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以微機電整合遠端紅外線與藍牙戒指的廠辦系統
 

【作者: 陳峰漳】   2019年08月15日 星期四

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市面上滑鼠多半需倚賴放置於2D桌面上使用,明顯受到很大的侷限,而針對廠辦環境更是無法自由運用。因此若能透過具有紅外線與線性加速度計戒指在空中做任意旋轉、繪圖、書寫,便能在辦公室達到控制電腦滑鼠游標的目的,甚至可以直觀手寫比劃方式取代鍵盤輸入文字,簡報展示或者執行demo皆不是問題;此外,結合紅外線功能更能方便於工廠產線下達簡要操作指令,此產品將會提供人們更舒適便利的生活。


現今若想要遙控廠辦中的設備,絕大多數都是使用該裝置紅外線遙控器,但隨著設備及需求數量的增加,不同種類與樣式的遙控器會帶來收納與操作習慣相異的混淆情形,降低員工在廠辦工作生產的效率。


有鑑於此,本研究欲從廠辦中眾多遙控器之收納與操作的不便利性著手,提出技術研發之改善構想。期望能以目前最新技術Bluetooth5.0技術、紅外線協定等異質網路,結合現今低成本3D列印技術製作戒指,解決遙控器繁多和收納問題,更能使生產線員工即使手指沾滿髒汙也能在不影響機台及電腦狀況下簡潔操作,對於運輸貨物機台也可有效減少勞力使用,只需透過戒指遠端紅外線空中遙控,無須人力近距離操作。


本研究中相關的產品介紹如下:


遙控空中滑鼠

市面上有不少空中滑鼠類型的產品。2018年晶翔機電公司研發出Navii Air Mouse空中飛鼠,不僅外殼做得相當漂亮,如圖1所示,該產品內設微機電陀螺儀感測手腕及手勢的變化,經由手的轉動、移動等姿態變化於空中來控制滑鼠游標,精準地將電腦游標定位於螢幕上的任一畫素(Pixel)上。


Navii Air Mouse在3D空間中能作專業簡報、影音娛樂及遊戲體感手把,支援桌上型電腦、筆電、數位機上盒(STB)、家庭多媒體中心等系統,無線RF可達10M範圍。將其放回桌面可當作1600DPI高解析度無線雷射滑鼠使用,可謂「四合一空中飛鼠」 (簡報器、遙控器、空中滑鼠遊戲、無線雷射)。



圖1 :  Navii Air Mouse[1]
圖1 : Navii Air Mouse[1]

@內文:昆盈所推出的Genius Ring Presenter戒指型觸控式游標控制器以戒指替代一般手拿方式,如圖2所示。同時具備桌面滑鼠的功能,操控部分需要觸控其上方圓形面板與側邊切換鍵,而非以轉動及移動來作為滑鼠游標變化呈現,使用者只須用手指觸碰戒指上方光學感應器就能操作滑鼠游標,按下周圍的按鍵也能反映出其他功能。


圖2 : Genius Ring Presente[2]
圖2 : Genius Ring Presente[2]

2018年微電腦應用系統設計創作競賽中基於手指軌跡重建的微小化遙控戒指-王牌簡報被發表,獲得信號處理類研究所組佳作。其作品主要是執行手勢動作便能輕鬆地翻動簡報及網頁頁面,旋轉手指就能繪出手指軌跡,在簡報裡能標記重點或者書寫文字,甚至提供多媒體操控,例如開啟關閉播放音樂、調整電腦聲音音量。更重要的是此作品以3D列印方式製作,優點是無需機械加工或任何模具,且能自由客製化,摒棄生產線而降低成本。



圖3 : 魔力指揮家-王牌簡報[3]
圖3 : 魔力指揮家-王牌簡報[3]

紅外線遙控裝置

目前設備控制之方法眾多,例如小米萬能控制器與i-Ctrl艾控。


小米萬能控制器,如圖4所示,是可以整合藍牙音箱、電視機、機上盒或智慧電視盒等家電的紅外線控制器,透過小米控制器,只要家中的電子設備有附贈紅外線遙控器就可以透過手機來控制家電,如果要再更進階一點的話,還可以自行編輯排程;當回到家時就可以ㄧ鍵開啟所有設備,如果離開家裡可以ㄧ鍵關閉所有設備。



圖4 : 小米萬能控制器[4]
圖4 : 小米萬能控制器[4]

除了透過手機的方式控制所有家電的遙控器,當然也可以透過手機網路在遠端的公司或外地直接控制所有的家電或者小米的智慧家電商品,不管是遠端監視器看家中的毛小孩,還是遠端操作家中的掃地機器人,不一定要在家中Wi-Fi才能夠使用家電控制。



圖5 : i-Ctrl艾控[5]
圖5 : i-Ctrl艾控[5]

i-Ctrl艾控(圖5)是目前物聯網時代中不可或缺的小幫手。家中的電器設備多樣化,遙控器五花八門,到處擺放不易收納,常常找不到遙控器,甚至拿錯遙控器,這些問題都可透過i-Ctrl艾控獲得解決,輕巧不占空間,不管是在家中、外出都可以控制家中的紅外線家電,重點只要設定一次,利用智慧型手機(Android或iOS),輕鬆將你的家電提升為智能家電。


本研究中相關的技術介紹如下:


微機電系統發展

微機電系統應用的範圍極廣,MEMS感測器在物聯網(IoT)應用扮演著舉足輕重的角色,如加速度計、環境感測器(溫度、濕度、壓力、氣體等)、化學微感測器、重力感測器、微陀螺計、微陀螺儀、地磁計,以及內建三軸微加速度計、三軸微陀螺儀、三軸微地磁計,整合起來九軸MEMS微感測器,實現微小化穿戴裝置智慧化功能,適合用在輕巧便攜的電子設備和可穿戴產品中。目前手機皆內置MEMS(微機電系統)三軸陀螺儀的手機,可以感知來自六個方向的運動,加速度,角度變化。


圖6 : Coriolis Forc[6]
圖6 : Coriolis Forc[6]

文獻研究軌跡重建多以是以九軸感測器作為訊號收集、感測與維持方向的裝置。目標是獲得旋轉角度值作為物體或手指移動距離及方向上判斷的依據,而陀螺儀主要是利用角動量守恆原理,能感測圍繞某個軸發生的旋轉角速度,以度/秒為單位,角速度測量能夠間接測量出角位移。MEMS九軸感測器具有在雜訊、溫度係數、失調以及偏置漂移等性能方面缺點,在動態條件下反而能夠提供更高水準的傾斜精度。


由於感測器因不同廠商、價格成本及精確度上考量,誤差範圍值不盡相同,但針對動態行為將其偏差值消除依舊是必要的首要條件,另外,手勢停擺時會有抖動現象發生。訊號處理須針對手振動訊號頻帶特性設計濾波器[7]降低誤差,經類比數位轉換器(ADC)濾除高頻雜訊後,計算顫抖角度,加以補償相對應的位移訊號,以達到防手震效果。


除了配置於遙控戒指內,精確的運動感測器對於機器人、自動駕駛汽車和無人機的成功研發都是相當重要,佔有一席之地。


藍牙5.0

手持智慧戒指裝置與電腦的藍牙訊號連線操控電腦,在使用微控制器控制紅外線發射器來作動廠辦設備。


藍牙(Bluetooth)是一種無線個人區域網(Wireless PAN),最初由Ericsson創製,剛開始中文被叫做「藍芽」,後來由藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)訂定成全球技術標準,正名為「藍牙」。


藍牙版本由最早的1988年0.7版到2016年6月已推出5.0版。藍牙5.0於2016年6月正式宣布規範。藍牙5.0和前一代藍牙4.2相比,它的傳輸距離更遠、速度更快。理論上的有效距離是300公尺,也就是整個家庭或整間辦公室裡的行動裝置都可以穩定連結。而速度最快則是可以達到2Mbps,讓反應更快、性能更高的藍牙裝置更有可能被使用。此外,它還大幅增強了藍牙廣播的數據傳輸,能為商用藍牙帶來更好的前景,讓使用藍牙做為標準的物聯網應用更加強大。


藍牙5.0技術規格主攻物聯網及智能生活的規範,相較Wi-Fi傳輸,藍牙傳輸的優點是成為省電、安全性高、兼容性高、有效距離更遠、成本低,但缺點則是網速較慢。


表一、藍牙與Wi-Fi技術比較

產品

藍牙5.0

Wi-Fi

低功耗藍牙4.0

頻段

2.4 GHz

2.4GHz

2.4 GHz

通訊範圍

20~300公尺

20~200公尺

20~40公尺

功率/耗

傳輸速度

2Mbps

11~150Mbps

1Mbps

安全性

成本

干擾


紅外線傳送與接收

紅外線(infrared、IR),俗稱紅外光,其波長在770nm(奈米)至1mm(毫米)之間,而人眼可感知的電磁波波長一般在400到700nm之間,所以紅外線屬於不可見光,在通訊、探測、醫療、軍事等方面有廣泛的用途。



圖7 : 電磁波頻譜[8]
圖7 : 電磁波頻譜[8]

遙控器(發送端)將特定的訊號編碼,然後透過紅外線通訊技術將編碼送出,當設備上的紅外線接收器(接收端)收到編碼之後,將其進行解碼而得到原來的訊號,收發的兩端必須相互對準。目前紅外線學習機主要分為兩種,一種透過預先寫入紅外線編碼的方法,將一般紅外線遙控器之控制訊號寫死在記憶體中,因此當需更新紅外線編碼時就無法遙控家電;另一種則是製作一紅外線學習機,利用複製紅外線遙控器的載波來控制此家電設備。


廠辦應用


圖8 : 工研院智慧機械科技中心在台中精密機械園區
圖8 : 工研院智慧機械科技中心在台中精密機械園區

「廠辦」意謂科技工廠與辦公室結合。綜合上述技術,若將紅外線裝置相關技術,包括紅外線頻率調變技術以預防其他的電磁波干擾,加上整合無線藍牙與IR之間的協定,並和遙控戒指與紅外線遙控裝置結合,將完成便利於廠辦環境的遙控裝置。結合市面上既有的功能、在辦公室輕鬆透過戒指使用藍牙5.0可達到傳送個人訊息、電腦簡易操作等,在工廠內部或研究中心則透過不同手勢進行大型機台紅外線連線操作。


(本文作者陳峰漳任職於凌群電腦技術支援處)


參考文獻

[1]http://www.computextaipei.com.tw/zh_TW/exh/info.html?id=06B177340CA1FB4ED0636733C6861689


[2]http://www.geniusnet.com.tw/Genius/wSite/ct?xItem=52233&ctNode=3645&mp=1


[3] http://competitionweb.cilab.csie.ncu.edu.tw/Demo_Intro_105.php?id=105104.


[4] https://www.player3c.net/mi28.html.


[5] http://i-ctrl.com/i-ctrl-my-favorite/.


[6]https://www.2cm.com.tw/2cm/zh-tw/archives/2A6923E24752421D942F149290A5DE4A


[7] K. Hirose, H. Doki1 and A. Kondo1 “A calibration method of magnetic field sensor for body motion measurement using Extended Kalman filer,”IEEE Proceedings of SICE Annual Conference (SICE), pp.72–77, Sept.2013.


[8]維基百科


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