TWI384426B

TWI384426B - 一種改良感測模組之感測方法

Info

Publication number: TWI384426B
Application number: TW098114279A
Authority: TW
Inventors: Jang Ping Sheu; Chia Chi Chang
Original assignee: Nat Univ Tsing Hua
Priority date: 2009-04-29
Filing date: 2009-04-29
Publication date: 2013-02-01
Also published as: US20100280795A1; TW201039284A

Description

一種改良感測模組之感測方法

本發明係有關於一種無線感測器之技術及方法，以模組化元件所組成之感測器硬體平台，搭配函式庫之輔助，達成無線感測之結果。

近年來，由於感測技術之進步，帶動了軍事、光電、生物、化學、醫療器材應用、與環境研究工程等方面之研究，能夠朝向更精細的領域邁進，故，高科技之感測技術之開發與其應用技術之發展，已成為各國競相研究發展之項目，因此，各種感測器之應用也漸漸進入一般人的生活當中，例如：汽車的一氧化碳感測器、大樓的煙霧感測灑水系統、與溫度感測器等。

然而，傳統之感測器係需要放置到一偵測地點，於蒐集感測標的物之資訊後，定期由研究人員將感測器帶回，再將感測所蒐集之感測資訊取出，以供後續之分析研究。然而，並非每一個感測標的物之所在環境，皆係人力所能到達的，例如，高山、森林、災害現場、化學污染區、或軍事戰場等，上述地點，若需派遣人員至該地點放置與取回感測器，對於該人員之生命係有極大之危險，且，就算該地點並非危險之環境，為了取出感測器所蒐集之感測資訊而需經常來回，也極浪費時間及人力。

因此，將感測器連接一無線通訊裝置，使得感測器所蒐集之感測資訊，能夠以無線通訊傳輸之方式，送回使用者監控電腦端，實乃必要之趨勢。目前雖有相關專利已將感測器與無線通訊裝置結合，然而，於實際使用上，卻仍有下列功能上之缺陷：

1.感測器結構僅可搭載單一感測器元件，其使用上之效能有限。

2.該無線網路模組之設計為持續輸出資料之模式，係極消耗電池能量，故需要時常更換電池，然而，為了更換電池而經常地來回放置感測器之地點，亦極浪費時間及人力。

3.體積過大之感測器結構，係無法有效地利用空間，而使得製作成本過高。

4.無搭載微處理器與感測器相關之函式庫資料，雖可替換感測器元件以感測不同之感測標的物，但由於無法利用函式庫資料，以校正感測器元件，亦即缺乏其無線感測之準確性。

本發明之主要目的，在於提供一種改良感測模組及感測方法，不僅使用函式庫資料以校正及控制不同之感測元件，並設計了無線感測之感測方法流程，以達到準確之無線感測及資料傳輸之目的。

本發明之另一目的，在於提供一種改良感測模組及感測方法，利用模組化元件組成之無線感測器平台，以達到真正無人守值之無線感測之目的。

一種改良感測模組之感測方法，該方法包括以下步驟：(1)判斷一感測標的物是否與前次相同，若是，則執行步驟(2)，若否，則執行步驟(9)；(2)使用一感測器以蒐集感測訊號；(3)藉由一核心處理器以處理感測資料；(4)判斷是否已達定期送出感測資料之時間，若是，則執行步驟(5)，若否，則執行步驟(7)；(5)擷取並送出感測資料；(6)使用者電腦端接收感測資料；(7)將感測資料寫入一快閃記憶體；(8)判斷該快閃記憶體是否已滿，若是，則執行步驟(5)，若否，則重複執行步驟(2)；及(9)使用者變更函式庫資料，以執行步驟(2)。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種改良感測模組及感測方法，以下將配合圖示，詳盡說明之。

請參閱第一圖，係本發明之一種改良感測模組之各模組配置圖，一種改良感測模組100係包括：一感測器(Sensor)110、一訊號放大器(Amplifier)120、一微處理器(MCU)130、一功率放大器(Power Amplifier)150、一天線(Atenna)160、一電池170、一連接器(Connector)180、及一通用串列匯流排連接器(Universal Serial Bus Connector、USB Connector)190；該感測器110係具有至少一個以上之感測元件1101，負責蒐集感測標的物之一類比感測訊號；該訊號放大器120之功能在於放大感測器所蒐集之該類比感測訊號，使感測訊號可更清楚地被辨識，以利於後續之資料分析與研究；該微處理器130係包括許多元件及功能：一類比數位轉換器(Analog-to-Digital Converter、ADC)136，係可將該訊號放大器120所放大之該類比感測訊號，轉換為一數位感測訊號；一核心處理器(Processor Core)132，係負責將該數位感測訊號處理成為一感測資料；一靜態隨機存取記憶體(Static RAM、SRAM)131，係為一資料暫存區，可暫存該核心處理器132所處理完畢之該感測資料；一快閃記憶體(Flash Memory)133，係作為感測資料之儲存區；一電可抹除唯讀記憶體(EEPROM)134，係作為該改良感測模組100所需之函式庫資料之儲存區；一無線通訊晶片(Radio IC)135，係可將感測資料封包成為符合無線通訊協定之格式，並發射出去；一I2C匯流排(Inter-IC Bus)137，係作為核心處理器132與該靜態隨機存取記憶體131、該無線通訊晶片135、及一外接IC之間，連絡溝通之橋樑；一輸入/輸出介面(I/O)141，係為微處理器130與該外接IC之輸入與輸出介面；一通用非同步收發器(Universal Asynchronous Receiver Transmitter、UART) 138，係為微處理器130與周邊裝置間之串列資料傳輸裝置；一序列周邊介面(Serial Peripheral Interface、SPI)139，亦係作為微處理器130與周邊裝置間之串列資料傳輸裝置；一電源轉換器(DC/DC Converter)144，係可將該電池170所提供之電壓升高或降低至改良感測模組100所需要之數值；一線上燒錄(In-system Programming)143之功能，透過序列周邊介面139，微處理器130可提供使用者該線上燒錄143之功能，以更新函式資料庫；及一自我燒錄(Self Programming)142之功能，微處理器130本身亦具有該自我燒錄142之功能，以將感測資料寫入該快閃記憶體133之中；另，該功率放大器150，係可增強無線通訊傳輸之功率，以增加無線傳輸之距離；該天線160，係作為無線通訊傳輸之終端發送與接收資料；該電池170，係為一高分子鋰電池，其具有高能量密度與低放電之特性，以維持該改良感測模組100之長時間運作；該連接器180，係可連接該外接IC，且透過該輸入/輸出介面141可與該核心處理器132連絡；及，該通用串列匯流排連接器190，係可直接連接使用者電腦端之USB介面，如此，使用者不僅可直接存取儲存於快閃記憶體133內的感測資料，亦可將必要之函式庫資料，寫入電可抹除唯讀記憶體134內。

上述清楚地揭露了該改良感測模組100之各模組元件及其功能，接著，請同時參閱第二A圖至第二C圖，係本發明之一種改良感測模組之感測方法流程圖，首先，於步驟201之中，判斷感測標的物是否與前次相同，若是，則可進行步驟202，即，直接使用該感測器110開始蒐集感測訊號，感測器110所蒐集之訊號係為該類比感測訊號。接著，於步驟203之中，類比感測訊號會透過該訊號放大器120而被放大，然後，步驟204，藉由該類比數位轉換器136，將已被放大之類比感測訊號，轉變成為該數位感測訊號，而使得執行步驟205之時，該核心處理器132可易於接收並處理。

然而，於步驟201之中，若是感測標的物係與前次不同，則使用者必須先更新函式庫資料，即，執行步驟212至步驟214，使用者必須先使用該改良感測模組100之該通用串列匯流排連接器(USB Connector)190，以連接使用者電腦端之USB通訊介面，再把所需要更新之該函式庫資料，例如：Sensor函式庫、微處理函式庫、或使用者根據不同之感測標的物，而以C語言所撰寫之相關函式庫，存入該微處理器130中的該靜態隨機存取記憶體131之內，接下來，函式庫資料會由靜態隨機存取記憶體131被寫入於該電可抹除唯讀記憶體134之內。

上述步驟212至步驟214之流程，即使用者利用該微處理器130所提供該線上燒錄143之功能，依照感測標的物之不同，而將相關所需之函式庫資料，寫入該電可抹除唯讀記憶體134內，以供該微處理器130校正及控制不同之感測元件。

接續步驟204，於步驟205中，該核心處理器132接收到該數位感測訊號之後，便逕而存取儲存於該電可抹除唯讀記憶體134內之相關函式庫資料，以將數位感測訊號處理成為該感測資料，之後，於步驟206中，核心處理器132便將感測資料存入於該靜態隨機存取記憶體131之中，此時，即繼續進行步驟207，判斷是否已達使用者於Timer函式庫之中，所設定之送出感測資料之時間，若是已達送出感測資料之時間，該改良感測模將自動執行步驟208，以使用該無線通訊晶片135將感測資料封包成為符合IEEE802.15.4之無線通訊協定之格式，並且於步驟209，藉由該功率放大器150增強無線通訊晶片135之發射功率，以增加無線通訊傳輸之距離，接著執行步驟210，經由終端之該天線160把感測資料傳送出去；最後，於步驟211，使用者電腦端即可自動地接收資料，以完成電腦自動擷取，並以無線通訊送出之方法流程。於本實施例之中，改良感測模組100之所具有之Timer函式庫，其所設定送出感測資料之時間為每3小時一次，該設定係可避免持續使用無線通訊晶片135發送資料，使得該電池170快速地消耗能量，而需經常地更換電池。

但，若於上述之步驟207中，該改良感測模組100仍未達到送出該感測資料之時間，則改良感測模組100將自動地執行步驟215，即，該核心處理器132將啟動該自我燒錄143之功能，以將感測資料由該靜態隨機存取記憶體131，寫入該快閃記憶體133內，其可先將感測資料儲存下來，等待達到下次送出資料之時間，再一同以無線通訊之方式，將感測資料送出。然而，於步驟216之中所判斷快閃記憶體133尚未被寫滿，則改良感測模組100將自動地回到步驟202，以繼續使用該感測器蒐集感測訊號；但，若是快閃記憶體133已被寫滿，則使用者必須以人工方式，將感測資料由快閃記憶體133之內擷取出來，即，須執行步驟217至步驟218，使用該通用串列匯流排連接器190以連接使用者電腦端之USB通訊介面，再把快閃記憶體133內所有儲存之感測資料移至使用者電腦端之內，以完成人工方式擷取與送出資料之方法流程。

上述本發明之一種改良感測模組之感測方法之中，該改良感測模組100可自動地判斷送出資料之方式係為人工方式擷取與送出，或，電腦方式擷取並以無線通訊送出，且，該感測器110可替換不同之該感測元件，以感測下列任一種之感測標的物：溫度、光度、溼度、氧氣、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、酸鹼值、及以上任二種以上的組合，上述之感測標的物皆已係市面上既有生產之感測元件，故，皆適合安裝於感測器110之內；另外，為增加無線感測之資料準確度，本發明更以搭配函式庫資料之方式，針對不同之感測元件以進行修正(Calibration)、容錯(Correction)、及控制，其中，該改良感測模組100所搭載之函式庫資料，係包括：感測器(Sensor)函式庫、微處理器(MCU)函式庫、Timer函式庫、UART函式庫、SPI函式庫、及任何使用者根據不同之感測元件，而以C語言所撰寫之相關函式庫，藉由各種函式庫之輔助，並透過該I2C匯流排137以連絡溝通該核心處理器132、該靜態隨機存取記憶體131、與該無線通訊晶片135等積體化之晶片IC，使得改良感測模組100之各模組元件，得以相互連絡與發揮其功能，而讓本發明之一種改良感測模組100可實現真正準確地無線感測。

綜合上述，本發明之一種改良感測模組及感測方法，相較於上述之先前技術，有下列之優點：

1.以模組化之方式，將改良感測模組所需之各種模組元件，藉由PCB佈線以實現之，並且，可依使用者之需求，而設計相關且支援完善之無線感測器網路平台。

2.該感測器可搭載一個以上之感測元件，即，該改良感測模組可實現同時感測一種以上之感測標的物。

3.該微處理器藉由存取Timer函式庫，可控制定期送出感測資料之時間，如此，可避免長時間持續使用無線通訊模組發射訊號，而大量消耗電池能量，而需要經常地更換電池。

4.改良感測模組所配置之各模組元件，如微處理器、該訊號放大器、與該功率放大器，皆為積體化之晶片IC，故，易於藉由PCB之佈局，以將改良感測模組製作成僅如市面上隨身碟之大小，其極具效率之空間利用方式，不僅製作方式容易，且成本低廉。

5.使用雙層PCB裸銅接地之佈線設計，不僅抑制無線通訊傳輸之雜訊干擾，亦可協助晶片之散熱，以維持晶片工作之穩定性。

6.使用者針對不同之感測標的物，可使用相對應之感測元件，設置於感測器之上，並利用微處理器所提供之該線上燒錄之功能，更替相關之Sensor函式庫，除了可校正感測元件外，並可協助微處理器處理感測訊號，大大地提高了無線感測之準確性。

7.設計良善且系統化之感測方法流程，由蒐集感測訊號開始、處理感測訊號、送出感測資料、及使用者接收感測資料結束，皆由微處理器以存取相關之函式庫資料來輔助完成，而達到真正無人守值之無線感測。

綜合上述，本發明之一種改良感測模組及感測方法，係以模組化元件組成改良感測模組，可針對不同之感測元件而更新函式庫資料，並設計了自動化之無線感測之方法流程，以準確地完成無線感測。

以上所述，僅為本發明之較佳實施例，當不能以之限制本發明之範圍，及大凡本發明之申請專利範圍之均等變化及修飾，仍不脫離本發明之要義所在，故皆應視為本發明之進一步實施狀況。

100‧‧‧改良感測模組

110‧‧‧感測器(Sensor)

1101‧‧‧感測元件

120‧‧‧訊號放大器(Amplifier)

130‧‧‧微處理器(MCU)

131‧‧‧靜態隨機存取記憶體(Static RAM、SRAM)

132‧‧‧核心處理器(Process Core)

133‧‧‧快閃記憶體(Flash Memory)

134‧‧‧電可抹除唯讀記憶體(EEPROM)

135‧‧‧無線通訊晶片(Radio IC)

136‧‧‧類比數位轉換器(Analog-to-Digital Convertor、ADC)

137‧‧‧I2C匯流排(Inter-IC Bus)

138‧‧‧通用非同步收發器(Universal Asynchronous Receiver Transmitter、UART)

139‧‧‧序列周邊介面(Serial Peripheral Interface、SPI)

141‧‧‧輸入/輸出(I/O)

142‧‧‧自我燒錄(Self Programming)

143‧‧‧線上燒錄(In-system Programming)

144‧‧‧電源轉換器(DC/DC Convertor)

150‧‧‧功率放大器(Power Amplifier)

160‧‧‧天線(Antenna)

170‧‧‧電池

180‧‧‧連接器(Connector)

190‧‧‧通用串列匯流排連接器(Universal Serial Bus Connector、USB Connector)

201~218‧‧‧方法步驟

第一圖係本發明之一種改良感測模組之各模組配置圖；第二A圖至第二C圖係本發明之一種改良感測模組之感測方法流程圖。