之射頻技術，其中又以射頻辨識系統(Radio frequency identification, RFID)為首年度之主要研究目標。本研究計畫之目的在於考量其他子計畫之需求，依循校園空間如實驗室、教室、圖書館等特定環境的特性與限制，依據 RFID 之工作原理及電波傳播分析，進行射頻辨識系統之關鍵組件研製，包含可攜式標籤天線、應用於金屬表面之標籤天線、以及讀取器射頻前端電路等。依規劃本子計畫第一年之研究目的包括：

(1) RFID 工作原理之探討；

(2) RFID 電波傳播之分析；

(3) RFID 關鍵組件之研製；

依循此目標將本子計畫於第一年所完成之研究成果詳述如后。

2.2 射頻辨識工作原理之探討

射頻辨識系統包含三大組成：讀取器 (Reader)、標籤(Tag)與後端處理系統。如圖 2.1 為忽略後端處理系統之 RFID 示意圖。當通訊鏈結展開時，讀取器透過電磁波傳播或磁場耦合的方式發射連續波與調變訊號波，此調變於超高頻段(UHF) 射頻辨識系統則為脈衝寬度調變 (pulse width modulation, PWM)；標籤接收此連續電磁波後驅動內部積體電路晶片(ASIC)，將本身 ID 資訊或詢答指令回傳至讀取器端，以展開一連串無線通訊動作。值得注意的是 IC 本身不具備電源及複雜調變電路，故此調變技術實際上是藉由改變 IC 輸入阻抗而在讀取器所送出之連續波進行調變，這種調變方式稱為背向散射調變(back scattering modulation) 或負載調變(load modulation)。射頻辨識系統即透過此種電磁波散射或耦合的調變方式，將標籤所包含的訊息與系統作交流分享。

目前常見的標籤晶片調變方式有三種：

1. 振幅鍵移調變(ASK)：改變晶片阻抗 Z_ic的大小產生反射訊號之振幅調變。

2. 相位鍵移調變(PSK)：維持|Z_ic|為定值，改變 Z_ic之相位，使反射訊號產生相位變化調變。

3. 頻率鍵移調變(FSK)：透過標籤晶片控制，改變背向散射訊號之頻率。

標籤晶片的調變技術必須對應於讀取器特定的解調器則方能將訊號進行有效解析，例如採用正交調變（I/Q modulation）時，讀取器模組就必須具備能同時偵測同相位（ In phase ）與正交相位

圖 2.1 RFID 信號傳輸示意圖

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（Quadrature phase）兩組訊號的解調模組。

2.3 射頻辨識電波傳播之分析

RFID 標籤通常包含兩個部份，標籤天線(Tag antenna)和標籤晶片(Tag IC)。標籤天線設計時需注意是否能和標籤晶片達到共軛匹配 (complex conjugate match)，其目標是使標線晶片和標籤天線之間傳遞的能量達到最大，故此時之反射量為最小。

本子計畫研究中所使用之讀取器為 AWID MPR-2010BN，實際通訊頻率範圍為 902 MHz~928 MHz，此頻段為北美地區之 RFID 通訊頻段，未來台灣所規劃之通訊頻段則在 922~928MHz。本子計畫利用本校無線通信與電磁相容技術研發中心之無反射實驗室、頻譜分析儀、向量訊號分析儀等進行標籤實際通訊訊號之量測，如圖 2.2 及 2.3 所示。

由圖中可觀察到標籤與讀取器之通訊主要有兩種型式：一種為主頻率附近包含調變訊號之型式，另一種則只存在連續波訊號而不含調變成分。當讀取器驅動標籤展開通訊時，會不斷地交替發出此兩類型訊號，且其連續波頻率會任意變動，此即為跳頻通訊特性(frequency hopping)。至於標籤所回傳之背向散射調變訊號則伴隨主要連續波出現，其頻率間隔取決於通訊協定，一般在 40kHz~640kHz 之間。

2.4 射頻辨識關鍵組件之研製

本子計畫第一年開發完成兩款 UHF Gen 2 標

籤天線設計。其中一款可攜式標籤天線如圖 2.4，

此標籤可放置於使用者的皮包、書包、吊飾或通行證，亦可用於教職員生之汽車擋風玻璃以及校園財產物品管理之應用。另一款則使用塊狀天線(patch antenna)原理設計完成可放置於金屬表面之標籤天線，此標籤可適用於學校貴重儀器之管理、汽機車金屬表面，以及校園智慧建築之金屬樑柱等方面，

如設計圖 2.5 所示。

本研究透過 Ansoft HFSS 9.2 模擬套裝軟體設計標籤天線。圖 2.6 為使用 HFSS 9.2 所模擬獲得之能量反射係數 |s|²，由圖可知標籤天線在 902MHz-928MHz 的頻帶間有良好的匹配現象。圖 2.7 則為可攜式天線之模擬輻射場型圖。

圖 2.4 可攜式之標籤天線

圖 2.5 應用於金屬表面之標籤天線

0.6 0.8 1.0 1.2

-25 -20 -15 -10 -5 0

PowerreflectionCoefficient(dB)

Frequency (GHz)

Meandered line tag Metal tag

圖 2.6 兩款標籤天線之反射係數比較

(a) E-plane (b) H-plane 圖 2.7 可攜式標籤天線之模擬輻射場型圖 2.2 EPCGlobal Class1 Gen1之通訊訊號

(1) Reader command (2) Tag reply

圖 2.3 EPCGlobal Class1 Gen2之通訊訊號 (1) Reader command(Query) (2) Tag reply(RN16) (3) Reader command(ACK) (4) Tag reply (EPCcode)

(3) (4)

(2) (1)

(1) (2)

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可攜式標籤天線所採取的結構主要為 meandered line，另外配合 turning stubs 和 load pad 來調整天線的共振頻率。基於此特性，標籤天線可輕易製作在各種材質上，而其天線特性不會有很大改變。至於應用於金屬標籤的標籤天線則採用塊狀天線架構，並利用短路接地面將天線小型化，其共振長度為 1/4 波長，至於晶片位置則經由模擬選取可直接由天線邊緣處餽入處放置，進行共軛匹配。

表 2.1 列出天線尺寸與讀取距離。因研發階段製程限制之緣故，可攜式標籤天線和可置於金屬表面之標籤天線目前分別使用 FR4 和 Rogers RO4003 作為基板，未來如能取得更便宜之板材或是製程上的支援，將可有效的降低標籤的成本。

本計畫第一年亦同步開發 RFID 讀取器射頻前端電路及原型標籤 IC 設計。其讀取器模組將於第二年逐步完成與呈現，並與第一年所設計之 RFID 標籤搭配，於校園內特定環境進行實測驗證；此外，本子計畫第三年亦將配合其他子計畫所規劃之智慧校園情境進行整合與展示。

2.5 成果自評及與其他子計畫之交流 本子計畫於第一年研究期間，首先針對 RFID 系統之基本架構進行瞭解，以對 RFID 系統能有初步之認識。再者，本子計畫利用本校技研中心既有之設備進行 RFID 通訊協定與電波傳輸特性之實驗量測，並驗證 UHF RFID EPCGlobal Gen1 及 Gen2 的通訊內容。最後，本子計畫針對可攜式 UHF 標籤天線及可置於金屬表面之 UHF 標籤天線進行設計、模擬與實作，其成品之最大傳輸距離分別達 4 公尺至 5 公尺。其中可攜式 UHF 標籤天線設計已投稿於 2006 年亞太微波會議(APMC 2006)並獲得接受，將於本年 12 月至日本橫濱發表論文[14]。

本子計畫於第一年研究期間，與子計畫七進行多次會議與溝通，針對 RFID 之技術範圍及智慧校園應用情境進行討論與規劃。另外，透過本子計畫與子計畫三的緊密配合，可共同進行 RFID 軟硬體架構之研發。再者，本子計畫正嘗試與子計畫一進行整合，藉由本子計畫所提供之標籤資訊用以達成個人多媒體資訊的擷取與獲得。

3. 子計畫三：次世代無線多重擷取技術 3.1 研究背景及目的

本子計畫研究高效能無線擷取技術的開發與應用，以提升智慧型校園生活的無線通訊品質。首年度之主要工作目標是針對射頻辨識系統(radio frequency identification, RFID)建立無線通道模型並發展抗干擾及加密演算法。RFID 利用晶片及無線通訊方式來辨識及傳遞資料，可重覆讀寫，能夠遠距離讀取，以更有效率的方式取代條碼辨識(bar code)提供各種校園智慧型應用。

為考量整體校園情境設定及配合其他子計畫之發展性，選用 EPCglobal Class1 Generation2 UHF 作為傳輸協定背景[15]-[16]。依規劃本子計畫第一年之工作項目包括：

(1) 建立無線通道模型；

(2) 發展信號擷取技術；

(3) 發展同步演算法；

(4) 發展加密演算法；

依循上述工作項目將本子計畫於第一年所完成之研究成果及展望詳述如下。

3.2 建立無線通道模型

RFID 系統架構主要由讀取器(Reader)、標籤 (Tag)、後端處理系統(DB)三部份組成，如圖 3.1。

讀取機與標籤之溝通程序根據 ITF (interrogator-talks-first)準則來開啟溝通。讀取器所發送之信號，包含連續波(continuous wave)及指令信號(command)：連續波主要是供給標籤內部晶片能夠持續運作：而命令信號是讀取機對標籤的目前狀態指令信號。讀取機發送之信號編碼方式(data encoding)為 PIE(pulse interval encoding)，如圖 3.2。

現階段已達成在一對一 (one reader to one tag) 架構之第一階段溝通，如圖 3.3： Reader 在無線環境下藉由天線發送 Query command 給實體 Tag，

Tag 回傳 RN16(random number 16 bits)，如圖 3.4。

未來將開發讀取器的解碼器(decoder)並改進原先 protocol 內 Q-algorithm 演算法以提升讀取速度。

天線種類天線面積可讀取範圍

應用於金屬標籤天線 86mm*45mm 3.8~4.2m

可攜式標籤天線 78mm*25mm 4.5~5m

表 2.1 天線尺寸與可讀取範圍

Reader ^Tag

application DB

Air interface 圖 3.1 RFID 系統

圖 3.2 PIE 編碼

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圖 3.3 EPCglobal Class1 Gen2 之通訊信號 (1)Reader→Tag Query command

(2)Tag→Reader RN16(random number 16bits)

圖 3.4 Tag→Reader RN16(random number 16bits)

3.3 發展信號擷取技術

RFID 可採取的擷取協定在現存的論文 [17]-[19]所提的並不太多，[18]以 TDMA 傳輸技術為基礎，應用圖型(Graph)原理發展演算法達成同時讀取無碰撞的目地，好處是設計簡單、消耗功率和價格較低。在本子計畫中，我們結合 DS-CDMA 和 Aloha 提出一種信號擷取協定，來解決 RFID 信號擷取的問題。

3.4 發展同步演算法

我們利用上述信號擷取協定來發展的同步演算法，因為會有多個其他不同的擷取信號產生干擾，這會大幅降低決定同步演算法的正確性，我們利用簡單的消除干擾(interference cancellation)法來去除其他擷取信號產生干擾，利用通道估測訊息與同步的訊息消除其他擷取訊號產生之干擾的目的。在我們的模擬中發現，使用 active correlator 效果最好，但是複雜度太高。至於要選擇 active correlator 或 passive correlator，必須更進一步考慮 RFID 實現的複雜度，陸續做評估。

3.5 發展加密演算法

目前已經將對稱式加密演算法進階加密標準 (advanced encryption standard, AES)與安全雜湊演算法(secure hash algorithm 1, SHA-1)都使用 NI LabView 來實現。而非對稱加密演算法橢圓曲線密碼(elliptic curve cryptography, ECC)的加密程序也已完成，解密部分亦即將完成[20]。未來將建立智慧型學生證的防偽安全機制，選擇 AES 與 SHA-1 演算法，可以使 Tag 的成本相對降低。

3.6 成果自評及與其他子計畫之交流 本子計畫於第一年研究期間，進行 RFID 通訊協定實驗，並運用實體標籤已驗證發射信號確實符合 EPCglobal Class1 Generation2 協定內容。再者，

本子計畫結合 DS-CDMA 和 Aloha 提出一種 RFID 訊號擷取協定模式，並整合同步演算法與訊號擷取協定，進行抗干擾模擬研究。最後，本子計畫利用 NI LabView 實現 AES 與 SHA-1 演算法，開發低成本的安全機制。

本子計畫已與子計畫二就實驗架構元件部分進行討論，未來將和子計畫一與二針對資訊傳輸與系統參數設定進行溝通與討論。

4. 子計畫四：自動偵測光電感應系統 4.1 研究背景及目的

本子計畫利用影像辨識分析技術與光纖感測技術與來研究光電感應系統[21]-[25]，主要是使用攝影機與光纖光柵來偵測人或物三度空間(3-D)位置[21]、振動、溫度、濕度、煙霧等，著重於感應元件之多重偵測。計畫的進行採取軟體與硬體互相配合方式，應用攝影機、溫度感測器、光纖光柵感測器[22、23]等偵測元件，研究多重偵測、感應與智慧判斷[24、25]，提供人性化服務，供校園安全、

監控、校園休閒與緊急求救之應用。

第一年的工作目標為利用攝影機來擷取 3-D 資訊，也進行影像之異動辨識，並且設計光纖感測器，供建物監測用。第一年的工作項目包括：

(1)校園 3-D 資訊擷取；

(2)影像異動分析之應用；

(3)光纖光柵式防災感測器設計。

依循此目標與工作項目，將本子計畫於第一年所完成之研究成果詳述如后。

4.2 校園 3-D 資訊擷取之探討

校園 3-D 資訊擷取包含三大組成：火災之煙霧偵測、立體視覺之相關研究、眼睛偵測之常見問題解決。火災之煙霧偵測須符合四個判斷機制：1.

煙霧顏色之判斷, 2.煙霧之亮度範圍偵測, 3.煙霧亂度特性偵測, 4.煙霧之擴散性質偵測。

在立體視覺之研究方面、典型結果如圖 4.1 所

示。圖中分別顯示黑白雙攝影機拍攝之左右影像,

經由等極線修正後結果, 透過 DSIc 為比對產生的視覺深度圖,深度門檻值之結果,經過裁減之臉部區域,左右眼睛之大概位置,取得左右眼睛之特徵結果.h.最後定位之雙眼眼睛中心。

圖 4.1a.黑白雙攝影機拍攝之左右影像

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圖 4.1b.經由等極線修正後結果

圖 4.1c.DSI 比對視覺深度圖圖 4.1d.深度門檻結果

圖 4.1e.經過裁減之臉部區域圖 4.1f 左右眼位置

圖 4.1g 左右眼睛特徵圖 4.1h.最後定位雙眼中心

眼睛偵測之常見問題有帶眼鏡之偵測與裸露身體之偵測 , 我們也設法解決。典型結果如圖 4.2ab 所示。

圖 4.2a 帶眼鏡之偵測結果

圖 4.2b. 裸露身體之偵測結果

4.3 影像異動分析之應用

為探討多重應用影像資訊，我們進行影像異動分析法研究，然後再應用到溫度,濕度與振動量測。我們已進行水滴凝結影像之判斷分析程式，追蹤程式設計，水滴影像放大與分析程式設計，並探討感像器於振動偵測之程式設計。

利用水滴產生前後差異之比較，我們找出邊緣影像來判斷水滴，提供溫濕度偵測。結果如圖 4.3 所示。

圖 4.3 讀取無水滴(左)與有水滴(右)之圖形

我們讀入無水滴與有水滴之圖形後，進行分區判斷、設定等分之大小，進行比對，在此取其飽和度做比較，進行判斷。結果如圖 4.4ab 所示。本子計畫將利用上述資訊,進一步進行溫度,濕度量測應用設計, 也將應用到振動量測設計。

圖 4.4a 飽和度處理之無水滴(左)與有水滴(右)圖

圖 4.4b 有水滴與無水滴影像差

4.4 光纖光柵式防災感測器設計

我們進行光纖光柵之製作,光纖溫度感測器 Survey 與量測。光纖光柵的穿透頻譜，經換算也可得到光纖光柵精準的反射率，如圖 4.5 所示，其穿透頻譜達 26.05 dB，反射率對應為 99.7 %。

圖 4.5 光纖光柵之穿透頻譜圖

在光纖溫度感測器方面，因光纖光柵對溫度的感測可以延伸出許多感測器的應用，像建築物或橋樑的感測監控，水位的感測、日曬量的感測或氣體感測也陸續研究中。光纖光柵因溫度變動使布拉格波長產生漂移，此特性卻讓光纖光柵在感測方面獲得成功的應用。圖 4.6 即為不同感測溫度下造成波長漂移的頻譜疊加圖。

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圖 4.6 不同溫度下的頻譜疊加圖 4.5. 成果自評及與其他子計畫之交流 本子計畫於第一年研究期間，針對使用攝影機、光纖光柵之光電感應系統進行瞭解，以偵測人或物三度空間位置、煙霧、濕度、溫度等。在校園 3-D 資訊擷取、影像異動分析之應用、光纖光柵式防災感測器設計等已具初步成果。下一年度計畫可藉由將影像資訊與光纖光柵，進一步來改進感測參數，進而提供智慧型校園使用。

本子計畫於第一年研究期間，曾與子計畫七就智慧型校園生活空間之煙霧等可能情境進行討論，本子計畫未來之實作希望能結合子計畫七的創新設計。未來本子計畫將與子計畫一與三探討資訊的擷取與獲得。

5. 子計畫五：智慧型人造光源照明系統 5.1 研究背景及目的

本研究評估光源的參數就是色溫[26]，因此本研究目的就是要建立出智慧型的色溫可調式 LED 光源，而 LED 具有體積小、發熱量低、發光壽命長、不易破、無污染、低耗電量等等之優點，而我們正需要如此之優點的元件來建造出色溫完完全全附合太陽光的色溫的智慧型 LED 照明系統，利用感測器量測戶外太陽光譜、色溫，以及室內環境光譜及色溫，並利用回授的機制進行室內光源調整，調整各光源之色溫[27]，所以此智慧型照明系統可因應戶外光源作不同的調整來控制 LED 混光運作進而產生最適合人類工作、閱讀、休息等等之環境光。

本子計畫之第一年工作目標係利用數個 RGB LED 做混色以做光源色溫調變，做 RGB LED 個數和排列位置之探討，以求其色溫、亮度變化範圍，

同時進行環境人工光源基底之探討。研發成果可配合子計畫七所設計之情竟作為校園智慧型照明設備使用。

5.2 研究成果及進度

首先需對太陽光進行一系列的室外光譜量測及色溫量測，還有就是針對 LED 如何的提高其發光效率，最後我們在利用光機模擬軟体 TracePro 來進行 LED 混光照明模擬，建立出完全符合太陽光色溫之效果，進而設計智慧型人造光源照明系統雛型。我們並於 2006/6/1 至 2006/7/31 二個月期間在學校量測的戶外光譜，如圖 5.1、5.2。

LED 發光效率的提升

目前有許多方法用以增加發光二極體(LED) 汲取效率，基本上可分為：（a）增加發光率；（b）

降低該元件中之吸收損失；（d）增加逃逸錐體數目及錐體角度；及（e）增加進入逃逸錐體的機率。

由於發光元件內之接觸電極、發光層或基板的光吸收特性，因此元件之發光及光吸收特性受到磊晶層堆疊結構影響。我們預計採用增加進入逃逸錐體的機率的方式來進行增加效率，所以將評估在 LED 晶粒上成長一特殊材料方式，來增加發光效率以做為未來照明使用時發光二極體亮度增需求。目前已進行初步成長製程參數調整與發光二極體亮度量測實驗規劃整合。

光機模擬軟体 TracePro 模擬

：

環形日光燈加 27 個 LED(RGB 各 9 顆)。27 顆 LED 採用 RGBRB 之環形式週期排列，如圖 5.3 所示。

圖 5.1: 晴天之戶外光譜 11:00 及 13:00 的色溫為 5000K 至 7000K 09:00 及 15:00 的色溫為 4000K 至 5000K 06:00 及 18:00 的色溫為 3000K 至 4000K 05:00 及 19:00 的色溫為 2500K 至 3000K

圖 5.2: 陰天之戶外光譜 11:00 及 13:00 的色溫為 5000K 至 6000K 09:00 及 15:00 的色溫為 4500K 至 5000K 06:00 及 18:00 的色溫為 4000K 至 4500K 05:00 及 19:00 的色溫為 3000K 至 4000K

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圖 5.3: 智慧型照明燈具模型

執行日光燈、R-LED 及 G-LED 之光線追跡，其結果如圖 5.4 所示，為模擬出色溫約 2000K 暖色系的光源。

圖 5.4：模擬暖色系的光源

執行日光燈、B-LED 及 G-LED 之光線追跡，其結果如圖 5.5 所示，為模擬出色溫約 10000K 暖色系的光源。

圖 5.5：模擬冷色系的光源 5.3 成果自評及與其他子計畫之交流 在本年度的研究成果與進度中，我們量測出太陽光的光譜及色溫，並利用 TracePro 來進行智慧型人造光源的設計，由 TracePro 的模擬結果可以知道，我們確實可以利用 RGB LED 加上目前現有的照明光源達到光源色溫改變之效果，甚至可由 2000K 改變至 10000K 的色溫皆沒有問題，而由量測之結果可知太陽光譜的色溫是由 2500K 至 7000K ，所以我們可以利用日光燈加上 LED 混光製造出一個完完全全附合太陽光色溫的可調色溫智慧型照明燈具，而這個人造光源更可以因應不同的工作需求，進行適當的調整以建立出最佳的環境光。

未來的方向：

1．進行太陽光光譜基底萃取。

2．最佳化感測器的選擇

3． LED 混光之光路設計 4．智慧型回授機制的建立

本子計畫於本年度曾與子計畫七就智慧型校園生活空間所可能需要之照明情境進行多次討論，未來透過子計畫七所提供之創意設計，本子計畫所研究之次世代照明系統將可創造功能與文化美感兼具的智慧型校園空間。

6. 子計畫六：隨處資訊擷取架構 6.1 研究背景及目的

本計畫預定開發以校園內網路環境為基礎的隨處資訊擷取處理架構所需的重要核心技術，將開發的技術使用在未來校園生活環境中。相關技術包含：

(1) 資料散播

(2) 移動資料快取與維護機制 (3) 服務搜尋

依循上述工作項目將本子計畫於第一年所完成之研究成果及展望詳述如下。

6.2 資料散播與資料快取

我們所研究的資料散播(Data Dissemination) 技術是在一個無線網路的環境中，資料來源端（伺服端）將資料有效率地傳送到使用者端（客戶端）

的方法。目前主要的兩個方法是資料廣播[28]與資料驗證[29]。資料廣播是伺服端將資料廣播到廣播頻道中，需要資料的客戶端到廣播頻道中拿所需的資料；資料驗證是客戶端向伺服端要求所需資料，

伺服端再分別傳送資料給客戶端。

資料驗證方法為了省電及降低查詢時間，客戶端會使用快取策略，將常用的資料項暫存在記憶體中以便後續使用。暫存資料的更新是使用失效報告（Invalidation Report, IR）。本子計畫在第一期的 工作是研究這些方法在建置校園隨處資訊擷取架 構的可行性。我們提出了兩項研究成果：一、在 資料廣播中加入快取及其相關的失效驗證報告 [30]，以增加資料廣播的效率，二、將資料驗證方法應用於無線隨意網路中[31]。這兩個方法分別以自己開發的模擬器及 NS2 網路模擬器實驗其效果，其效果都相當顯著。

在使用這兩項技術於建置校園隨處資訊擷取架構上，我們發現如下的困難：一、目前的校園無線網路 WLAN 技術中，AP 的涵蓋範圍小於 150 公尺[32]，範圍太小；因此，無法使用校園中已建置 WLAN，建置資料廣播或 IR 方法；二、現有的無線隨意網路(MANET)尚未商業化，只能用網路模擬器如(NS2)模擬。

由於使用無線技術建置隨處資訊擷取架暫不可行，我們將第二期的計畫提前執行，第二期計畫 是建置一個智慧型校園生活空間的範例，所謂智 慧型生活空間(Smart Space)，指的是生活空間可以感知使用者的身分、目前的生理狀態、目前所在的

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位置及目前正在從事的事情等，智慧性地調整該空間中的設備，以方便使用者使用。這種空間所具有的特性稱為情境感知(Context Awareness)[33]。本研究所採用的智慧型生活空間的架構如圖 6.1 所示。

其各部份的說明如下:

Physical Space：實體空間佈置無線感測網路，

蒐集智慧型生活空間的環境資訊。

Context Management：情境管理，管理情境學習 方法與負責儲存各種情境行為。

Context Learning Model：情境學習模組，使用 資料探勘方法，協助建立、分類各種情境。

Database：儲存個人數位資訊、環境狀態資訊、

空間定位資訊等。

Middle Layer：連結實體空間與資料庫，由接收 器接收實體空間傳回來的資料，並存入感測網路的資料庫中(Tiny DB)。而轉換器則將 Tiny DB 的資料加以整理，將整理好的資訊送給後端的資料庫。Context management 利用資料探勘的方法，

推論目前的情境，來驅使控制單元做出適當的反應，進而改變智慧型生活空間的設備組態。

receiver TransformerTiny

DB Control

Context Management

Context Learning model

Database Physical Space

DB Control

DB

DB Control

Context Management

Database Context Management

Database Database Physical Space

圖 6.1 智慧型空間架構 6.3 服務搜尋

依照本子計畫與子計畫七的團隊所討論出的智慧型教室情境，我們擬定如圖 6.2 所示之智慧型教室系統的架構藍圖，並將服務搜尋技術應用於此架構中，使得智慧型教室系統可以動態地搜尋新增加的服務，供使用者使用。架構各部份的說明如下:

Ontology Knowledge Repository：為知識儲存核 心裝置，將情境 (context) 使用 RDF (Resource Description Framework)/OWL (Web Ontology Language)的方式表現出來並儲存在資料庫中，我們將使用 Jena 來完成其建置。

Context-aware Decision Agent：為一個以規則為 基礎的決策代理人，利用 Ontology 提供的相關資訊做為決策的依據，並使用 Jess (Java Expert System Shell)為輔助工具，使其更有彈性。

Context Information Collector：收集相關資料並 將其轉換成 RDF/OWL 格式，存在 Ontology 中。

Service Discovery Agent/Service Management Agent：找尋可提供的服務並利用服務介面驅動 所需的服務。

6.4 成果自評及與其他子計畫之交流 本子計畫於第一年研究期間，首先嘗試運用資料散播與資料快取技術於建置校園隨處資訊擷取的架構上，但因目前的校園無線網路 WLAN 本身的技術與結構的限制，無法實作資料散播與資料快取的功能於此架構之上，所以本子計畫轉向先建置智慧型校園生活空間的系統。在此方向上，結合服務搜尋與無線感測網路的資料擷取技術，提出智慧型教室的情境分析與架構藍圖。我們亦完成對各個感測器與智慧型控制系統的介面分析與實測。這些成果奠定本子計畫下一年度的研究基礎，對達成第二年工作目標極有助益。

本子計畫於第一年研究期間，與子計畫七就智慧型校園生活空間之可能情境進行多次討論。未來本子計畫實作的智慧型系統希望能結合子計畫七的創新設計，創造功能與文化美感兼具的智慧型校園空間。

7. 子計畫七：未來生活情境模擬與概念產品設計 7.1 研究背景與目的

本子計畫目的在探討使用者對未來智慧型校園生活環境的期待與需求，並將其他各子計劃中所發展的技術應用於創新產品之設計概念。

本子計畫於第一年研究期間，與各子計畫進行多次會議與溝通，針對各子計畫不同技術及研究方向，找尋出未來智慧型校園設計之中可能的運用方式，透過其他子計劃之研究技術，設計相關概念產品，針對三大方向進行研究與設計：

(1)智慧型教室探討與設計；

(2)次世代照明系統運用與設計；

(3)RFID(射頻辨識系統)運用與設計；

依循此目標將本子計畫於第一年所完成之研究成果詳述如后。

7.2 智慧型教室探討與設計

在觀察與文獻探討之中，對於未來五年內校園教室的教學型態，透過不同的空間來定義未來教室，以目前的規劃及課程的安排，針對了未來一般圖 6.2 智慧型教室系統的架構藍圖

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教室及未來演講廳作相關的規劃與設計：

針對兩個不同的空間，有不同的教學型態，未來一般講述型教室針對了講述式教學的發展，提高學習品質及教學效率；未來演講廳則是以提供更有品質的演講為目標，同時，也幫助同學們可以更容易吸收演講的內容。

1. 講述式教學專用電腦

由於多媒體教學的趨勢，配合講述的教學形式，為了提高教學效率及學習品質，教室專用電腦賦予教學者更容易控制的多媒體遙控器，可當滑鼠、光筆及數位粉筆使用；另外，對於一般的書本教學，利用無線傳輸技術，設計了無線資料掃描系統，可將書本資料快速投影出來；此外，

考慮同學複習，專用電腦中可以錄下老師上課的語音，並利用無線傳輸來下載檔案，以利於課後複習，如圖 7.1、圖 7.2。

2. 智慧型講桌

在校園的大型會議中心及禮堂，時常舉辦演講等活動，在多媒體發表的趨勢下，演講者可以讓講演更加的活潑，利用更自然的控制方式，智慧型講桌提供具有無線遙控的觸控筆，筆上更附有指向性麥克風，

使得演講者沒有麥克風的束縛，演講更加自然；講桌的設計所加入的科技風，使整個演講廳更充滿未來感，如圖 7.3、圖 7.4。

7.3 次世代照明系統運用與設計

人的生理機能其實受到日光的影響很大，尤其早晨的晨光的照射可以使人的精神更為振奮，因此次世代照明系統計劃不僅僅是科學上的研究也是概念設計的發想點，而是利用大自然給予的資源，

應用於人的日常生活中，是讓日光對於人類生理正面的影響更加有效率的一項研究與合作。

配合子計畫五「次世代照明系統」，本計畫運用一個自然採光系統以及色溫可調式光源，並透過光源分析來做感控來達到設計的技術背景，並且，

希望藉此找出使用者除了在可接受自然光照明外，還有無任何更貼切使用者生活之需求。

針對次世代照明系統之設計，發展了以下三個概念產品：

1. 次世代教室照明設備

利用現有 CCF 螢光燈照明平台搭配 LED 混色創造出自然光或是特殊色光，設計成新一代的教室照明系統，如圖 7.5，並且可配合各種不同的上課氣氛，可依造區域或是需求，利用控制面板，調整各區域照明以及色光，如圖 7.6，以達到各種不同照明的方式。

圖 7.1 講述式教學專用電腦

圖 7.2 講述式教學專用電腦各種設備

圖 7.3 智慧型講桌設計模擬圖

圖 7.4 具有科技感之智慧型講桌

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2. 次世代個人互動式照明設備

針對個人使用空間，藉由光源分析探測器感測環境四周光源，調整出合適使用者的光源，使用者也可依個人喜好調整色溫，

同時更近一步希望透過產品提供使用者在健康管理上的提醒功能。如圖 7.7、圖 7.8。

3. 次世代照明系統應用於校園環境設計次世代照明系統與校園公共藝術做結合，配合軟體設計燈光撥放的程式，使得校園的裝飾藝術品不再是呆板的地標，而是成為了到晚上具有吸引人目光效果的裝置藝術，動態的燈光展示使校園呈現新風貌。以校園環境設計為目標設計出三個產品。如圖 7.9、圖 7.10、圖 7.11.

7.4 人機介面之射頻技術相關應用

配合子計畫二：人機介面之射頻辨識技術，針對現今校園內的生活環境及生活型態，考量到技術的研發以及產品與使用者間互動的情況，推演出未來 RFID 技術在智慧型校園中應用的三個設計概念如下：

1. RFID 校園停車場規劃

針對未來智慧型校園內的停車場設計，將停車場劃分為三個區域，停車場出入口，

停車場內部，如圖 7.12，透過 RFID 技術，

圖 7.7 次世代個人互動式照明設備情境圖

圖 7.10 校園環境設計-光瀑

圖 7.11 校園環境設計-光簾圖 7.6 次世代教室照明設備控制面板

圖 7.8 次世代個人互動式照明設備產品圖

圖 7.5 次世代教室照明設備設計模擬圖圖 7.9 校園環境設計-星夜

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針對停車場門禁、繳費扣款方式、殘障者使用權、以及停車場管理模式重新加以規劃，並簡化了整體使用流程。

2. RFID 校園餐廳規劃

透過 RFID 的技術應用於校園餐廳系統規劃，讓使用者不需使用現金交易，改用 RFID 扣款的方式，使用餐環境動線流暢，食品資訊清晰明確，顯示各項餐點營養資訊。使用設有 RFID tag 的夾子來做計費，如圖 7.13，一方面可避免清洗時的高溫及水的損壞，計費夾也可重複使用，學生從匝道出口離開後立即扣款，由中央系統統一記錄每位使用者的消費金額。

3. RFID 應用於校園腳踏車架

針對使用者在使用腳踏車架的便利性，以及增強腳踏車架的防盜性，設計了一套結合 RFID 技術的腳踏車架，使車主得以透過 Tag 直接將腳踏車鎖於車架上，省卻保管鑰匙以及開鎖腳踏車的不便。

7.5 成果自評及與其他子計畫之交流

本子計畫於本年度研究期間，與各子計畫進行多次會議與溝通，針對各子計畫不同技術及研究方向，找尋出未來智慧型校園設計之中可能的運用方式，透過其他子計劃之研究技術，設計相關概念產品與情境模擬，其中以智慧型教室探討、次世代照明系統運用、以及 RFID 系統應用設計為本年度之發展主題。本子計畫所研擬之未來生活情境將可作為本計畫於次年度逐步實現智慧型校園生活情境之重要參考與建議。

III. 總結

本計畫於第一年執行期間內，成功結合本校電腦、網路、通信、電波、光電、資管及工商業設計等各方面專長的教授，共同研擬建置智慧型校園生活之核心技術與能力。各子計畫于第一年所設立之計畫目標皆順利達成，部份項目並有超前之情形。

展望未來，本計畫除將繼續研究應用於智慧型校園生活空間的關鍵技術與能力外，同時亦將研究重心置於整合各子計畫所研發完成之核心技術，並搭配子計畫七所提供之生活情境概念，選擇適當之題材進行智慧校園生活空間之實地展示與驗證，期以完成本計畫研擬建置之初衷。

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