RFID微控制器及无线传感模块 强化电视遥控器功能

2013-05-20 来源:微波技术网 我要评论(0) 字号:

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来判断操作者所切换的模式,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(Human Interface 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能。

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(3D)G-Sensor、RFID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USB HID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(mm)×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(Vicinity Coupling Smart Cards)标准。如表1所示,ISO 15693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。

ZigBee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HomeRF Lite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。

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2 ZigBee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(SPI)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(GPIO)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。

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 Asynchronous Receiver/Transmitter, UART)信号,并由Zigbee无线模块发送数据到USB Dongle。

该遥控器的USB Dongle系利用微控制器的GPIO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I2C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0×14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。

作者: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)

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