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永远不会忘记袋--适用於高龄者之记忆辅助背包
HOLTEK盛群杯MCU创意大赛技术报告

【作者: 蔡建峰、鄭世賢等】2019年09月11日 星期三

浏览人次:【2385】
  

近年来随着台湾渐渐迈向超高龄社会,人囗结构失衡问题持续放大,年长者的照顾问题已成为所有家庭所面临之重大问题,然而台湾普遍低薪现象使得双薪族群数量上升,进而让家庭对年长者的照顾能力被大幅分散,其中许多家庭最为担心的是年长者的健忘问题,主要原因是许多年长者皆有记忆力衰退的问题,并且健忘程度随着年纪增加更是严重。


目前大部分的家庭会选择将家中物品放在固定位置,防止年长者因记忆力衰退而找不到,但当年长者要外出时,却可能因上班或重要事物,而无法帮忙再次确认外出携带之物品,使年长者在外出後因物品遗漏而造成重大影响,渐渐的年长者将外出当成困扰,例如:失智老爸不肯出门怎麽办?因此,本创作主要之目的为开发一具备随扫即知的物品管理装置,提供一能解决外出物品忘记携带之方案。


研发理念

近年来依据台湾失智症协会之调查结果[1],65岁以上老人平均每12人即有1位失智者,老人失智使得他们的记忆力逐年衰退,时常忘记自己做过什麽事情或者要做什麽,而造成生活上的不便与麻烦,在新闻中我们常看到,年长者因为出门忘记携带随身物品,如手机、钱包、钥匙、疾病药物…等,造成外出的诸多不便与困扰, 因此预防年长者因记忆力衰退所带来的问题已经不容忽视。


由於现今市面上几??找寻不到能解决上述问题的相关辅助装置,因此我们构想出一套用於物品侦测的携带管理装置,其技术特徵乃於背包中置入管理模组,利用无线射频辨识(RFID)技术及电子标签(ESL)[2],在背包内建构具无阻隔特性之物品扫描空间,警示模组让年长者可以快速知道物品是否在背包内。


因此,当年长者透过按钮启动管理模组时,标签读取器将快速扫描背包内之标签物品,并告知年长者重要物品是否在背包内,期??随扫即知的效果,能有效降低年长者因不慎或检查不便所造成出门时物品遗漏之困扰。


系统架构规划

管理模组启动时背包共有两种检测模式,第一种为快速检测模式,快速检测模式下控制IC会比对所有RFID标签资讯,第二种为自订检测模式,自订检测模式下控制IC只比对使用者所设定之RFID标签资讯。


当管理背包上扫描按钮启动时,控制IC接收到扫描命令,并启动RFID模组读取背包内标签资料,RFID模组读取完成後透过通讯IC与控制IC传递所读取之标签资料,当控制IC比对完标签资料後,在确认无误时启动警示模组进入正确回报程序,反之则进入错误回报程序。


当管理背包上蓝牙按钮启动时,控制IC会启动蓝牙模组,此时年长者之家属即可透过手机蓝牙与背包管理APP来与背包连线,家属进入APP的使用者介面後,可切背包换扫描模式以及设定标签资料,来替年长者管理外出背包。整体系统架构,如图一所示。



图一 : 系统架构图
图一 : 系统架构图

主题内容

背包规划与设计

依据前述所规划之内容,携带管理装置实现後,如图二所示,在背包内有一控制模组来管理整个背包装置,使用者可以透过背带上的控制介面来加以控制,其中控制介面包含一扫描按钮、一蓝牙按钮与一LED灯,在背包周围则布置数个RFID软性线圈(依据背包大小作调整),来架构出一个RFID扫描空间。



图二 : 背包模型
图二 : 背包模型

年长者使用上面的背包装置时,只需将必备物品挂(贴)上RFID标签,即可在出门前或离开当前场所前,按下背带上控制介面的扫描按钮,就能快速知道所需物品是否在背包内。


硬体设计

硬体验证规划上RFID模组采用UHF RFID读写器(AS3992),原因在於其模组的资讯及架构较为开放,比较容易在初期透过资料表来使用与修改,如图三所示。



图三 : AS3992电路架构
图三 : AS3992电路架构

当使用者未按下扫描按钮时,控制IC没有接收到扫描讯号,不会提供电源至RFID模组,因此天线不会发送无线电波,如图四(左)所示,任何标签物品置於背包内皆不会有扫描动作也不会有输出讯号。



图四 : 背包扫描动作状态
图四 : 背包扫描动作状态

当使用者按下扫描按钮时,控制IC接收到扫描讯号,提供电源至RFID模组,RFID模组藉由8dbi天线将无线电波送往背包,感测背包内所有范围之有标签物品,如图四(右)所示,当读取器收到标签回传讯号後传给盛群MCU,接着盛群MCU会根据默认标签ID做出应对的输出讯号至灯号判断。


整合以上架构後完整硬体架构如图五所示,管理背包使用一电源切换开关,让使用者可以选择9V乾电池或行动电源进行供电,主控MCU使用盛群IC HT66F2390,HT66F2390具有灵活I/O编成、EEPROM储存区、完全集成通讯、低功耗等特性[3] 。



图五 : 完整硬体架构
图五 : 完整硬体架构

因此,HT66F2390在本装置中能有效之运用,RFID模组与蓝牙模组则是各别使用继电器来提供电源,主要目的为在背包闲置时,透过继电器将模组断电,达到延长背包电池寿命效果,警示模组内则是包含一RGB LED与蜂呜器,简单的设计应用让年长者也能快速辨识资讯,手机APP让家属可以透过手机蓝牙进行背包管控。


软体设计

基於以上之硬体设计与逻辑演算,管理背包之系统流程图如图六所示,当在背带上或在APP中按下扫描按钮时,控制模组启动RFID模组,接着RFID模组进行标签资料扫描与回传,控制模组接收到回传资讯後判断目前扫描模式,接着进行相对标签资料比对,如有缺失标签则亮起红色LED与蜂呜器警报。



图六 : 系统运作流程
图六 : 系统运作流程

反之则亮起绿色LED灯来告知使用者,同时如果使用者的手机APP已与背包蓝牙连线,则可以知道目前背包所缺失之物品;另外使用者的手机APP已与背包蓝牙连线成功时,APP会进入使用者介面,此时使用者就可进行扫描模式切换、设定标签资讯、背包标签扫描与扫描结果显示功能,当手机APP与背包蓝牙在5分钟内没有资讯传输时,APP会发送蓝牙关闭讯号给背包关闭蓝牙模组。


方法与技巧

软性天线制作

RFID天线是由薄铜片来制作成软性天线,主要目的是为因应背包的伸缩性以至於不被破坏,而天线的形状则是经过多次修改与测试,设计成如图7所示之8dbi天线(dbi越高则扫描距离越短但扫描范围越广) 。


另外,因为天线面积的大小会影响RFID讯号所能传输的距离,面积越大每单位面积所能分配到的的RFID能量越小,所以当使用在不同大小的背包时,天线大小及数量也会进行调整。



图七 : 软性天线
图七 : 软性天线

吸波材料应用

吸波材料如图八所示,吸波材料一般由基体材料和吸收介质复合而成,能将投射到它表面的电磁波能量吸收,并通过材料的介质损耗使电磁波能量转化成为热能或其他形式的能量。



图八 : 吸波材料
图八 : 吸波材料

目前吸波材料应用於各类电子产品,如电视、音响、VCD机、电脑、游戏机、微波炉、移动电话中,可以使电磁波泄露降到国家卫生安全限值(10微瓦/平方厘米)以下确保人体健康;因此我们在背包夹层内包覆吸波材料,来阻隔与吸收RFID线圈所外散之讯号能量,保护年长者免受电磁波辐射伤害。


管理系统装置实现

管理系统装置由盛群开发板搭配蓝牙模组、RFID模组、软性天线、吸波材质、9V乾电池、按钮开关、LED灯、蜂呜器与手机(一个可以让家属随身使用之操作介面)组成,管理系统装置之硬体实现,如图九所示。



图九 : 管理系统装置实现
图九 : 管理系统装置实现

管理装置系统验证测试

如图十所示,将软性天线以及吸波材质置入背包後,首先测试的是背包扫描结果之回报,当所有标签物品皆在背包内时,警示LED灯会亮起绿灯如图十一(左)所示3秒来告知使用者,当有标签物品不在背包内时,警示LED灯会亮起红灯如图十一(右)所示,并且会在3秒内闪烁12次及蜂呜器警示提醒。



图十 : 背包测试图
图十 : 背包测试图

图十一 : 扫描结果回报
图十一 : 扫描结果回报

接着测试的是蓝牙模组与手机APP连线之能力,当蓝牙模组未开启时,手机APP无法与之连线,如图十二所示。



图十二 : 蓝牙模组未开启
图十二 : 蓝牙模组未开启

当蓝牙模组开启後,手机APP成功连线时,手机APP将会进入到使用者介面,如图十三所示,其中我们可以看到介面内有中断连线、扫描、模式切换、标签管理按钮以及下方的标签状态资讯。



图十三 : 蓝牙模组开启且连线成功
图十三 : 蓝牙模组开启且连线成功

接着介绍的是自订模式中的标签管理介面,在标签管理介面使用者可以决定标签的使用与否如图十四所示,如使用者要停用一组RFID标签时,只需在位置栏输入该组标签位置,接着按下停用按钮,控制器在对比标签资讯时就会略过此组标签资讯,相同的要启用标签也是输入标签位置并按下启用,这样控制器在对比标签资讯时,将会重新对比该组标签资讯。


在标签管理介面中,使用者也可以为标签命名,方法为输入标签位置与名称并按下更改名称按钮,在标签资讯中就能看到标签名称被更改所输入之名称,如图十五所示,这样使用者在背包扫描缺失时,就可快速知道所缺失之物品。



图十四 : 标签管理介面之标签启闭
图十四 : 标签管理介面之标签启闭

图十五 : 标签管理介面之标签命名
图十五 : 标签管理介面之标签命名

接着测试的是蓝牙模组闲置之关闭功能,当使用者不小心忘记将蓝牙模组关闭时如图十六(左)所示,控制IC将会自动开始计时,计时5分钟期间如果蓝牙模组没有接收到任何资料的传输,控制IC会将蓝牙模组关闭并自动进入休眠模式,如图十六(右)所示。



图十六 : 蓝牙模组之5分钟自动关闭
图十六 : 蓝牙模组之5分钟自动关闭

模组整合设计

在电路设计及测试完成後,为求整体之精简化,於是我们重新对电路进行编排设计如图十七(左),制作完成之电路如图十七(右),当电路装置上背包时,将可大大减轻背包重量,也让未来需要量产时可降低成本以及加快制作。



图十七 : 模组精简化
图十七 : 模组精简化

结语

本作品验证後确实可以警示提醒年长者物品是否携带,因为如今并没有防范东西未带的措施,也购买不到相关的产品或用品,但这个问题依然会持续困扰着许多家庭及年长者,因此未来势必还是需要一个解决方案,如果将来任何的可携式背包都可以加装此系统装置,将可有效的防范东西未带出门的窘境。


这是一个崭新的想法,除了未来具有商业价值之外,同时也能解决健忘所带来的困扰。


(本文作者蔡建峰1、郑世贤2、吕昌庭3、许嘉升4、李至兼5为国立虎尾科技大学1助理教授、2-5学生)


叁考资料

[1]台湾失智症协会,”认识失智症” 2018/03


(http://www.tada2002.org.tw/About/IsntDementia) 2019/09/09。


[2]维基百科, “无线射频辨识” 2019/07/19 20:04


(https://zh.wikipedia.org/wiki/射???) 2019/09/09


[3]HOLTEK, “HT66F2390_产品细节”


(https://www.holtek.com.tw/productdetail/-/vg/66f23x0) 2019/09/10


[4]Overblog, “吸波材料介绍” 2012/12/21


(http://beeway.over-blog.com/article-113662149.html) 2019/09/10


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