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永遠不會忘記袋--適用於高齡者之記憶輔助背包
HOLTEK盛群盃MCU創意大賽技術報告

【作者: 蔡建峰、鄭世賢等】   2019年09月11日 星期三

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近年來隨著台灣漸漸邁向超高齡社會,人口結構失衡問題持續放大,年長者的照顧問題已成為所有家庭所面臨之重大問題,然而台灣普遍低薪現象使得雙薪族群數量上升,進而讓家庭對年長者的照顧能力被大幅分散,其中許多家庭最為擔心的是年長者的健忘問題,主要原因是許多年長者皆有記憶力衰退的問題,並且健忘程度隨著年紀增加更是嚴重。


目前大部分的家庭會選擇將家中物品放在固定位置,防止年長者因記憶力衰退而找不到,但當年長者要外出時,卻可能因上班或重要事物,而無法幫忙再次確認外出攜帶之物品,使年長者在外出後因物品遺漏而造成重大影響,漸漸的年長者將外出當成困擾,例如:失智老爸不肯出門怎麼辦?因此,本創作主要之目的為開發一具備隨掃即知的物品管理裝置,提供一能解決外出物品忘記攜帶之方案。


研發理念

近年來依據台灣失智症協會之調查結果[1],65歲以上老人平均每12人即有1位失智者,老人失智使得他們的記憶力逐年衰退,時常忘記自己做過什麼事情或者要做什麼,而造成生活上的不便與麻煩,在新聞中我們常看到,年長者因為出門忘記攜帶隨身物品,如手機、錢包、鑰匙、疾病藥物…等,造成外出的諸多不便與困擾, 因此預防年長者因記憶力衰退所帶來的問題已經不容忽視。


由於現今市面上幾乎找尋不到能解決上述問題的相關輔助裝置,因此我們構想出一套用於物品偵測的攜帶管理裝置,其技術特徵乃於背包中置入管理模組,利用無線射頻辨識(RFID)技術及電子標籤(ESL)[2],在背包內建構具無阻隔特性之物品掃描空間,警示模組讓年長者可以快速知道物品是否在背包內。


因此,當年長者透過按鈕啟動管理模組時,標籤讀取器將快速掃描背包內之標籤物品,並告知年長者重要物品是否在背包內,期望隨掃即知的效果,能有效降低年長者因不慎或檢查不便所造成出門時物品遺漏之困擾。


系統架構規劃

管理模組啟動時背包共有兩種檢測模式,第一種為快速檢測模式,快速檢測模式下控制IC會比對所有RFID標籤資訊,第二種為自訂檢測模式,自訂檢測模式下控制IC只比對使用者所設定之RFID標籤資訊。


當管理背包上掃描按鈕啟動時,控制IC接收到掃描命令,並啟動RFID模組讀取背包內標籤資料,RFID模組讀取完成後透過通訊IC與控制IC傳遞所讀取之標籤資料,當控制IC比對完標籤資料後,在確認無誤時啟動警示模組進入正確回報程序,反之則進入錯誤回報程序。


當管理背包上藍牙按鈕啟動時,控制IC會啟動藍牙模組,此時年長者之家屬即可透過手機藍牙與背包管理APP來與背包連線,家屬進入APP的使用者介面後,可切背包換掃描模式以及設定標籤資料,來替年長者管理外出背包。整體系統架構,如圖一所示。



圖一 : 系統架構圖
圖一 : 系統架構圖

主題內容

背包規劃與設計

依據前述所規劃之內容,攜帶管理裝置實現後,如圖二所示,在背包內有一控制模組來管理整個背包裝置,使用者可以透過背帶上的控制介面來加以控制,其中控制介面包含一掃描按鈕、一藍牙按鈕與一LED燈,在背包周圍則布置數個RFID軟性線圈(依據背包大小作調整),來架構出一個RFID掃描空間。



圖二 : 背包模型
圖二 : 背包模型

年長者使用上面的背包裝置時,只需將必備物品掛(貼)上RFID標籤,即可在出門前或離開當前場所前,按下背帶上控制介面的掃描按鈕,就能快速知道所需物品是否在背包內。


硬體設計

硬體驗證規劃上RFID模組採用UHF RFID讀寫器(AS3992),原因在於其模組的資訊及架構較為開放,比較容易在初期透過資料表來使用與修改,如圖三所示。



圖三 : AS3992電路架構
圖三 : AS3992電路架構

當使用者未按下掃描按鈕時,控制IC沒有接收到掃描訊號,不會提供電源至RFID模組,因此天線不會發送無線電波,如圖四(左)所示,任何標籤物品置於背包內皆不會有掃描動作也不會有輸出訊號。



圖四 : 背包掃描動作狀態
圖四 : 背包掃描動作狀態

當使用者按下掃描按鈕時,控制IC接收到掃描訊號,提供電源至RFID模組,RFID模組藉由8dbi天線將無線電波送往背包,感測背包內所有範圍之有標籤物品,如圖四(右)所示,當讀取器收到標籤回傳訊號後傳給盛群MCU,接著盛群MCU會根據默認標籤ID做出應對的輸出訊號至燈號判斷。


整合以上架構後完整硬體架構如圖五所示,管理背包使用一電源切換開關,讓使用者可以選擇9V乾電池或行動電源進行供電,主控MCU使用盛群IC HT66F2390,HT66F2390具有靈活I/O編成、EEPROM儲存區、完全集成通訊、低功耗等特性[3] 。



圖五 : 完整硬體架構
圖五 : 完整硬體架構

因此,HT66F2390在本裝置中能有效之運用,RFID模組與藍牙模組則是各別使用繼電器來提供電源,主要目的為在背包閒置時,透過繼電器將模組斷電,達到延長背包電池壽命效果,警示模組內則是包含一RGB LED與蜂鳴器,簡單的設計應用讓年長者也能快速辨識資訊,手機APP讓家屬可以透過手機藍牙進行背包管控。


軟體設計

基於以上之硬體設計與邏輯演算,管理背包之系統流程圖如圖六所示,當在背帶上或在APP中按下掃描按鈕時,控制模組啟動RFID模組,接著RFID模組進行標籤資料掃描與回傳,控制模組接收到回傳資訊後判斷目前掃描模式,接著進行相對標籤資料比對,如有缺失標籤則亮起紅色LED與蜂鳴器警報。



圖六 : 系統運作流程
圖六 : 系統運作流程

反之則亮起綠色LED燈來告知使用者,同時如果使用者的手機APP已與背包藍牙連線,則可以知道目前背包所缺失之物品;另外使用者的手機APP已與背包藍牙連線成功時,APP會進入使用者介面,此時使用者就可進行掃描模式切換、設定標籤資訊、背包標籤掃描與掃描結果顯示功能,當手機APP與背包藍牙在5分鐘內沒有資訊傳輸時,APP會發送藍牙關閉訊號給背包關閉藍牙模組。


方法與技巧

軟性天線製作

RFID天線是由薄銅片來製作成軟性天線,主要目的是為因應背包的伸縮性以至於不被破壞,而天線的形狀則是經過多次修改與測試,設計成如圖7所示之8dbi天線(dbi越高則掃描距離越短但掃描範圍越廣) 。


另外,因為天線面積的大小會影響RFID訊號所能傳輸的距離,面積越大每單位面積所能分配到的的RFID能量越小,所以當使用在不同大小的背包時,天線大小及數量也會進行調整。



圖七 : 軟性天線
圖七 : 軟性天線

吸波材料應用

@內文:吸波材料如圖八所示,吸波材料一般由基體材料和吸收介質複合而成,能將投射到它表面的電磁波能量吸收,並通過材料的介質損耗使電磁波能量轉化成為熱能或其他形式的能量。



圖八 : 吸波材料
圖八 : 吸波材料

目前吸波材料應用於各類電子產品,如電視、音響、VCD機、電腦、遊戲機、微波爐、移動電話中,可以使電磁波洩露降到國家衛生安全限值(10微瓦/平方釐米)以下確保人體健康;因此我們在背包夾層內包覆吸波材料,來阻隔與吸收RFID線圈所外散之訊號能量,保護年長者免受電磁波輻射傷害。


管理系統裝置實現

管理系統裝置由盛群開發板搭配藍牙模組、RFID模組、軟性天線、吸波材質、9V乾電池、按鈕開關、LED燈、蜂鳴器與手機(一個可以讓家屬隨身使用之操作介面)組成,管理系統裝置之硬體實現,如圖九所示。



圖九 : 管理系統裝置實現
圖九 : 管理系統裝置實現

管理裝置系統驗證測試

如圖十所示,將軟性天線以及吸波材質置入背包後,首先測試的是背包掃描結果之回報,當所有標籤物品皆在背包內時,警示LED燈會亮起綠燈如圖十一(左)所示3秒來告知使用者,當有標籤物品不在背包內時,警示LED燈會亮起紅燈如圖十一(右)所示,並且會在3秒內閃爍12次及蜂鳴器警示提醒。



圖十 : 背包測試圖
圖十 : 背包測試圖

圖十一 : 掃描結果回報
圖十一 : 掃描結果回報

接著測試的是藍牙模組與手機APP連線之能力,當藍牙模組未開啟時,手機APP無法與之連線,如圖十二所示。



圖十二 : 藍牙模組未開啟
圖十二 : 藍牙模組未開啟

當藍牙模組開啟後,手機APP成功連線時,手機APP將會進入到使用者介面,如圖十三所示,其中我們可以看到介面內有中斷連線、掃描、模式切換、標籤管理按鈕以及下方的標籤狀態資訊。



圖十三 : 藍牙模組開啟且連線成功
圖十三 : 藍牙模組開啟且連線成功

接著介紹的是自訂模式中的標籤管理介面,在標籤管理介面使用者可以決定標籤的使用與否如圖十四所示,如使用者要停用一組RFID標籤時,只需在位置欄輸入該組標籤位置,接著按下停用按鈕,控制器在對比標籤資訊時就會略過此組標籤資訊,相同的要啟用標籤也是輸入標籤位置並按下啟用,這樣控制器在對比標籤資訊時,將會重新對比該組標籤資訊。


在標籤管理介面中,使用者也可以為標籤命名,方法為輸入標籤位置與名稱並按下更改名稱按鈕,在標籤資訊中就能看到標籤名稱被更改所輸入之名稱,如圖十五所示,這樣使用者在背包掃描缺失時,就可快速知道所缺失之物品。



圖十四 : 標籤管理介面之標籤啟閉
圖十四 : 標籤管理介面之標籤啟閉

圖十五 : 標籤管理介面之標籤命名
圖十五 : 標籤管理介面之標籤命名

接著測試的是藍牙模組閒置之關閉功能,當使用者不小心忘記將藍牙模組關閉時如圖十六(左)所示,控制IC將會自動開始計時,計時5分鐘期間如果藍牙模組沒有接收到任何資料的傳輸,控制IC會將藍牙模組關閉並自動進入休眠模式,如圖十六(右)所示。



圖十六 : 藍牙模組之5分鐘自動關閉
圖十六 : 藍牙模組之5分鐘自動關閉

模組整合設計

在電路設計及測試完成後,為求整體之精簡化,於是我們重新對電路進行編排設計如圖十七(左),製作完成之電路如圖十七(右),當電路裝置上背包時,將可大大減輕背包重量,也讓未來需要量產時可降低成本以及加快製作。



圖十七 : 模組精簡化
圖十七 : 模組精簡化

結語

本作品驗證後確實可以警示提醒年長者物品是否攜帶,因為如今並沒有防範東西未帶的措施,也購買不到相關的產品或用品,但這個問題依然會持續困擾著許多家庭及年長者,因此未來勢必還是需要一個解決方案,如果將來任何的可攜式背包都可以加裝此系統裝置,將可有效的防範東西未帶出門的窘境。


這是一個嶄新的想法,除了未來具有商業價值之外,同時也能解決健忘所帶來的困擾。


(本文作者蔡建峰1、鄭世賢2、呂昌庭3、許嘉升4、李至兼5為國立虎尾科技大學電機工程學系1助理教授、2-5學生)


參考資料

[1]台灣失智症協會,”認識失智症” 2018/03


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


[2]維基百科, “無線射頻辨識” 2019/07/19 20:04


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


[3]HOLTEK, “HT66F2390_產品細節”


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


[4]Overblog, “吸波材料介紹” 2012/12/21


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


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