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RFID微控制器及无线传感模块强化电视遥控器功能未来电视有极多的可能性,能结合上网、游戏与多媒体数字内容等,甚至取代一部计算机;“时代华纳”的执行官Bewkes认为,遥控器是影响用户与电视内容最重要的关键然而,现有的遥控器太过复杂,更别提智能电视Smart TV问世后,遥控器将从音量、转台这类基本的按键变成一堆字母的键盘,如果加上游戏功能,遥控器就更加复杂内建体感控制和RFID电视遥控器设计更多元随着数字多媒体与三维3D影像显示的发展,电视结合上网、游戏与多媒体影音功能已成未来趋势台湾虎尾科技大学师生所设计的遥控器,通过内建体感式控制与无线射频识别系统RFID,结合一般电视遥控、多媒体播放器遥控及游戏手柄,并增加实用性与娱乐性,使用者仅需一组体感摇控器便可轻松操作在动态传感的部分,体感摇控器上以单晶微处理器连接一个三轴重力传感仪G-Sensor传感器,并利用其所输出的X、Y与Z轴信号,来知道目前游戏手柄的挥动方向通过游戏手柄内所嵌入的RFID来判断操所切换的模式,或者进行特殊的游戏情境切换,而接收端则是以单芯片为控制器连接通用串行总线USB芯片组,将接收数据转为标准键盘与鼠标信号来进行操控该遥控器设计可任意切换为鼠标或键盘等,符合USB人机接口设备HumanInterface Device,HID群组的设备进行输入,也可利用动态传感进行选台及音量调整,并可使用RFID切换最爱频道、游戏情境或多媒体播放器等特殊功同时,该遥控器结合一般遥控器、多媒体播放控制器与游戏游戏手柄功能,利用体感控制联网电视播放、上网等一般功能与进行游戏;而结合RFID切换不同使用模式、频道、游戏情境等,让使用者能有另一种更直觉的操控方式该遥控器设计结合电视、多媒体播放及游戏功能于一身,并能仿真键盘鼠标,方便联网电视的操作性遥控器设计包含两部分,分别为体感遥控器与通用串行总线连接设备USB Dongle无线收发器体感遥控器上的单芯片微控制器连接红外线IC、三维3DG-SensorRFID读取器及无线传感模块;而其功能在负责转换G-Sensor的X、Y与Z轴的变化量,以及判断RFID读取器读取的数据,然后再将相关的数据通过无线传感模块传输出去而USB Dongle中,微控制器MCU连接一USB接口芯片组及无线传感模块,通过无线传感模块接收体感遥控器的各种信号,并与USB接口芯片组实现一USBHID设备群组的功能,仿真出完全兼容的USB键盘鼠标信号,传送鼠标的轨迹数值与按键动作,至多媒体联网电视主机以进行控制G-Sensor可侦测3D空间变动G-Sensor又称为三轴重力传感器,Wii的互动游戏设备,即是使用此概念来做把手,可纯粹以移动控制器的方式,来达到遥控的效果;现在许多智能型手机为支持此特殊功能,已开始搭载此一芯片G-Sensor传感器的应用,大幅改变人们的使用和操作习惯,从原本键盘的操作,改为直觉性重力传感Motion Sensing来达到体感的模拟效果基本上,周遭空间即属于3D世界,而G-Sensor原理即是侦测这3D空间的变动,来得到实际的数值,并加以应用以图1的四面体作为重力测量为例,水平平放时,X、Y、Z轴之变化值皆为0;直立时,Y值为0-90,反之为090;水平平放,朝向往左旋转时,X值为0-90,往右旋转时,X值为090;水平平放,机身向左水平倾斜时,Z值为0-90,往右倾斜时,Z值为090依据这些值的组合,即可拿来做软件上或硬件上的应用图1四面体X、Y、Z轴变化标签采用ISO-15693高频RFID标准RFID系利用无线传输的识别系统,RFID分成两部分,其一为标签Tag,其内主要包含收发天线与内存IC;其二为读取器Reader部分,其内主要包含收发天线、收发模块及控制电路运作原理是利用传感器发射无线电波,触动感应范围内的RFID标签,藉由电磁感应产生电流,供应RFID卷标上的芯片运作并发出电磁波回应传感器若以驱动能量来源区别,RFID标签可分为主动式及被动式两种被动式的卷标本身没有电池的设备,所需电流全靠传感器的无线电波电磁感应产生,所以只有在接收到传感器发出的信号才会被动的响应传感器;而主动式的标签内置有电池,可主动传送信号供传感器读取,信号传送范围相对也比被动式广至于RFID技术的主要特色,首先是体积小,日立Hitachi的被动式RFID芯片仅
0.4毫米mni
0.4毫米大小,与一颗沙粒相仿,可贴附在任何大小的商品上;其次是成本低廉,若RFID芯片组被大量应用时,成本降至5分美元以下;第三是不易被仿制,RFID可隐藏于物品内,除非是大型IC制造厂,否则无法被仿制;第四项RFID的技术特色是可储存大量数据,芯片内有96位容量,换算后可辨识一千六百万种产品,六百八十亿个不同序号,可避免条形码方式常遇到的序号重复问题;第五是快速非接触式数据读取,接受器和芯片的间隔在4公尺内即可感应,每秒可读取两百五十个标签,比条形码辨识快数十倍,也无须人工手持条形码机逐个扫描其他特色包括可减少人工手动操作的错误,确保质量并降低成本,提供实时数据等目前RFID规画使用的频率,较普遍有五种,分别是135KHz以下、
13.56MHz、860M960MHz超高频带、
2.45GHz微波以及
5.8GHz,而不同工作频率有不同的优缺点及其应用范围上述频带传输距离约为数公分到数公尺,传输速率约为数十到数百Kbit/s一般而言,低频率的RFID特性为架构简单与成本便宜,而高频率的RFID特性为传输距离较长,且抗干扰性较佳,相较下成本也较高该遥控器设计使用的标签为高频带下其中一个标准,ISO组织定义为ISO-15693,即近距型智能卡VicinityCoupling SmartCards标准如表1所示,ISO15693规定读取距离为长达1公尺的运作标准,一般之门禁卡即为此类规格之产品,十分容易取得特性一览表ISO15693功能ISO15693ZigBee无线模块具高通信效率该遥控器设计的ZigBee模块,使用XBee无线传输模块;ZigBee是一种相当新型的短距离传输技术标准,是从家用无线通信规格HomeRF联盟中所分出来的HomeRFLite或FireFly无线技术,主要用于近距离无线连接,亦常用于收集传感信号,因此一般也称为ZigBee无线传感网络ZigBee有特定的无线电标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信这些传感器只需很少能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们之间的通信效率非常高,这些所收集到的数据如温度信号,就可进入最终端的计算机进行分析摄作频率
13.56MHz读取距离Vicinity Cards记忆体布线逑辑类型记忆体白量2S6~2KB可读取和写入资料眄的高达106解播输率kbit/s有反圈功能1至于ZigBee技术的特色,其一是省电,ZigBee的传输速率低,所以信号的收发时间短,在非工作模式时ZigBee处于睡眠模式,而在工作与睡眠模式之间的转换时间,一般睡眠启动时间只有15毫秒ms,而设备搜寻时间为30毫秒,电池可支持ZigBee长达6个月至2年左右的使用时间其二是可靠度高,ZigBee的媒体访问控制MAC层,采用Talk-When-Ready的碰撞避免机制,当有数据传送需求时则立即传送,每个发送的数据封包都由接收方确认收到,并进行确认信息回复;若没有得到确认信期的回复,就表示发生碰撞,将再传一次ZigBee以此方式大幅提高系统信息传输的可靠度其三是高度扩充性,一个ZigBee的网络设备,其余则是Slave设备若是通过Network Coordinator则整体网络最多可扩充到65535个ZigBee网络节点,再加上各个Network Coordinator可互相连接,使整体ZigBee网络节点数目将十分可观此外,ZigBee在网络层中支持三种拓扑图2,分别是星状、树状与网状,依功能不同可分为全功能设备FFD与精简功能设备RFD两种设备,网络协调者只能是FFD设备;端点则由RFD构成,网络协调者与端点互相沟通后,达到数据传输功能图2ZigBee网络拓扑图利用红外线传输遥控器连结TV与PC该遥控器的系统架构图如下图3所示,使用者可利用体感遥控器进行动作辨识,并将辨识的动作数据通过红外线传至多媒体联网电视,来传达选台或调整音量的动作此外,也可用相同的方法,将动作数据通过无线传输模块传给具备USB HID群组规格的USB Dongle无线收发器,以对个人计算机PC主机进行控制图3遥控器系统架构图该遥控器的硬件架构示意图如下图4所示,可分为体感遥控器及USB Dongle无线收发器两部分遥控器的体感摇控器是利用串行周边接口SPD将G-Sensor的X、Y、Z轴倾斜角度传送数据给微控制器,再利用其可程序化输入/输出GPI0接脚推动电子开关,让红外线控制器发射出红外线信号,达到遥控电视的目的体感遥控器USB DongleCC2530无线收发器UARI家用电脑主机HT46R24I2CUSHpchpberjl controlkrUSB多媒殛网型乱蹴放射频网金■tmwrfchina.com图4遥控器系统硬件架构示意图另外,遥控器为以无线传输方式与USB Dongle沟通,利用体感摇控器的微控制芯片GPIO接脚仿真出通用异步收发器Universal AsynchronousReceiver/Transmitter,UART信号,并由Zigbee无线模块发送数据到USB Dongleo该遥控器的USB Dongle系利用微控制器的GPI0接脚仿真出UART信号,并由Zigbee无线模块接收体感摇控器所发送的数据,并通过微控制器内建的12c接口,将接收到的数据传输到具备I2C的USB芯片组,藉此让计算机作相对应的动作例如,体感摇控器前倾时,通过Zigbee无线模块传送数值0X14给USB Dongle,之后由微控制器仿真USB鼠标向上移动的数据,并传送给计算机,达到此功能此遥控器结合一般遥控器、多媒体播放控制器与游戏游戏手柄功能,因此享受以体感方式控制联网电视、上网浏览网页及进行游戏等功能,就不再只是虚构,更能让使用者能有一种更直觉的操控方式除现有的电视机、计算机功能外,未来可进一步利用RFID的特性,增加许多家电的控制,例如冷气、录放机、音响和灯具等,将所有家电的遥控功能集于一身,更能增加实用性:台湾虎尾科技大学资信工程系许永和(教授),廖钦建/汪庭锋/刘佑宾(学生)。