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以微机电整合远端红外线与蓝牙戒指的厂办系统
[作者 陳峰漳]   2019年08月15日 星期四 浏览人次: [5007]

市面上滑鼠多半需倚赖放置於2D桌面上使用,明显受到很大的局限,而针对厂办环境更是无法自由运用。因此若能透过具有红外线与线性加速度计戒指在空中做任意旋转、绘图、书写,便能在办公室达到控制电脑滑鼠游标的目的,甚至可以直观手写比划方式取代键盘输入文字,简报展示或者执行demo皆不是问题;此外,结合红外线功能更能方便於工厂产线下达简要操作指令,此产品将会提供人们更舒适便利的生活。


现今若想要遥控厂办中的设备,绝大多数都是使用该装置红外线遥控器,但随着设备及需求数量的增加,不同种类与样式的遥控器会带来收纳与操作习惯相异的混淆情形,降低员工在厂办工作生产的效率。


有监於此,本研究欲从厂办中众多遥控器之收纳与操作的不便利性着手,提出技术研发之改善构想。期??能以目前最新技术Bluetooth5.0技术、红外线协定等异质网路,结合现今低成本3D列印技术制作戒指,解决遥控器繁多和收纳问题,更能使生产线员工即使手指沾满脏污也能在不影响机台及电脑状况下简洁操作,对於运输货物机台也可有效减少劳力使用,只需透过戒指远端红外线空中遥控,无须人力近距离操作。


本研究中相关的产品介绍如下:


遥控空中滑鼠

市面上有不少空中滑鼠类型的产品。2018年晶翔机电公司研发出Navii Air Mouse空中飞鼠,不仅外壳做得相当漂亮,如图1所示,该产品内设微机电陀螺仪感测手腕及手势的变化,经由手的转动、移动等姿态变化於空中来控制滑鼠游标,精准地将电脑游标定位於萤幕上的任一画素(Pixel)上。


Navii Air Mouse在3D空间中能作专业简报、影音娱乐及游戏体感手把,支援桌上型电脑、笔电、数位机上盒(STB)、家庭多媒体中心等系统,无线RF可达10M范围。将其放回桌面可当作1600DPI高解析度无线雷射滑鼠使用,可谓「四合一空中飞鼠」 (简报器、遥控器、空中滑鼠游戏、无线雷射)。



图1 :  Navii Air Mouse[1]
图1 : Navii Air Mouse[1]

昆盈所推出的Genius Ring Presenter戒指型触控式游标控制器以戒指替代一般手拿方式,如图2所示。同时具备桌面滑鼠的功能,操控部分需要触控其上方圆形面板与侧边切换键,而非以转动及移动来作为滑鼠游标变化呈现,使用者只须用手指触碰戒指上方光学感应器就能操作滑鼠游标,按下周围的按键也能反映出其他功能。


图2 : Genius Ring Presente[2]
图2 : Genius Ring Presente[2]

2018年微电脑应用系统设计创作竞赛中基於手指轨迹重建的微小化遥控戒指━王牌简报被发表,获得信号处理类研究所组隹作。其作品主要是执行手势动作便能轻松地翻动简报及网页页面,旋转手指就能绘出手指轨迹,在简报里能标记重点或者书写文字,甚至提供多媒体操控,例如开启关闭播放音乐、调整电脑声音音量。更重要的是此作品以3D列印方式制作,优点是无需机械加工或任何模具,且能自由客制化,摒弃生产线而降低成本。



图3 : 魔力指挥家━王牌简报[3]
图3 : 魔力指挥家━王牌简报[3]

红外线遥控装置

目前设备控制之方法众多,例如小米万能控制器与i-Ctrl艾控。


小米万能控制器,如图4所示,是可以整合蓝牙音箱、电视机、机上盒或智慧电视盒等家电的红外线控制器,透过小米控制器,只要家中的电子设备有附赠红外线遥控器就可以透过手机来控制家电,如果要再更进阶一点的话,还可以自行编辑排程;当回到家时就可以ㄧ键开启所有设备,如果离开家里可以ㄧ键关闭所有设备。



图4 : 小米万能控制器[4]
图4 : 小米万能控制器[4]

除了透过手机的方式控制所有家电的遥控器,当然也可以透过手机网路在远端的公司或外地直接控制所有的家电或者小米的智慧家电商品,不管是远端监视器看家中的毛小孩,还是远端操作家中的扫地机器人,不一定要在家中Wi-Fi才能够使用家电控制。



图5 : i-Ctrl艾控[5]
图5 : i-Ctrl艾控[5]

i-Ctrl艾控(图5)是目前物联网时代中不可或缺的小帮手。家中的电器设备多样化,遥控器五花八门,到处摆放不易收纳,常常找不到遥控器,甚至拿错遥控器,这些问题都可透过i-Ctrl艾控获得解决,轻巧不占空间,不管是在家中、外出都可以控制家中的红外线家电,重点只要设定一次,利用智慧型手机(Android或iOS),轻松将你的家电提升为智能家电。


本研究中相关的技术介绍如下:


微机电系统发展

微机电系统应用的范围极广,MEMS感测器在物联网(IoT)应用扮演着举足轻重的角色,如加速度计、环境感测器(温度、湿度、压力、气体等)、化学微感测器、重力感测器、微陀螺计、微陀螺仪、地磁计,以及内建三轴微加速度计、三轴微陀螺仪、三轴微地磁计,整合起来九轴MEMS微感测器,实现微小化穿戴装置智慧化功能,适合用在轻巧便携的电子设备和可穿戴产品中。目前手机皆内置MEMS(微机电系统)三轴陀螺仪的手机,可以感知来自六个方向的运动,加速度,角度变化。


图6 : Coriolis Forc[6]
图6 : Coriolis Forc[6]

文献研究轨迹重建多以是以九轴感测器作为讯号收集、感测与维持方向的装置。目标是获得旋转角度值作为物体或手指移动距离及方向上判断的依据,而陀螺仪主要是利用角动量守恒原理,能感测围绕某个轴发生的旋转角速度,以度/秒为单位,角速度测量能够间接测量出角位移。MEMS九轴感测器具有在杂讯、温度系数、失调以及偏置漂移等性能方面缺点,在动态条件下反而能够提供更高水准的倾斜精度。


由於感测器因不同厂商、价格成本及精确度上考量,误差范围值不尽相同,但针对动态行为将其偏差值消除依旧是必要的首要条件,另外,手势停摆时会有抖动现象发生。讯号处理须针对手振动讯号频带特性设计滤波器[7]降低误差,经类比数位转换器(ADC)滤除高频杂讯後,计算颤抖角度,加以补偿相对应的位移讯号,以达到防手震效果。


除了配置於遥控戒指内,精确的运动感测器对於机器人、自动驾驶汽车和无人机的成功研发都是相当重要,占有一席之地。


蓝牙5.0

手持智慧戒指装置与电脑的蓝牙讯号连线操控电脑,在使用微控制器控制红外线发射器来作动厂办设备。


蓝牙(Bluetooth)是一种无线个人区域网(Wireless PAN),最初由Ericsson创制,刚开始中文被叫做「蓝芽」,後来由蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)订定成全球技术标准,正名为「蓝牙」。


蓝牙版本由最早的1988年0.7版到2016年6月已推出5.0版。蓝牙5.0於2016年6月正式宣布规范。蓝牙5.0和前一代蓝牙4.2相比,它的传输距离更远、速度更快。理论上的有效距离是300公尺,也就是整个家庭或整间办公室里的行动装置都可以稳定连结。而速度最快则是可以达到2Mbps,让反应更快、性能更高的蓝牙装置更有可能被使用。此外,它还大幅增强了蓝牙广播的数据传输,能为商用蓝牙带来更好的前景,让使用蓝牙做为标准的物联网应用更加强大。


蓝牙5.0技术规格主攻物联网及智能生活的规范,相较Wi-Fi传输,蓝牙传输的优点是成为省电、安全性高、兼容性高、有效距离更远、成本低,但缺点则是网速较慢。


表一、蓝牙与Wi-Fi技术比较

红外线传送与接收

红外线(infrared、IR),俗称红外光,其波长在770nm(奈米)至1mm(毫米)之间,而人眼可感知的电磁波波长一般在400到700nm之间,所以红外线属於不可见光,在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途。



图7 : 电磁波频谱[8]
图7 : 电磁波频谱[8]

遥控器(发送端)将特定的讯号编码,然後透过红外线通讯技术将编码送出,当设备上的红外线接收器(接收端)收到编码之後,将其进行解码而得到原来的讯号,收发的两端必须相互对准。目前红外线学习机主要分为两种,一种透过预先写入红外线编码的方法,将一般红外线遥控器之控制讯号写死在记忆体中,因此当需更新红外线编码时就无法遥控家电;另一种则是制作一红外线学习机,利用复制红外线遥控器的载波来控制此家电设备。


厂办应用


图8 : 工研院智慧机械科技中心在台中精密机械园区
图8 : 工研院智慧机械科技中心在台中精密机械园区

「厂办」意谓科技工厂与办公室结合。综合上述技术,若将红外线装置相关技术,包括红外线频率调变技术以预防其他的电磁波干扰,加上整合无线蓝牙与IR之间的协定,并和遥控戒指与红外线遥控装置结合,将完成便利於厂办环境的遥控装置。结合市面上既有的功能、在办公室轻松透过戒指使用蓝牙5.0可达到传送个人讯息、电脑简易操作等,在工厂内部或研究中心则透过不同手势进行大型机台红外线连线操作。


(本文作者陈峰漳现任职於凌群电脑技术支援处)


叁考文献

[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]维基百科


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