具快速反應且穩定的耦合式自我診斷嵌入指引系統

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研究生：	黃威生 Widjaja, Wilhelmus Wincent
論文名稱：	具快速反應且穩定的耦合式自我診斷嵌入指引系統 Robust and Responsive Self Diagnosing Embedded Coupling Modules for Indicator Applications
指導教授：	周百祥 Chou, Pai H.
口試委員:	韓永楷 HON, WING KAI 王俊堯 WANG, CHUN-YAO
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電機資訊學院 - 資訊工程學系 Computer Science
論文出版年：	2019
畢業學年度：	107
語文別：	英文
論文頁數：	41
中文關鍵詞：	具快速反應、自我診斷、嵌入指引系統
外文關鍵詞：	Responsive, Self Diagnosing, Embedded Coupling Modules
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本論文提出了一種具快速反應且操作穩定的耦合式自我診斷嵌入指引系統，提供LED燈
條讓使用者可以自行組成網格或通用圖形拓撲，主要應用於藥物指示器，以協助藥劑師在配
藥時避免取錯處方藥。我們的挑戰在於讓非專業用戶能夠在LED 燈條的約束下重新配置指
示器系統的形狀以及尺寸。為了實現目標，我們設計一個耦合模組，用於連接多達四個市面
上現成的LED燈條以形成網格。這些模組結合有線和無線通信協議來自動搜尋與建立圖形拓
撲之後，使用者可以透過圖形界面（GUI）從主機端輕易地控制系統，而無需手動配置或任
何編程。這套系統增強通信的穩定性，同時縮短反應時間以改進先前的設計。除此之外，它
會在數據包丟失時重新傳輸數據包，並在發生問題時採取適當的措施。實驗結果顯示，我們
的分佈式耦合方法直觀，性能開銷最小，同時具有可擴展性。

This thesis presents a robust and responsive distributed coupling embedded modules that can be
used to compose LED light strips in grid or general graph topologies. The main application is the
medicine compartment indicator to help pharmacists avoid errors in dispensing prescription drugs.
The challenge is to enable lay users to reconfigure the indicator system in the shape and size of their
choice under the constraint of the LED light strip. To accomplish this, we design a coupling module
for connecting up to four commercial off-the-shelf LED light strips each to form a grid. Together,
these modules can discover the graph topology using a mix of wired and wireless communication
protocols. The resulting system can be readily controlled from a host computer using a graphical
user interface (GUI) with no manual configuration or any programming. It improves on a previous
design by enhancing the robustness of communication in the composed system while enhancing the
responsiveness. It retransmits packets on packet loss and self-recovers upon encountering problems.
Experimental results show that our distributed coupling approach to be intuitive with minimal performance
overhead while being scalable.

Contents
Contents i
Acknowledgments vi
Introduction 1
1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1 CISP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2 EcoJimu v1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.3 EcoJimu v2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
4 Thesis Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Background and Related Work 6
1 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1 LED Light Strip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 I2S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Programmable Peripheral Interconnect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 GPIO Tasks and Events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.5 Enhanced ShockBurst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 Reconfigurable System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Creative Ways of Utilizing LED Light Strip . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Problem Statement 14
1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
i
1.1 Functional Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2 Administration Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 Indication Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2 Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.1 Timing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1 Minimize Packet Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.2 Responsive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.3 Scalable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.4 Accurate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Technical Approach 19
1 Inter-node Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1 Packet Format . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2 Firmware Mechanism (Polling) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3 Message Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 Shape Discovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1 Node Identification Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2 Neighborhood Exploration Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Data Collection Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 Graphical User Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Implementation 28
1 Hardware Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2 Software Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Evaluation 34
1 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2 Experimental Result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1 Latency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2 Success Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3 Handling Packet Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
ii
3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1 Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Conclusions and Future Work 39
1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2 Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Bibliography                   41     
                                

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[3] Y.-Y. Chen, “Distributed embedded coupling systems for composing led strip lights for indicator
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[5] “General Purpose Input Output Tasks and Events.” https://infocenter.nordicsemi.com/index.
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[6] C. Bobda and A. Ahmadinia, “Dynamic interconnection of reconfigurable modules on reconfigurable
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[10] P. Chu, “Integrating computer engineering labs with "video theme",” 06 2017.

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