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作者:王坤池(2005-04-07);推薦:徐業良(2005-04-15)

無線數位感測訊號傳輸模組之開發

1.     無線數位感測訊號傳輸模組之設計考量

可攜式遠距居家行為模式監測系統中,感測訊號都須以無線方式傳輸至分散式資料伺服器處理後儲存,無線傳輸模組有以下幾項主要需求:

(1)    能傳輸並分辨多組數位感測器被觸發時之即時訊號。

(2)    在居家有牆壁、家具遮蔽的環境中,仍有30公尺以上的傳輸距離。

(3)    使用電池,同時電池電力可維持半年以上。

(4)    成本低、進入門檻低、易於與感測器和分散式資料伺服器整合。

市售許多無線感測訊號傳輸系統多為傳輸類比訊號(如溫溼度),多半採用定時更新傳輸的模式以求省電,尚未發現滿足本系統要求之產品,因此本系統選擇利用市售無線傳輸模組自行開發。無線傳輸技術眾多,如BluetoothIEEE 802.11bRFIDZigbee、或是紅外線等,考量技術複雜度、元件成本、傳輸距離、及是否容易整合等因素,本系統選擇無線射頻(Radio Frequency)的方式作為無線傳輸技術,技術成熟且有現成模組可使用,後端輸出資訊的整合也較為容易。

市售RF模組僅有315MHz418MHz、以及434MHz三個頻段,常須利用展頻(spread spectrum)技術讓不同的感測器以不同的頻率傳輸,或給予感測器個別ID,以分辨不同的感測器訊號。

本研究採用低價位之市售TG-11無線電收發模組及編碼IC,配合單晶片控制,設計一套傳輸模式,可在同一頻率下傳輸多組數位感測器被觸發時之即時訊號而每一感測器均有個別ID發射模組採用可攜式、模組化的設計,方便與各類感測裝置整合,同時省電設計亦是本無線發射模組開發重點之ㄧ。

2.     無線電收發模組與感測器ID編碼設定

1為市售TG-11無線電收發模組電路圖,使用434MHz頻率的發射模組,HT-12E為編碼ICPin1~Pin8為設定密碼用腳位,發射模組與接收模組的密碼設定相同時才能進行收發動作;Pin10~Pin13是控制訊號輸入腳位,接收外部訊號。在本應用上,將Pin1~Pin55作為感測器群組編碼使用,Ping10~Pin123設計為感測器ID編碼使用,Pin13則為感測器ON/OFF狀態編碼使用。

1. 發射模組電路圖

2為接收模組電路圖,使用434MHz頻率的接收模組,HT-12D為解碼IC,其Pin1~Pin8連接DIP開關,調整JUMP來設定密碼,當發射模組與接收模組的密碼設定相同時才能進行收發動作。在本應用上,將Pin1~Pin55作為感測器群組編碼使用,共可分32個群組;Pin10~Pin123設計為感測器ID編碼使用,每群組共可有8個感測器;Pin13則為感測器ON/OFF狀態編碼使用。HT-12D解碼ICPin1~Pin5透過DIP開關來設定群組,而Pin10~Pin13是控制訊號輸出腳位,隨著發射端的訊號產生不同的動作,如高、低電位。本研究設計之傳輸模式3所示,編碼方式及狀態解讀如表1所示。在感測器狀態被改變時,即產生不同的編碼訊號發射出去,傳輸至接收端解碼,便可辨識為哪一個感測器傳來之狀態訊號,達成傳輸並分辨多組數位感測器訊號之功能。

2. 接收模組電路圖

3. 本研究設計之傳輸模式

1. 各感測器對應發射模組按鈕狀態

感測器

Sensor 1

Sensor 2

Sensor 8

ID

000

001

111

發射模組

Pin10~12

000

000

001

001

111

Pin13

0

1

0

1

1

接收模組

0000

0001

0010

0011

1111

狀態解讀

Sensor 1 OFF

Sensor 1 ON

Sensor 2 OFF

Sensor 2 ON

Sensor 8 ON

3.     以類比電路達成感測器狀態即時更新

如果圖3中各感測器訊號持續發射,不但耗電,且各感測器訊號將互相干擾。如前所述,市售許多溫溼度無線感測訊號傳輸系統採用定時更新傳輸的模式以求省電,但本系統必須能在感測器狀態改變時即時更新感測器狀態,因此必須設計特殊發射模式,在感測器狀態改變時即時發射感測器訊號,其他時間則不發射。

本研究首先以類比電路達成此功能,電路包含LMC555計時晶片、74LS04N反向器、LM358運算放大器、RC微分電路、以及HT-12E編碼IC等,訊號處理流程如圖4所示。如圖4(a)中,當感測器被觸發時,感測器訊後由低電位變高電位,此時訊號經微分電路處理後如圖4(b)所示,有一高電位的輸出而後再隨即電位下降,訊號在經由LM358放大後如圖4(c)所示,在將訊號傳至發射模組,如圖4(c)中綠色陰影部份即表示發射模組發射時間。當感測器被觸發時,訊號同時經由LM555做處理,產生如圖4(d)的訊號狀態,在經過74LS04N反向電路處理結果如圖4(e)所示,最後在經由LM358作訊號放大如圖4(f),如圖4(f)中綠色陰影部份同樣表示發射模組發射時間狀態。

4. 訊號處理流程

在電路設計上者要包含2個關鍵訊號處理電路,分別敘述如下:

(1)    微分電路

TG-11無線模組傳輸多組感測器訊號時,如有兩組以上感測器同時作動,將會造成訊號接收發生干擾現象。在TG-11無線電收發模組測試中得知,在15公尺測試距離下,訊號切換時間需大於0.5秒,以避免訊號遺失。因此本類比電路中的微分電路所搭配為1mF電容以及390k電阻,微分電路模擬測試輸入及輸出如圖5所示。由圖5可以看出輸出訊號在輸入訊號改變時會有高電位的輸出,而後再隨即電位下降,過程約1秒。為確保輸出電壓能驅動HT-12E編碼IC正常作動,在微分電路後在加上LM358運算放大器做訊號放大處理。

5. 微分電路輸入與輸出圖

藉由感測器的數位輸出訊號搭配微分電路,當感測器狀態無變化時,不會發射任何訊號;當感應器狀態發生變化,微分電路輸出至LM358放大器,再放大輸出至TG-11控制發射模組的總電源開關Pin18。例如當感測器1作動時,供應感測器1的發射模組電源,此時發射模組根據感測器狀態傳送00010000給接收模組,感測器1無變化時,其發射模組並不會與接收模組溝通。如此當感測器2作動時,感測器2的發射模組便會傳送00110010給接收模組而不會互相干擾。

(2)    LM555計時器

發射模組搭配使用微分電路,僅在感測器狀態改變時才會發送訊號,藉此避免訊號干擾的機會,但是較少的訊號傳送,也使得接收端在判斷上及準確性上也增加了風險。若接收端遺失任一次發送的訊號,在狀態判斷上將造成錯誤直至下一次接收到狀態訊號為止。因此在原電路另外加入一計時晶片,使觸發訊號除了在感測器狀態改變時觸發外,在設定的時間間隔也能產生觸發訊號,因而減少接收端錯誤判斷的時間間隔,同時又不會產生過量的訊號傳送而造成干擾。

計時器採用LMC555計時晶片來作為方波產生器,選用電容為100mF,電阻為30k歐姆以及25M歐姆,所組成的電路即可產生173(TH)高電位和2(TL)低電位的週期方波。並將負載接上一做74LS04N反向器反向控制,即可達到每間隔3分鐘,便觸發一次的作動需求。

完成電路設計後,將以Portel繪製電路圖,完成之電路圖如圖6所示。以類比電路達成感測器發射模組原型如圖7所示。

6. 電路圖

7. 發射模組原型

類比電路發射模組原型在一般室內環境有效距離30公尺的範圍內,經測試後可達成同頻率下多組感測器使用以及賦予感測器識別ID之功能。然而類比電路發射模組原型在使用上仍有許多不便,如在定時發射訊號上,若想更改設定時間,必須重新計算並更換計時晶片所搭配的電阻,使用上相當不便且可調整的彈性有限。在電路板縮裝上也因為使用了許多的IC零件,而無法再進一歩縮小電路板尺寸。在電源管理的部份,發射模組一共使用了5個運算IC,且繼電器可能長時間處於激磁狀態而相當耗電,對於電源無法做有效的控制。為了進一歩達成使用電池且可維持半年以上的需求,以及提升使用彈性的可程式化控制,本無線數位感測訊號傳輸模組將改採用單晶片控制系統,取代原先繁雜的類比電路。

4.     以單晶片微處理器達成感測器狀態即時更新

控制元件採用Microchip公司出品的PIC12F675單晶片微處理器,為8位元微處理器,主要特性包含可選擇內部或外接振盪器、支援低耗電模式(LP mode)、可支援休眠模式(sleep mode)、支援看門狗定時器(watchdog mode)、以及寬工作電壓範圍(2.0V~5.5V)等特性,規格如表2所示。且PIC12F675在外觀上DIP封裝僅8隻接腳,使用上相當簡易且不佔空間。

2.  PIC12F675規格表

6.1 單晶片發射器程式設計

在單晶片PIC12F675控制程式主要功能有二:能在感測訊號狀態改變時即時發送訊號以及能在定時發射訊號以更新感測器狀態。因此程式將包含簡單的判斷式、看門狗定時器、以及類比訊號I/O的使用來達到控制功能。完整程式如圖8所示,其中紅色區塊為主程式,主要在作感測訊號(PIN_A2)的判斷;綠色區塊部份為看門狗定時器副程式。

8. PIC12F675程式

經由此程式可得到如圖9所示之訊號處理示意圖,在圖9(a)表示感測器訊號狀態HighLow,用以表示感測訊號ONOFF切換歷程。圖9(b)表示圖8中的紅色區塊之程式,在訊號切換(High to Low or Low to High)時,能即時發射訊號。圖9(c)表示圖8中的綠色區塊之程式,可設定看門狗定時器(Watch Dog Timeout, WDT)的時間間隔t1,無論感測器狀態為何,都會定時發送訊號。由圖9(a)中的陰影部份可得知,在整個歷程中,共發射了6次的訊號,包含了3次的狀態改變即時更新訊號以及3次的定時更新訊號。

9. 訊號處理示意圖

9RF訊號發射時間長短t2t3,以及看門狗定時器的時間間隔t1皆可由程式更改設定,在使用上較方便,也較具調整彈性。另一方面,為了能更確實達到省電之目的,除了降低單晶片時脈至32kHzLP模式運作,可省下約95%的耗電量(相對於標準時脈4MHz),配合使用看門狗定時器等副程式來減少程式指令行數,也可降低耗電量。

6.2 單晶片發射器電路設計

驅動單晶片PIC12F675所需的基本元件極為簡易,僅需4.7k電阻(×1)5V的工作電壓以及接地即可。在本應用上為了使單晶片更省電,採用低耗電的模式,在電路上只需加上32kHz振盪器(×1)以及15pF電容(×2)即可。振盪器的功用為提供單晶片工作時脈,電容則是配合振盪器使用,此時PIC已經可以正常運作。配合HT-12E編碼ICDIP開關、TG-11A發射器、LED指示燈(×2)1M電阻(×1)以及2k電阻(×1)即可完成無線數位感測訊號傳輸模組之電路,整體電路如圖10所示。完成電路組裝組裝後,完整的無線數位感測訊號傳輸模組如圖11所示。組裝無線數位感測訊號傳輸模組所需元件表如表3所示。

3. 元件規格表

規格

敘述

圖示

來源

單價

數量

PIC12F375

8ping單晶片微處理器

上網訂購

33

1

32KHz石英震盪器

石英震盪器

電子材料行

15

1

HT-12E

8ping編碼IC

電子材料行

25

1

TWS-BS-4

434MHz發射器

電子材料行

150

1

15pF電容

電容

電子材料行

0.8

2

2k電阻

1/8W

電子材料行

0.5

1

4.7k電阻

1/8W

電子材料行

0.5

1

1M電阻

1/8W

電子材料行

0.5

1

8位開關DIP

16ping

電子材料行

15

1

LED

Φ5

電子材料行

5

2

10. 整體電路

11. 無線數位感測訊號傳輸模組

5.     無線數位感測訊號傳輸模組測試

使用單晶片微處理器控制的無線數位感測訊號傳輸模組經測試後,無阻隔下直線傳輸距離可達150公尺,即使在居家有牆壁、家具遮蔽的環境中,在30公尺的距離內以每1.2秒切換訊號做測試,100筆訊號接收正確率達100%,證實本無線數位感測訊號傳輸模組有良好的可靠性及強健性。

而在電源管理上,本無線數位感測訊號傳輸模組電路所用到的元件及所需電流如表4所示。在5V定電壓的情況下,經由計算,在發射電路部份,發射訊號總耗電9.584mAPIC12F675總耗電71mA。若PIC12F675設定WDT10分鐘,假設每10分鐘電路將發射二次,每次1.5秒,則無線數位感測訊號傳輸模組每10分鐘將耗電約118.92mA。以供應電源三顆AAA鹼性電池,每顆電量為1200mAh來計算,每個感測裝置使用時間為約420天的使用時間,在省電功能上有相當大的進步。

4. 各元件所須電流表

Device

Note

Required Current

TWS-BS-4

Transmitter

9.5mA

HT-12E

Encoder

80mA

LED×2

 

2×2mA

PIC LP mode

5V, 32kHz, Max

54mA

PIC watch dog mode

5V, 32kHz, Max

17mA

在完成單晶片控制電路以及測試後,本系統所設計的無線數位感測訊號傳輸系統確實達到同頻率下多組感測器使用、賦予感測器識別ID、可程式控制、模組化設計、電路縮裝、以及省電功能等設計目標成為一完整的無線傳輸模組,提供可攜式遠距居家活動力監測系統中可靠的無線傳輸技術