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作者:蔡濟民、謝文惟、周致偉、馬鴻祥、李志傑(2003-10-24);徐業良

e-House Center-未來之家無線監測系統之設計

摘要

本研究結合單晶片與市售無線收發模組,自行開發編解碼程式,使能與現有各種感測器或電器結合,將感測到的家中各類資訊以無線方式傳輸、顯示在中央監控面板上。此外,還可進一步整合單晶片網路伺服器,從網路上可以直接讀取家中資訊。此種模組化、外掛式的無線監測系統架構,不需複雜、昂貴的硬體設施,每個家庭皆可輕鬆建構出理想的e-House

1.     前言

e-House的概念最早由Intel公司提出,其概念包括了上網收看一般電視與衛星電視節目、及以無線技術如Home RFBluetooth將家中各項電器連結在一起在去年秋季時,北京的亞運新新家園內也真正搭建了供人居住的e-HOME,配置有不需傳統的鑰匙的指紋鎖、可依在家或外出時的不同需求預先設定家中電器的預設開關、可控制家中各項設備的無線控制器、及結合電視與電腦的數位電視。

所謂e-House在設計概念上所代表的是一個空間,它的目的是要建構一個新的環境,讓使用者的生活更便利、更安全。在現今工商業發達的忙碌社會,諸如此類的需求更顯重要,許多相關的專利發明也因應而生,例如掌上型無線監視裝置專利【1】,主要是藉由攝影機以無線傳輸之方式傳送訊號,讓使用者能夠在任意位置就能達到監控的目的,大輻增加監控作業之便利性及機動性。此外無線傳輸保全系統之信號發射裝置專利【2】,則是藉由感測器的裝配,利用無線傳輸的技術,將訊息傳送出來,並在有突發狀況時給予警告,用以預防意外災害的發生。市面上也有許許多多無線遙控裝置的產品,例如遙控燈光、遙控電器電源,其原理多為在電器與插座之間加裝接收器,便可透過無線的方式遙控該電器的開關。

在此計畫中我們結合單晶片與無線收發模組,自行開發編解碼程式,以外掛式、模組化的架構,使能與現有各種感測器或電器結合,將感測到的家中各類資訊以無線方式傳輸、顯示在中央監控面板上。此外,還可進一步整合單晶片網路伺服器,從網路上可以直接讀取家中資訊。此種模組化、外掛式的無線監測系統架構,不需複雜、昂貴的硬體設施,每個家庭皆可輕鬆建構出理想的e-House

2.     未來之家無線監測系統設計概念

e-House Center的設計概念中,主要要達到的目的有無線遙控與資料的無線傳輸與監控。圖1所示為其基本架構,所需元件包括了感測器、一般的家電(如電燈)、單晶片(PICPIC-Server)、無線收發模組、與遠端網路電腦等。

1. 系統架構概要圖

1的架構中主要包括監測資料與訊號,以及控制訊號兩個方向的流程。電器或感測器的訊號會由PIC編碼後,經市售無線收發模組將訊號無線傳輸至接收端經PIC解碼。之後資料傳遞給PIC-SERVER即可透過遠端網路上之電腦監測家中的狀況。控制訊號的流程則可循相反方向傳輸,即可由遠端經網際網路控制家中電器,附加功能也可經由隨身的遙控器直接控制家中電器開關。

如圖2所示,將相關元件加以群組,可更進一步地分別規劃成四個相關的子系統:(1)受監控系統,主要是家中電器或感測器;(2)無線傳輸系統,包含無線傳輸模組及編解碼單晶片;(3)網路監控系統,利用PIC-Server以達到網路監控的功能;(4)近端遙控器,與監控系統連結,讓使用者在家中也能有簡單的無線遙控電器的功能。四個子系統中又以無線傳輸系統為關鍵子系統。

2. 子系統群組圖

3.     無線傳輸子系統的設計

無線資料傳輸可分為紅外線傳輸與無線電波傳輸,因為紅外線傳輸有方向性的限制,所以我們選擇以無線電波來進行資料傳輸。本研究中所需要傳輸的資料僅為簡單的家庭環境監測資料,如溫溼度數據或電器的ON/OFF狀態,因此我們選擇較低頻段的無線電波來作為工作頻段,利用無線收發模組的開關功能,並自行開發單晶片解、編碼程式來達到無線的資料傳輸。

本計畫開發之無線資料傳輸子系統分為發射端與接收端,包含的元件如表1此子系統需要達成的功能為將感測器如溫度感測器)量測出的數據經由PIC中的編碼程式編碼,再透過TG-11發射模組與HT-12E編碼IC發射訊號,接收端的TG-11接收模組與HT-12D解碼IC收到訊號後,再經由PIC的解碼程式解碼成原來的數據。

1. 關鍵子系統細部元件表

 

元件

發射端

溫度感測器

PIC

TG-11發射模組

電源

HT-12E編碼IC

接收端

TG-11接收模組

PIC

LCD顯示器

電源

HT-12D解碼IC

電路設計方面,發射端電路如圖3所示,由於發射模組的工作電壓可在3V~12V之間,而單晶片PIC16F877的工作電壓為5V,因此發射端電路統一電源為5V單晶片上的RB1~RB4相對於HT-12Echannel 13~10可經由單晶片中的編碼程式控制4channel的開關狀態,RA1可接待測物的分壓,進行AD的轉換。接收端電路如圖4所示,接收模組和LCD顯示器跟單晶片PIC16F877的工作電壓皆為5V因此也可將電源統一成5VHT-12D channel 10~13接到單晶片上的RA0~RA3可由單晶片中的解碼程式讀取4channel中的開關情形,並判斷數據資料內容。

3. 發射端電路

4. 接收端電路

編碼程式概念流程如圖5,主要是透過ad_1抓取電壓訊號,經過公式換算求得二位數字之量測數值後,拆開分解為十位數字與個位的數字,分別將這兩位數編碼為4bit之數據,於數據之前加入不同之起始碼以便區別位數,此時資料皆以01的方式顯示,定義0為低電位輸出電壓值為0V1為高電位輸出電壓值為5V,依序輸出至發射端HT-12E編碼IC4channel,以傳送無線訊號至接收端。

5. 編碼程式概念流程

解碼程式概念流程如圖6,由接收端HT-12D解碼IC4channel接收發射端傳來的無線訊號,先經過單晶片抓取電壓值來判別代表高、低電位的10之後,開始尋找各個位數的起始碼與其後編碼之數據,再利用二進位法反向將二進位的01數字轉成十進位的數字便可解出正確的數字。

6. 解碼程式概念流程

無線傳輸子系統完成後,接著進行功能測試。經測試本研究發展的無線傳輸模組水平傳輸有效距離約25m、垂直傳輸有效距離約15m,若以金屬物體如鋼板為障礙物,會有阻隔效果,使收發模組無法進行無線傳輸,而以木板或水泥牆阻隔則不會造成功能上的影響。正確性方面,在傳輸了8個小時之後,傳輸數據約12000筆,接到數據約12000筆,錯誤數據約1000筆,正確性有90%以上。以規格9V 160mAh的電池來提供電源,分別測試電池能供應接收端跟發射端維持正常功能的時間,接收端約可維持6小時,發射端約可維持3小時。。

無線傳輸子系統完成後,除可結合如溫度、濕度感測器,作量測資料傳輸外,亦可結合如電燈開關、門窗開關等,達到無線遙控與環境狀態監測的功能。以無線遙控電燈開關為例,如圖7所示,我們希望在不影響原有牆壁上指撥開關的前提下,再加裝上無線遙控的功能,因此必須將原先的單切指撥開關換成雙切開關,並與繼電器連接。如此一來便能透過遙控的方式來切換繼電器,牆壁上的指撥開關也能保有其原功能,雙向控制電燈的開關。由於收發模組的使用具有自保持特性,當發射端發出訊息後,便可將電源關閉,以節省遙控器的電池電量,而接收端仍可持續執行該命令,因此小盒子外觀基本上就是四個遙控開關再加上一個電源開關。

7. 無線遙控電路

在基本功能都測試完成後,接下來便是將各系統與環境結合在一起,並依據環境中的空間配置格局,製作一監控面板,將各個區域內的各類資訊顯示在面板上,使用者只需透過此一面板,便能瞭解該環境的情形。

4. 系統整合與測試

本研究以元智大學老人福祉科技研究中心實驗室為對象,將其建構成為一個e化」的環境。圖8是針對溫、濕度感測器所進行的包裝,我們將電路元件、無線收發模組與電池都收納入乳白色PE盒內,外部只露出感測器。9是針對門窗與光線感測部分所進行的包裝,感測器藏於盒內,外部只有一個小圓孔與美化後的天線,背部附有魔鬼沾,可依使用者需求黏貼於家中所需感測之門窗上。

8. 溫、濕度監測盒

9. 門窗、光線感測盒

最後完成的顯示面板陳列於元智大學老人福祉科技研究中心,如圖10所示。紅色七段顯示器顯示即時的溫、濕度數據,將溫、濕度監測盒所量測到的資料經由無線收發模組與PIC的解編碼,顯示於七段顯示器,電路整合於下面的盒子中;藍色LED為室內燈光明暗情形,而紅色方形LED為門窗開關情形,兩者都是根據門窗、光線感測盒所監測到的環境狀態,來決定LED的亮暗。

10. 中央監測面板

本系統開發過程中,主要遇到了兩個問題,分敘如下:

(1)   電源方面發射端和接收端以9V電池供應可維持時間過短,需改採9V的變壓器,但仍須注意發射端擺放位置的彈性。

(2) 在一連串的試驗之後,發現無線模組的不穩定性與是否加接天線有很大的關係雖然無線模組在不加接天線的情況下也可正常使用,但是會影響其距離跟靈敏度,最後我們簡單的以單心線作為天線來解決此問題

5. 成果與未來展望

現階段的e-House Center已經可以透過中央監控面板來監控家中的門窗開關跟燈光開關與溫、溼度的資料,未來可以朝向增加監測項目,如瓦斯監測、照度感測,使中控面板上的資訊更為完整。

完成基本的室內監控後,接下來就是將e-House Center與網際網路結合,建立一個全面「e化」的環境空間。如能將PIC-SERVER與中控系統整合在一起,將環境中所監測到的資料直接傳送至網際網路,如此便可直接上網,即使在遠端也能即時掌握家中的環境狀態。

6. 致謝

e-Life」是元智大學致力於推動發展的目標之一,本組專題計畫以老人福祉科技研究中心實驗室為對象,將其建構成為一個「e化」的環境。感謝徐業良老師與老人福祉科技研究中心的學長們在專題製作期間給我們的指導與鼓勵,我們定會力求精進,讓此技術更臻成熟,真正落實「e化」的目標。

7. 參考資料

1】李宏富,1999年,掌上型無線監視裝置,中華民國新型專利第87203181號。

2】林敬棠,1984年,無線傳輸保全系統之信號發射裝置,中華民國新型專利第025428號。