數位化居家照護系統研究-子計畫一:適用於居家照護系統之安全通訊平台(II)

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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

子計畫一:適用於居家照護系統之安全通訊平台(2/3)

計畫類別: 整合型計畫

計畫編號: NSC94-2218-E-009-005-

執行期間: 94 年 10 月 01 日至 95 年 09 月 30 日

執行單位: 國立交通大學電機與控制工程學系(所)

計畫主持人: 黃育綸

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 10 月 16 日

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

數位化居家照護系統研究

子計畫一:適用於居家照護系統之安全通訊平台(2/3)

計畫編號:NSC94-2218-E-009-005

執行期限:94 年 10 月 1 日至 95 年 9 月 30 日

主持人:黃育綸 國立交通大學電控工程系

計畫參與人員:夏恩捷、黃建銘、賴新林

一、 中文摘要

在數位化老人居家照護環境中,通訊網路 是非常重要的一個環節。因此,在本計畫中, 研究人員針對居家照護環境的特性,設計了一 套分散式家庭網路,以一台家庭伺服器(Home Server)為核心,對內可提供一套資訊交換及 儲存平台供其他系統存取及交換資訊,對外可 與網際網路接軌。在這套分散式家庭網路中, 家庭伺服器提供各種不同通訊介面互相溝通 的內部網路橋接模組、負責收集這些通訊裝置 所偵測到的生理訊號,並將必要資訊存放於資 料庫中。此外,家庭伺服器中的控制模組會定 期分析存放於資料庫中的資訊,並於緊急狀況 可能發生的情況下,送出警告訊息給在遠方的 家人。最後,家庭伺服器亦透過一套安全資料 存取介面,讓其他經授權認可的系統(如醫 院、照護中心等)可以自資料庫中取出所需的 資訊。 為了提供更好的彈性,首先,計畫人員整 合數種無線網路於家庭環境中,如 WLAN、 藍芽及家用電力線網路等。其次,考慮到使用 者介面的友善度,在本年度計畫中,研究人員 選擇 Windows XP 作為家庭伺服器的作業系 統,並利用此作業系統中所提供的虛擬橋接功 能,整合各種內部通訊網路模組,以便其他終 端生理訊號偵測系統透過各種不同的無線通 訊傳輸協定,將偵測的資訊傳送到家庭伺服 器。此橋接模組並可作為各生理訊號偵測系統 與家庭伺服器之間的溝通橋樑。第三,研究人 員在家庭伺服器上建置 MySQL 資料庫系統, 用以收集終端裝置所傳過來的感測資料。最 後,計畫研究人員將於未來計畫執行期間,繼 續 致力於實作家庭伺服器上的核心控制程 式,用以協調、整合各子計畫之軟硬體元件。

關鍵詞:

居家照護網路、分散式家庭網路、 無線通訊橋接模組

Abstract

Communication networks are one of the key points for digital elderly homecare system. In this project, we design a distributed home network for such a home network. In this distributed network, a home server is used to collect information from other control systems and keeping the necessary information in the database. Internally, this home network provides a platform for exchanging and storing information of other control systems connected to this home network. Externally, this home network plays the role of bridging users and the Internet.

To provide higher flexibility, first, hybrid wireless networks must be integrated in the digital home environment. To achieve this goal, project researchers deploy and test WLAN, Bluetooth and HomePlug networks in the second year. Second, researchers implement a multiple interface communication module in Windows XP, to bridge the end devices, running Bluetooth, HomePlug or ZigBee protocols, and the home server. Third, researchers also install MySQL for Windows in the home server to collect the sensing data from the end devices. Finally, project researchers will implement a control daemon in the home server to coordinate and integrate the hardware and software components from other projects.

Keywords: Digital Home Care Network,

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Module. 二、 緣由與目的 為了因應人口老畫的問題,各國政府均 投注相當多的研究人力在老人居家照護方面 [1-5],期待能運用現代化科技的設備與服務, 使 Homecare 的品質更加提升。這類研究計畫 中最著名的是歐盟在 1999 年 1 月至 2000 年 6 月所實施的「Ten-Care」[7]。此計畫之主要任 務,乃在於整合與應用現有的資訊科技,將科 技帶進人民的生活,俾讓歐洲各處的社會大眾 均能享受生活科技化所帶來的效益。而這樣的 計畫中,網路通訊扮演著相當重要的角色,協 助各數位科技產品互通訊息。 在下一代的家庭網路環境中,除了必須 提供傳統傳送一般數據資料的功能外,同時必 須能支援多媒體資料的大量傳輸。所以,新一 代的家庭網路裝置設備,其功能性需求也欲趨 複雜與多元化。這種演進的結果,就是不斷有 可以與家庭網路交互作用的一些新興多媒體 設備及相對應用的因應而生。老人居家照護系 統即為其中一種新興應用。 在未來的老人居家照護系統中,將存在 各種不同用途的數位系統,如生理訊號監控系 統、看護機器人監控系統、語音監控系統、數 位家電控制系統、數位家庭圖書館等等。在這 些多樣性系統的需求下,分散式架構的家庭網 路將因應而生,讓這些系統能夠以分散式的架 構整合在家庭網路(Home Network)上。這樣的 家庭網路將可提供一套平台,以利資訊交換及 資料儲存。各種不同用途的監控系統都能透過 這樣的家庭網路進行資訊的交換及資料的儲 存作業。同時,這些監控系統更可透過家庭網 路,與網際網路接軌,以便將資訊透過網際網 路傳到遠端伺服器,實現如遠距醫療協助、遠 距監看與緊急通知等功能。 在本計畫中,我們架設以無線通訊技術 為基礎的家庭網路,如 802.11a/b/g 、藍芽、 家用電力線(HomePlug)[6]、Zigbee 等。我們 希望使用者只要將電腦或監控系統接上家庭 網路,家裡任何成員都可以自在地操作這些機 器。只要分享一個寬頻家庭網路,不論要列 印、取用或儲存其他監控系統或檔案,都能夠 暢通無阻,如下圖所示。 圖一、居家照護網路系統架構 在此架構下,家庭伺服器會收集來自各 終端裝置的感測資料,將其儲存於本機資料庫 中,並進行初步評估與處理。如果發現所接收 資料中達到緊急通知的條件,家庭伺服器將透 過連外網路模組,發送通知訊息給醫護人員或 家人。另外,家庭伺服器亦將定期將本機資料 庫中的資料透過網路傳送到資料中心,以供遠 端存取主機(如醫院之診療主機)存取相關資 料。依此架構為前提考量,本計畫預計達成的 目標有以下幾項: „ 架構一套異質性家庭網路系統,讓家庭 網路中的其他裝置與系統得以連接於此 網路系統內,並可相互傳遞訊息。 „ 於外部網路架構一台資料中心,負責收 集並處理各終端家庭用戶所傳送過來的 資料,以供遠端存取主機(如醫院診斷 主機)等存取資料庫中的資料。 „ 設計家庭伺服器的軟體架構,提供存取 介面,讓家庭網路中的其他裝置、系統 可以透過這套介面,寫入、讀取資料庫 中的個別或整合資訊。 „ 提供各種通訊協定的橋接模組,讓家庭 網路中的生理訊號偵測裝置(終端裝置) 可以透過這套橋接模組,傳送偵測資訊 至家庭伺服器的資料庫中,以利後續的 資訊整合與存取。 基於以上幾個目的,本年度計畫執行期 間,研究人員依序完成了以下幾個子項目的建 置: „ 完成分散式家庭網路系統的架設,此網 路環境中支援 WLAN、藍芽、家用電力 線及 Zigbee 等傳輸介面。 „ 建置家庭伺服器軟體架構中所需的核心

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資料庫系統(

MySQL for Windows

), 提供存取介面,讓網路中的其他裝置可 以將資料寫入資料庫中。 „ 利用 Windows XP 作業系統中所提供的 虛擬橋接功能,整合各種內部通訊網路 模組,如 WLAN、藍芽、家用電力線及 Zigbee 等傳輸協定。 „ 修改上一年度所設計之家庭伺服器軟體 系統架構,使其能與其他子計畫更密切 運作。 在下一節中,我們將詳細說明各子項目 的完成情形。

三、 研究方法

1. 架設分散式家庭網路 本計畫研究人員在此子項目中,架設了 適用於家庭環境的異質性無線網路。透過家庭 伺服器,對內可接收來自各終端裝置傳來的生 理訊號或其他要求訊息;對外,則可連接照護 中心與醫院。目前已經完成的無線網路系統, 除 802.11b/g 之外,尚有家用電力線及藍芽。 Zigbee 網路則尚在建置中。下面說明本計畫所 完成之家用電力線網路及藍芽網路: (1) 802.11 a/b/g 無線網路

利用 DLink DI-784 802.11 a/b/g 存取點 (AP)架設無線網路。使終端裝置能將所收 集到資訊,透過無線傳輸方式,傳送到家庭伺 服器,如上圖所示。802.11a/b/g 無線網路操作 如下圖: 圖二、無線網路系統架構與展示 (2) 家庭電力線網路 利 用 Netgear XE102 架設家庭電力線 (Homeplug)網路,利用家用電力佈線取代傳統 網路線,將終端裝置所收集到資訊傳送到家庭 伺服器。 圖三、家用電力線網路系統架構 利用 XE102 實作之家庭電力線網路之實 際接線如下圖所示: 圖四、家用電力線網路接線說明 (3) 藍芽網路 (Bluetooth) 在本計畫第一年度執行期間,為支援居家 照護網路系統中各種不同終端裝置的通訊需 求,研究人員亦建置了藍芽網路。利用 Bluetak BT700X 藍芽網卡所建置的藍芽網路示意圖 如上所示。實驗結果呈現如下: 圖五、藍芽網路系統架構與展示

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2. 建置家庭伺服器之資料庫系統 本計畫研究人員在此子項目中,架設了 適用於家庭環境的資料庫系統,MySQL for Windows,如下圖所示。 圖六、家庭伺服器之資料庫系統 MySQL for Windows 3. 建置家庭網路內部橋接器模組 在本計畫第一年度執行期間,為支援居家 照護網路系統中各種不同終端裝置的通訊需 求,研究人員建置了一套可用於橋接乙太網路 與藍芽協定的模組。讓所有支援藍芽協定的終 端手持裝置可以透過此模組,以藍芽、乙太網 路等通訊協定,與家庭伺服器互傳訊息。 圖七、藍芽橋接器之設計 上圖說明本研究計畫所提出的藍芽橋接 模組設計概念,當主機 A 想要透過藍芽協定 傳送資料至主機 B 時,TCP/IP 封包資料會先 透過 L2CAP 協定 (Logical Link Control and Adaptation Protocol) (L2CAP)封裝,然後透 過藍芽傳輸訊號,傳送至橋接器模組。收到封 包後,藍芽橋接器會解開此封包,將其轉換回 TCP/IP 封包,並轉傳至主機 B,如圖六所示。 圖八、實驗環境 在本研究計畫所架設的實驗環境中,第一 年度計畫執行期間,以灌有 Linux 作業系統的 主機作為藍芽橋接器,扮演圖五中的橋接器, 此主機上必須同時裝有一般的網路介面(乙太 網 路 或 無 線 網 路 ) 及 藍 芽 網 卡 (Bluetooth Dongle)。同時,並以架設視窗作業系統與藍 芽網卡的筆記型電腦作為藍芽終端裝置,扮演 圖五主機 A 的角色。這台終端裝置並無乙太 網路或無線網路連線功能。至於主機 B 則可 為透過橋接器可存取到的任一機器。 在第二年度計畫執行期間,考慮到整個家 庭網路的實際應用面,我們將實驗平台整個置 換為 Windows XP,並在 XP 上實作前一年度 所完成之藍芽、乙太網路橋接模組。計畫執行 結果如下圖所示: 圖九、Windows XP 上的藍芽橋接模組 4. 修改家庭伺服器軟體系統架構 參考圖一之網路系統架構,在家庭伺服器 的軟體系統架構方面,為了更密切配合其他子 計畫的整合,我們作了部分修改與調整。新的 軟體系統架構如下圖所示。

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圖十、家庭伺服器之軟體模組架構 在上圖中,研究人員利用「內部網路橋 接模組」提供主控模組一個統一存取各種不同 的無線通訊協定的介面,以利終端裝置的資料 收送。家庭伺服器的主控模組則負責接收來自 聲音模組的驅動訊號、來自終端裝置的感測資 料、處理這些訊號與資料,並分派工作給其他 子模組處理。例如,當主控模組收到聲音模組 的 VAD 訊號驅動時,會啟動語音辨識模組, 判斷是否為語音命令(voice command),並接著 將所取得之語音命令(如看電視)分派給相關 的模組、啟動該處理程式(如開啟電視畫面)。 其工作流程如下: 圖十一、家庭伺服器之主控模組工作流程圖

四、 計畫成果自評

本計畫執行至今,已經完成的目標有: [第一年] 1. 完成分散式家庭網路的設計。 2. 完成家庭伺服器與資料庫互動的軟體 模組設計。 3. 在 Linux 系統上完成乙太網路與藍芽 協定橋接模組的設計。 [第二年] 1. 完成異質性家庭無線網路的佈置與測 試:802.11a/b/g 無線網路、家用電力線 網路及藍芽網路。 2. 完成家庭伺服器資料庫系統之架設與 資料表格設計。 3. 在 Windows XP 上建置 802.11a/b/g 與藍 芽協定橋接模組。 4. 修改家庭伺服器軟體系統架構與工作 流程。 本年度計畫執行期間尚須完成的目標有: 1. 架設 ZigBee 無線網路的佈置與測試。 2. 依據其他子計畫終端裝置需求,於資料 庫中建置相關資料表格,並撰寫查詢程 式。 3. 提供安全的對外資料傳輸,以確保家庭 使用者資訊的授權存取。 4. 實作並測試家庭伺服器軟體系統架構 中尚未完成之系統元件與模組。

五、 參考文獻

1. Horgas, Ann L. and Gregory D. Abowd, “The Impact of Technology on Living Environments for Elderly Adults,” Chapter appearing in NRC commissioned report based on workshop in January 2003.

2. Kidd, Cory D., Robert J. Orr, Gregory D. Abowd, Christopher G. Atkeson, Irfan A. Essa, Blair MacIntyre, Elizabeth Mynatt, Thad E. Starner and Wendy Newstetter, “The Aware Home: A Living Laboratory for Ubiquitous Computing Research,” In the Proceedings of the Second International Workshop on Cooperative Buildings.

3. Hyman, J.A., “Computer Vision Based People Tracking for Motivating Behavior in Public Spaces,” Thesis Electrical Engineering and Computer Science, Massachusetts

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Institute of Technology, September 2003 4. S.S. Intille, K. Larson. Designing and

Evaluating Supportive Technology for Homes.

Proceedings of the IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics 2003.

5. Starr, T., Cioffi, J., and P., Silverman, “Understanding Digital Subscriber Line Technology,” Prentice Hall, 1999.

6. Steve Gardner, Brian Markwalter, and Larry Yonge, “HomePlug Standard Brings Networking to the Home,”

http://www.commsdesign.com/main/2000/12/ 0012feat5.htm.

7. Work Research Centre,

Telecommunications-based Home-Care Services for European Citizens,

數據

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參考文獻

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