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研究生:陳以淳
研究生(外文):Yi-Chun Chen
論文名稱:應用無線傳輸技術於感測平台之整合
論文名稱(外文):Integrated Wireless Transmission Technologies for a Sensing Platform
指導教授:洪國永
指導教授(外文):Kuo-Yung Hung
學位類別:碩士
校院名稱:明志科技大學
系所名稱:機電工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:85
中文關鍵詞:居家照護無線傳輸平台多功能感測晶片
外文關鍵詞:Telehome careWireless sensor networksMulti-function sensor
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本論文之目的為整合微感測器、zigbee無線傳輸技術、微控制器和動態監控程式,建立一感測暨無線傳輸平台以應用於居家照護與農漁牧養殖等產業。
本論文之架構,約可分為物理量訊號擷取、訊號處理、微控制器、建立資料庫及無線傳輸等重點。論文中以氣壓感測器及RGB顏色感測器來驗證zigbee無線傳輸技術及監控平台,以應用於農漁牧養殖、居家照護或尿液顏色檢測。整體系統之規劃以低成本及穩定傳輸系統為主要考量,並開發具有複合功能單晶片(含USB、A/D及zigbee)之應用電路,以有效縮小整體電路體積。
初步設計之類比轉數位電路以8-12位元傳輸為主,以確保資料傳輸之正確性及精確度。無線傳輸系統擬以zigbee或MicroChip之晶片為發展平台,此平台具有多通道輸入/輸出,以提供各感測元件使用。視窗監控以Visual Basic作為接收及記錄無線資料之介面,為一雙向圖控操作之簡易平台。藉由本論文之初步研究,可開發簡易感測暨無線傳輸平台技術,應用於養殖業之水溫、鹽度偵測及居家照護應用,以收到提升監控效率、有效管理、容易記錄與追蹤等成效,對於產業技術之發展相當有助益。
This thesis presents a system combines the Microsensor, Wireless transmission technologies(Zigbee), micro controller, and a monitor system to install a platform of wireless sensor network and application to Telehomecare and animal husbandry.
In this research, we use a barometric sensor and a color sensor to build wireless transmission technologies and a platform of monitor. Then, expand to detect system of temperature or something else. Finally, it will apply to agriculture, fishery, husbandry or home care services. The planning of the whole system is low cost and stability transmission situation. We also want to develop a circuit of multi-function chip that combines USB, A/D and zigbee.
In our initial design, the circuit of A/D Converter is manly 8-12 bits, so as to ensure exactness and accuracy of delivering data. The wireless delivers system to draw up to take the chip of Microchip or Zigbee as to develop a platform, this platform has many channels to input / output in order to offer each detect usage. The Windows supervision is an interface for receiving and recoding data by transmitting, it’s a simple platform that operated by diagram control.
With the preliminary research of this thesis, it can develop a simple platform for detect and wireless deliver technique, if we apply this technology to some application, for example, home care services for nursing or detect the temperature or salt degree of water for aquaculture, it will quite beneficial to the development of many industry.
目 錄
第一章 緒論 1
1.1 研究背景及動機 1
1.2 研究方法及目的 2
第二章 文獻回顧 4
2.1壓力感測器 4
2.1.1壓力感測器原理及架構 4
2.1.2感測器製作 6
2.1.3感測器放大電路分析 7
2.1.4氣、液壓量測 9
2.2 Color Sensor 11
2.2.1 Color Sensor的工作原理及類型比較 12
2.2.2色彩傳感 14
2.2.3 Color Sensor於生醫領域之應用 15
2.3 A/D Converter 16
2.3.1 A/D C的架構 17
2.3.2連續近似法A/D Converter(Successive
Approximation A/D Converter) 17
2.3.3 ADC0804 18
2.4輸出結果之監控及觀測 20
2.4.1 Microchip(PIC)單晶片 21
2.4.2 LCD模組 25
2.5無線感測網路 28
2.5.1 居家照護及遠距醫療 29
2.5.2 Zigbee的介紹 30
2.5.3 無線傳輸技術比較 31
第三章 感測及訊號轉換電路 33
3.1壓力感測器 33
3.1.1電路分析 34
3.1.2電源 35
3.1.3放大器電路 36
3.1.4 VR1與VR2功能說明 36
3.2色彩感測器 37
3.2.1色彩感測器週邊電路 39
3.2.2實驗方法與結果 41
3.3類比轉數位(A/D)電路 43
第四章 感測結果之觀測與監控 45
4.1 PIC18F452 45
4.2 APP001實驗板及MPLAB ICD 2 線上模擬器 46
4.3 Visual Basic視窗監控程式 48
4.3.1 原理及說明 49
4.3.2 表單配置及設計 49
第五章 無線傳輸 54
5.1 Zigbee的基本特性 54
5.2 Zigbee 模組 57
第六章 結論 63
參考文獻 64
附錄A 67
附錄B 71
附錄C 75
附錄D 82

表目錄
表2.1 各類壓力量測原理之比較 5
表2.2 不同顏色之尿液所對應可能相關病症 16
表2.3 單晶片於用途上之比較表 24
表2.4 四種型式的工作頻率及工作電壓比較表 25
表2.5 LCD模組接腳說明 26
表2.6 無線通訊技術比較表 32
表3.1 不同輸出模式之腳位功能對照表 36
表3.2 Color sensor各腳位之功能 38
表3.3 打入兩種不同顏色的光所對應之R、G、B輸出電壓 39
表3.4 不同顏色液體對應感測器電壓輸出情形 40
表3.5 實驗所選用之各種顏色之液體在色度圖中的定義 40
表5.1 IEEE802.15.4之SoC/SiP晶片比較 58
表5.2 IEEE802.15.4之RF晶片比較 59
表5.3 Zigbee常搭配之微處理器比較 60

圖目錄
圖1.1 論文整體設計圖 3
圖2.1 應變計基本原理 5
圖2.2 壓力感測器製程 7
圖2.3 使用差值放大器 8
圖2.4 使用雙OP差值放大器 9
圖2.5 使用儀器放大器 9
圖2.6 各種壓力量測示意圖 11
圖2.7 光轉換為電壓之Color sensor工作原理 12
圖2.8 反射的光的顏色取決於表面反射的顏色和吸收的顏色 14
圖2.9 感測器的R、G、B輸出取決於落在感測器上光的顏色 15
圖2.10 透明介質的色彩傳感,如色彩濾波器、液體或氣體 15
圖2.11 連續近似法A/D Converter方塊圖 18
圖2.12 ADC0804腳位圖 19
圖2.13 單晶片微電腦所具備的各個單元 21
圖2.14 LCD模組之結構 26
圖2.15 本系統應用於養殖業示意圖 28
圖2.16 本系統應用於居家照護示意圖 29
圖2.17 本系統之Function Block 32
圖3.1 MPS-2100-006G外觀尺寸 33
圖3.2 壓力感測系統電路圖 34
圖3.3 MAU108外觀尺寸 35
圖3.4 圖例說明VR1及VR2之功能 37
圖3.5 Color sensor之外觀和尺寸圖 38
圖3.6 Color sensor之腳位 38
圖3.7 色彩感測系統電路圖 39
圖3.8 壓力感測器之實驗架構圖 41
圖3.9 顏色感測器之實驗架構圖 41
圖3.10 輸入氣壓與輸出電壓之關係曲線圖 42
圖3.11 不同顏色之液體和輸出電壓之關係曲線圖 42
圖3.12 A/D C系統電路圖 43
圖4.1 PIC18F452腳位圖 45
圖4.2 RS-232電路 47
圖4.3 LCD電路 47
圖4.4 ICD 2 實體圖 48
圖4.5 ICD 2 週邊連結示意圖 48
圖4.6 MCU與RS-232連接之電路圖 49
圖4.7 表單和程式碼設計視窗 52
圖4.8 觀測A/D輸出結果之視窗 52
圖4.9 Color Sensor輸出電壓轉為顏色表示之視窗 53
圖4.10 色度圖 53
圖5.1 802.15.4與Zigbee通訊協定架構 56
圖5.2 Zigbee樹狀拓樸結構 57
圖5.3 Zigbee開發環境 61
圖5.4 Zigbee Target Board實體圖 61
圖5.5 加入過大氣壓造成感測元件破壞前後之結果 62
圖5.6 本研究目前成品 62
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