智慧電子整合性人才培育先導型
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計畫主題:智慧電子應用技術 平台 PowerPoint PPT Presentation


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智慧電子整合性人才培育先導型 計畫 教材 成果研習會. 計畫主題:智慧電子應用技術 平台. 銀髮族健康照護服務系統應用專題. 林仲志 長庚大學資訊工程系. 課程內容總表. Chapter 3 RFID 系統建置關鍵性考量 RFID 資訊平台建置挑戰 電子標籤應用時考量 天線架設考量 讀取器選用考量 RFID 照護系統作業流程. Chapter 1 失智症介紹 全球人口老化 什麼是失智症 引發失智症原因 失智症種類 失智症症狀 失智症問題 正常和失智間的灰色地帶 核心症狀 台灣目前失智症現況. Chapter 4 RFID 定位之應用

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計畫主題:智慧電子應用技術 平台

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Presentation Transcript


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智慧電子整合性人才培育先導型計畫

教材成果研習會

計畫主題:智慧電子應用技術平台


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銀髮族健康照護服務系統應用專題

林仲志

長庚大學資訊工程系


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課程內容總表

  • Chapter 3 RFID系統建置關鍵性考量

    • RFID資訊平台建置挑戰

    • 電子標籤應用時考量

    • 天線架設考量

    • 讀取器選用考量

    • RFID照護系統作業流程

  • Chapter 1失智症介紹

    • 全球人口老化

    • 什麼是失智症

      • 引發失智症原因

      • 失智症種類

      • 失智症症狀

      • 失智症問題

      • 正常和失智間的灰色地帶

      • 核心症狀

    • 台灣目前失智症現況

  • Chapter 4 RFID定位之應用

    • 定位技術簡介

    • RFID定位技術

    • RFID定位之實際應用

  • Chapter 5 實驗課程-RFID 三角定位實驗

    • 主動式RFID相關硬體介紹

    • 主動式RFID程式說明

    • 訊號強度衰減實驗

    • 人員定位實驗

  • Chapter 2 失智症照護服務模式

    • 室內活動區域警示模式

    • 戶外協尋服務模式


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失智症介紹

林仲志

長庚大學資訊工程系


Outline

Outline

  • 全球人口老化

  • 什麼是失智症

    • 引發失智症原因

    • 失智症種類

    • 失智症症狀

    • 失智症問題

    • 正常和失智間的灰色地帶

    • 核心症狀

  • 台灣目前失智症現況


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全球人口老化

  • 全球65歲以上人口在1990年為3.57億人口,2025年將達到7.61億人,增加兩倍以上

  • 台灣於民國82年正式成為高齡化國家,民國93年,台灣65歲以上人口佔總人口9.3%,平均一年增加5萬多名老人

  • 少子化與平均壽命延長造成人口結構老化

老年人口214萬(9.3%)

資料來源:93年內政部


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人口老化引發問題

  • 獨居老人

    • 約5萬人,其中僅 10.27% 納入緊急救援照護網

  • 慢性病增加

    • 「老人失智症」伴隨著個人日常生活失能狀況

    • 台灣地區盛行率約為3-4%

    • 台灣約有6-8萬名失智老人

    • 每增加5歲失智症發生比率提高一倍

  • 健康照護成本增加

    • 美國大約一年花費1.5兆美元在健康照護上面

    • 全世界2003年失智症相關醫療照護支出高達156兆美元


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什麼是失智症?

  • 失智症指的是各種原因造成腦細胞死亡後,導致大腦活動力變差,進而引發各種障礙狀態,患者生活品質因而大受影響(通常會持續6個月以上)。

  • 失智症是一種疾病現象而不是正常的老化,很多家屬都以為患者是老番癲、老頑固,以為人老了都是這樣,因而忽略了就醫的重要性,但是事實上他已經生病了,應該要接受治療。


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引發失智症原因

  • 腦細胞大量死亡,造成腦部萎縮

    • 阿茲海默症等退化型病變

  • 因腦部血管阻塞,造成部分細胞死亡

    • 腦血管型失智症


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失智症種類


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失智症症狀

  • 核心症狀

    • 因大腦細胞受到破壞而直接引發,由於核心症狀的影響,失智症者會無法正確辨識事實。

  • 精神行為症狀(BPSD)

    • 失智症者本身的個性及生活環境等因素,導致憂鬱、妄想等精神症狀,此類症狀使失智症者無法適應正常生活。


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核心症狀-記憶力(1/2)

  • 一般人

    • 會發生健忘的情形。例如:忘記一些曾經體驗過的事情,但經由其他相關的記憶或提醒就能夠想起忘記的部分。

  • 失智者

    • 忘記的情形是經由其他相關的記憶或提醒,也不能夠想起忘記的部分。


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核心症狀-記憶力(2/2)

  • 記憶力障礙:

    • 忘記以前做什麼工作

    • 常常重複問相同問題

    • 回想最近發生的事情常有困難(事情內容)

    • 常常找不到重要的東西(如証件、錢包、存摺)


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核心症狀-定向力

  • 定向力障礙:時間、場所、人物依序逐漸退化

    • 無法辨別時間、季節

    • 症狀持續惡化後會迷路,並且越走越遠

    • 症狀嚴重惡化後,會出現人際關係的辨識障礙


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核心症狀-理解、判斷力

  • 理解力、判斷力障礙:

    • 與陌生人互動不恰當

    • 思考速度變慢

    • 不適合氣候溫度的穿著

    • 無法理解事實、具體或具有概念性的事物

    • 有人來家中拜訪,失智症患者反應不合宜

    • 頻繁、誇張的將物品放到不正當或不合常理的位置上


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核心症狀-執行能力

  • 無法自行擬定計畫、完成任務。

  • 例如:

    • 數學老師對於算數加減法常出錯

    • 年輕就開司機的患者現在卻常常迷路

    • 對於熟悉的事物會喪失了既定的步驟


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核心症狀-其它

  • 失智症者不懂得察言觀色,因為:


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行為及精神症狀

  • 在熟悉的社區迷失

  • 因回家時間太晚,而找不到路

  • 到傍晚開始焦躁,吵著要回家

  • 在家中與戶外都不斷遊走,遇到阻礙還會推開繼續走


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失智症問題(1/2)

  • 失智症症狀會呈現階段性惡化

  • 老人走失事件

    • 有47%的走失人口屬於失智老人

    • 尋獲率僅有50%


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失智症問題(2/2)

  • 有失智症狀,居住在家或由安養機構進行照護

    • 隨著失智程度嚴重,患者獨自出門會迷路

    • 照護者無法隨時照顧到患者

    • 目前協尋方式屬於被動協尋,無法主動掌握協尋的黃金時期


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正常和失智間的灰色地帶

  • 輕度智能障礙(Mild cognitive impairment)

    • 很多健康的老年人也常常抱怨有健忘的情況,我們稱為和年齡相關記憶障礙。

    • 40%的人50歲以後都會罹患和年齡相關記憶障礙,60歲為50%,70歲70%。

    • 和年齡相關記憶障礙:輕度智能障礙,阿茲海默氏症。

    • 輕度智能障礙病患每年約有10%至15%轉變成失智症,遠超過正常對照組的1%到2%。


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台灣目前失智症現況

  • 依行政院經濟建設委員會(2004)預估,台灣老年人口數將於2021年達到392 萬人,2051年則將高達695 萬人,佔總人口35%。

  • 台灣目前約有11萬的失智症人口,統計在社區內約有9萬人罹患失智症。


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安養及養護機構內的老人失智症盛行率

  • 養老院 27%

  • 安養中心 62%

  • 護理之家 65%

  • 自1993年長期照顧機構立法以後,台灣的照顧者對於安養機構的接受度和西方相當,有28%的照顧者想把病人送到安養機構。


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失智症照護服務模式

林仲志

長庚大學資訊工程系


Outline1

Outline

  • 室內活動區域警示模式

  • 戶外協尋服務模式


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Tag

室內活動區域警示模式(1/3)

  • 在不應該出現的地方出現

    • 門口:即將私自離開

    • 倉庫:容易被反鎖場地

  • 在出入口設置區域型讀取器

    • 記錄感應到的Tag

    • 定時發出警告

訊息可以傳送到

管理者手機

管理中心

自動啟動廣播、警示燈、蜂鳴器


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Media Center

室內活動區域警示模式(2/3)

  • 不在該出現的地方出現

    • 老人活動場地監控

    • 老人Tag沒電判斷

  • 在活動區域中設置全域型讀取器

    • 感應所有Tag

    • 記錄沒有感應到的Tag

    • 定時發出警告

訊息可以傳送到

數位電視

管理中心

自動啟動廣播、警示燈、蜂鳴器


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Tag

室內活動區域警示模式(3/3)

  • 室內活動區域警示模式設備本身出狀況

    • RFID Reader 自我功能檢驗

    • 網路狀況偵測

  • 系統會定時檢查是否正常運作

    • 利用Reference Tag確保每個讀取器都會感應到資料

    • 一但某個讀取器沒有讀到資料,系統會立即發出警告

管理中心


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戶外協尋服務模式(1/3)定點位置監控模式

  • 一按鈕設定追蹤定位器持有人活動範圍—以目前位置為中心之方圓100公尺

  • 當他離開所設定之活動範圍時將發報通知家屬


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家屬

救護單位

戶外協尋服務模式(2/3)主動緊急求救模式

  • 定位器持有人發生危險按緊急求救鍵

  • 訊號送至服務中心

  • 服務中心解析座標資料成為地理資訊

  • 再將地理資訊傳送給家屬及協尋人

狀態及定位資料通報


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戶外協尋服務模式(3/3)遠端監控模式

  • 家屬或協尋人可下達命令追蹤定位器持有人目前位置

  • 可選擇回報型態,便利且即時

服務管理平台


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RFID系統建置關鍵性考量

林仲志

長庚大學資訊工程系


Outline2

Outline

  • RFID資訊平台建置挑戰

  • 電子標籤應用時考量

  • 天線架設考量

  • 讀取器選用考量

  • RFID照護系統作業流程


Rfid 1 3

RFID資訊平台建置挑戰(1/3)

  • 資料量大

    • 因為每個物品都有一個獨立的識別標籤,並且被持續的感測與記錄,因此一天可以產生數個Gigabytes以上的資料,造成資料庫與網路的負擔

  • 讀取正確率未能達到百分之百

    • 實務上RFID的讀取正確性大約只有60%至70%,資料讀取的不正確性 (Inaccuracy) 會嚴重影響RFID資訊系統的應用

    • 同時佈建多個讀取器和天線的環境或同時讀取多個標籤的場合有可能都會帶來或多或少的干擾

  • 系統介面的通透性


Rfid 2 3

RFID資訊平台建置挑戰(2/3)

  • 建置成本高

    • 因無法保證百分百讀取,使得現階段RFID標籤與讀取器價格仍然偏高

  • 標準尚未完全統一

    • 超高頻技術標準尚未完全確認,各國UHF開放頻段不一,使用上能有整合問題

    • 我國尚未針對條碼轉EPC電子商品編碼這部分做明確的規定與規範

  • 資料備份問題

    • 當標籤本身或是內部資料損毀時,必須要可以快速、有效的恢復


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RFID資訊平台建置挑戰(3/3)

  • 尺寸大小與擺放方式

  • 設備管理問題

    • 如何判定RFID系統中讀取器與標籤的好壞,當系統中標籤或是讀取器損壞時,如何有效的判定與維修同時系統能可正常工作

  • 隱私與安全問題


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電子標籤應用時考量(1/2)

  • 電子標籤製作時需要的費用

  • 電子標籤的大小與形狀

    • 玻璃管型、鑰匙型、萬袋型、釘子型、耐熱型

  • 根據使用的環境以及預計使用年限選定電子標籤的材質

    • 玻璃管型:動物晶片管理系統

    • 鑰匙型:汽機車之防盜

    • 腕帶型:超薄且防水可佩戴於手腕上,主要使用在娛樂場所、游泳池或門禁出入控制、安全辨識以及預付儲值

    • 釘子型:堅固耐用,應用於貨物搬運

    • 耐熱型:可在高溫環境中使用,主要使用在工業上大部分溶劑、酸性和高溫環境中


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電子標籤應用時考量(2/2)

  • 是否需要重複使用電子標籤

  • 設定適當的資料感測靈敏度

  • 規劃適當的感測距離

  • 需考慮人的可讀性,以因應系統無法自動讀取時,能夠改以人工操作

  • 電子標籤黏貼時的角度與是否有遮蔽物質

  • 電子標籤與RFID讀取器之間的相容性

  • 電子標籤運作效率

  • 資料安全問題是否能夠加以解密


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天線架設考量

  • 移動式天線建置方式

    • 需要高速操作的話通常需要較大的天線

  • 商品傳輸軌道天線建置方式

    • Accumulation conveyors

    • Transportation conveyors

    • Sortation conveyors

    • Planning antenna placement in conveyor system


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讀取器選用考量 (1/3)

  • 效率考量

    • 識別範圍:可以同時辨識出所有標籤的有效距離

    • 識別效率:每秒可以辨識出來的標籤個數

    • 讀取範圍:所有標籤可被讀取到的有效距離

    • 讀取速率:每秒可以讀取到的標籤個數

    • 寫入範圍:所有標籤可被寫入資料的有效距離

    • 寫入速率:每秒可以寫入標籤個數

  • 設備介面

    • 掛壁式讀取器:固定懸掛在牆壁或是其他設備上

    • 手持式讀取器:人員手持裝置

    • 嵌入式讀取器:嵌入於卡車或是堆高機上,方便拆裝


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讀取器選用考量 (2/3)

  • 成本

    • 整體建置所需要耗費的成本,包含:建置、安裝、維護、員工訓練以及介面整合等等

  • 天線形狀的匹配

    • 每個標籤的造型有其對應的天線佈線方式

  • 與電子標籤的相容性

    • 要能夠讀取到所有會應用到的電子標籤

    • 搭配靈敏解讀器可以讀取多種不同頻率的電子標籤

  • 使用環境考量


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讀取器選用考量 (3/3)

  • 連接介面的考量

    • 序列埠讀取器:利用RS-232或RS-485與應用程式連接

    • 網路型讀取器:利用乙太網路與應用程式連接

  • 讀取器的形狀與大小

  • 軟體功能

    • 確認RFID中介軟體可以正常運作,並將測試其有效性與相容性

  • 韌體或是驅動程式升級的便利性

    • 硬體升級

    • 軟體升級:是否可以透過網路進行更新


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RFID照護系統作業流程


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RFID定位之應用

林仲志

長庚大學資訊工程系


Outline3

Outline

  • 定位技術簡介

  • RFID定位技術

  • RFID定位之實際應用


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GPS定位簡介

  • 定位技術:利用訊息化方式告訴使用者某一物體的位置訊息

  • 最專業的定位系統乃是全球定位系統(GPS),其應用範圍乃包含軍事、交通運輸、出租車調度、物流等

  • GPS是一個以軍事導航衛星為基礎的系統,於1994年建成 ,專為美軍所設計,供美軍所使用

  • 目前免費提供給民間使用其定位訊號

  • 全球定位系統準確度相當高,但是系統也比較複雜


Gps 1 2

GPS之組成 (1/2)

  • GPS之組成乃包含太空衛星、地面管制與使用者接收機等三部份

  • 太空衛星:GPS系統共有24顆定位衛星,分6個軌道面,每個軌道面分佈4顆衛星,如下圖所示

    • 衛星不停地繞著地球旋轉,繞行地球一周約12小時(實際是11小時58分)

    • 每一個衛星均持續發射載有衛星軌道資料及時間的無線電波,提供地球上各種接收機應用

    • 提供全球全天候,每秒一次,持續不斷的定位


Gps 2 2

GPS之組成 (2/2)

  • 地面管制:為了追蹤與控制衛星運轉而設置之地面管制站

  • 主要工作乃負責修正與維護每顆衛星能保持正常運轉的各項參數資料

  • 確保每顆衛星都能提供正確之訊息給使用者接收機

  • 使用者接收機:追蹤所有的GPS衛星,在地球上任何地方都可以接收到至少5顆衛星的訊號

  • 即時計算出接收機所在位置之座標、移動速度與時間


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GPS之定位方式

  • 任何時刻每顆衛星都有一座標值來代表其位置(已知值)

  • 接收機所在的位置座標為未知值

  • 衛星傳送訊息所耗費之時間可經由計算衛星時鐘與接收機內時鐘之差值而得知

  • 此時間差值乘以電波傳送速度(一般定為光速)即可算出太空衛星與使用者接收機間的距離

  • 依三角向量關係列出一個相關的方程式

  • 要計算定位物體之經緯度,至少需收到三顆衛星之資訊

  • 收到四顆衛星之資訊則加上高程值;收到五顆以上衛星之資訊有更好的準確度


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GPS之特性

  • GPS系統是一套具有在海、陸、空全方位即時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統

  • GPS系統具備有全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特色

  • GPS客戶端接收器體積不斷縮小,客戶端的精確度越來越高


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GPS之應用

  • GPS之用途十分廣泛,舉凡需要地面定位的工作均可利用GPS來達成

    • 資源調查,土地探測

    • 導航定位(車輛、航空與航海)

    • 大地測量與一般測量

    • 製圖

    • 任務派遣(貨運、救護、消防與警政)

    • 登山定位與山難協尋


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手機定位簡介

  • GPS功能強大,但需專門的客戶端設備才能使用,不利於普及

  • 部分國家使用手機(普及率高)提供定位信息

    • 美國通信委員會在1996年通過了增強911法案,要求手機運營商必須知道每部手機的地理位置

    • 任何手機撥打緊急服務電話911,政府相關單位就要知道其位置

  • 3G網路提供高速無線下載功能,使移動定位業務之發展更廣闊

    • 2G或2.5G的網路受到網路傳輸速度的限制,高精度定位技術(A-GPS)的應用受到局限


A gps

A-GPS定位技術

  • A-GPS(Assisted Global Positioning System)即網絡輔助的全球定位系統

  • A-GPS透過移動終端和GPS輔助定位信息(由移動網路提供)對移動終端進行定位的技術

  • 為目前定位精度最高之定位技術

  • 在移動終端內增加A-GPS接收機模組(或者外接A-GPS接收機),同時要在移動網路上加建位置服務器等設備

  • 適用於車輛跟蹤、導航系統與具有特殊任務的車輛(運鈔車、救護車、消防車等),以大幅度提高車輛安全、運輸效率和服務品質


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RFID定位簡介

  • 射頻標籤(RFID)定位技術可由用戶自己佈置在特定區域進行定位,如停車場、滑雪場等

  • 在區域內之特定地點(如關鍵出入口)放置射頻標籤讀寫器後,以檢測到帶有RFID裝置的物體之位置

  • RFID定位系統之精確度取決於RFID讀寫器之分佈,而讀寫器之分佈可由用戶根據需求而設置,適合只需要在特定區域進行定位的用戶

  • 從醫療部門到製造業,在即時數據重要的環節,及運輸過程中有定位需求之節點都已經有RFID定位系統的應用


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RFID定位技術 (1/3)

  • RFID定位技術乃依據射頻定位技術原理而發展

  • 射頻定位技術是以行動單元發送訊號,利用定點接收器同時所接收訊號的不同來定位

  • 系統架設初期,需先量測在不同方向所接收不同RFID讀取器的訊號,並由各個訊號的強度建立無線電索引地圖( Radio Index Map )

  • 系統使用者可將RFID讀取器所接收到的使用者訊號強度與無線電索引地圖的資訊進行比對,選出符合的使用者位置而完成定位


Rfid 2 31

RFID定位技術 (2/3)

  • 市面上的RFID位置感測系統有SpotON與LANDMARC兩種

  • SpotON

    • 使用聚集演算法(Aggregation Algorithm)對三維空間位置感測進行分析

    • 目標物件是依靠沒有中央控制的同質感測器進行定位

    • 感測器測量已經接收到的SpotON標籤無線電訊號強度資訊,以估算標籤之間的距離


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RFID定位技術 (3/3)

  • LANDMARC(Location Identification Based on Dynamic Active RFID Calibration)

    • 利用額外的固定位置的參考標籤(Reference Tag)幫助定位

    • 利用各個讀取器所收到的多個標籤ID不同,再經由已知位置的參考標籤去辨別,進而估算出範圍內各個標籤的位置

    • 優點:不需要過多且昂貴的RFID讀取器,可輕易解決環境變動因素,且定位資訊更準確實際

    • 缺點:在定位有效區域內必須同時使用兩個以上的Reader才能構成一套定位系統


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RFID定位方法

  • RFID定位方法主要分為「資訊收集」與「位置計算」兩大部分

  • 資訊收集乃是透過RFID讀取器與RFID標籤之間設計過的訊號交換動作所得到的資訊,並將此資訊有規律的收集下來

  • 位置計算乃是將收集之資料經整理後,再由後續的位置計算方法來估測出RFID標籤之位置

  • RFID定位技術大都應用於室內的情境中


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RFID於室內定位

  • 因室內環境擺設複雜、精密度要求較高,故室內定位系統在實作上相對困難許多

  • 常見RFID於室內定位之問題:

    • 訊號強度擷取

    • 資料庫建置

    • 定位演算法

    • 如何正確取得來自各個RFID讀取器的訊號資料

    • RFID讀取器與RFID標籤應要如何擺設以提升系統定位的正確性

    • 如何經由推估的方式而降低定位系統的建置成本

    • 收到相關訊號資料後如何轉換為位置資訊


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RFID定位模式 (1/3)

  • 架構於無線網路環境下之RFID定位模式有「收訊角度法」、「訊號強度法」、「收訊時間」與「收訊時間差」4種

  • 以訊號強度法較適合於室內環境,其他3種方法在室內環境受到多重路徑問題的影響程度大

  • 此外,訊號強度法對於位置移動時訊號強弱的變化較可預期,即所得位置相依變數有較高的量測精確度


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RFID定位模式 (2/3)

  • 收訊角度法(Angle of Arrival;AOA)

    • 利用具方向性的天線或天線陣列決定主動式標籤訊號的來源方向

    • 此方向可在平面中決定一條以RFID讀取器為起點的直線

    • 而兩條以上直線之交點極可能為主動式標籤的位置

    • 挑戰:須克服天線解析度與多路徑效應

  • 訊號強度法(Received Signal Strength Indication;RSSI)

    • 利用通道傳播模型去描述路徑損耗對於距離的衰減情形

    • 藉由訊號強度的衰減來決定行動台和基地台的距離

    • 至少必須有3個基地台方能進行定位

    • 由於無線電在室內傳播呈現多重路徑干擾衰弱與遮蔽效應,造成行動台的預估位置將是一個估計區域範圍

    • 挑戰:須倚賴多基地台定位


Rfid 3 32

RFID定位模式 (3/3)

  • 收訊時間法(Time of Arrival;TOA)

    • 幾何原理與訊號強度法的幾何原理相同

    • 唯決定行動台和基地台的距離是依據訊號的傳播時間而決定

    • 由主動式標籤發射到讀取器的訊號傳播時間乘上傳播速度(一般以光速計算),則可得主動式標籤到讀取器的距離

    • 挑戰:須精準掌握訊號傳撥時間方能降低定位之誤差

  • 收訊時間差法(Time Difference of Arrival;TDOA)

    • 其基本原理乃利用雙曲線上的點到兩焦點距離之差為定值之特性

    • 先利用時間延遲估算技術,精確測得兩讀取器接收到訊號之時間差,轉換成距離後,代入雙曲線的方程式中,形成一組聯立雙曲線方程式

    • 再利用演算法則求得此聯立方程組的解,即為主動式標籤位置

    • 主要精神:代入雙曲線方程式求解主動式標籤


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障礙物影響室內定位精準度

  • 室內環境中,使用者的平均移動速度較快,故須考量訊號傳遞與接收的時間差

  • 障礙物為影響室內環境定位最重要的因子,包含物品對於訊號的吸收率與物品擺設並非規律

  • 因人體含水量高,故人本身就是一個很會吸收無線訊號的物體

  • 室內環境範圍較小,訊號在室內傳遞時容易因障礙物或牆壁而反射

  • 訊號的時間短,這使得利用時間差推估位置的精準度下降


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調校讀取器/環境因素提升定位準度

  • 系統在建置時的另一個考量是讀取器的擺放位置與讀取器的數目

  • 由訊號強弱判斷模組(Propagation Model)推測每個觀察點的訊號強度值

  • 將場地中每個觀測點間的訊號強度差異盡量擴大,以提高定位的精準度

  • 其他影響訊號接收的環境因素有溫度、溼度、其他同類型無線訊號干擾等

  • 不同的室內環境有不同的擺設,故進行室內環境定位時,須考量以上的因素,並針對每一項因素再調校,以滿足各種不同環境的需求


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RFID定位系統之應用

  • RFID定位系統之應用:

    • 英國部分醫院應用RFID定位系統對醫療設備進行定位和追蹤,以減少醫療設備失竊等情形發生

    • 豐田汽車在汽車物流供應鏈建立RFID定位系統,降低人工成本,並使工作流程自動化

    • 美國科羅拉多州一個滑雪場讓遊客配帶內置RFID之錶帶,並於滑雪場內遍佈讀寫器,使遊客可藉由此系統知道夥伴在滑雪場的位置


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實驗課程-RFID 三角定位實驗

林仲志

長庚大學資訊工程系


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實驗內容

  • 主動式RFID相關硬體介紹

  • 主動式RFID程式說明

  • 訊號強度衰減實驗

  • 人員定位實驗


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實驗目的

  • 三角定位

    • 利用主動式RFID進行人員定位實驗,主要學習如何偵測主動式RFID磁場強度(RSSI),並配合演算法計算目前所在位置


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設備介紹

  • 主動式RFID


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實驗設備 (1/5)

  • 各組

    • NB *1(包括RFID應用軟體)

    • 主動式Tag *1

  • 共通設備

    • Active RFID Reader *3

    • Active RFID Tag *10

    • NB *3

    • 電腦主機(後端Server)

  • 軟體

    • 主動式RFID Reader程式

    • 主動式RFID定位程式

    • 主動式RFID環境設定程式


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實驗設備 (2/5)

  • Reader

    • 通訊:2.45 GHz 支援雙向通訊

    • 頻率:2.4~2.48GHz

    • 強度偵測:0~255

    • 訊號品質:0~255

    • 讀取距離:25M


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實驗設備 (3/5)

  • Tag

    • 通訊:2.45GHz支援雙向通訊

    • 頻率:2.40~2.48GHz

    • 頻道:255

    • 傳送距離:70~125M

    • 訊號強度偵側:0~255


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實驗設備 (4/5)

  • Server端

    • 主要為老師使用,其前台由Reader和NB(內含主動式RFID Reader程式)所組成,主要功能是接收Client端Tag傳來的訊息,而後台則是ㄧ台獨立的主機,內含Microsoft SQL,主要功能是儲存Reader接收到的所有封包訊息(包含UID、RSSI、LQI…等訊息)

Server(前台) Server(後台)


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實驗設備 (5/5)

  • Client端

    • 主要為學生實驗用,由Tag和NB(內含主動式RFID定位程式)所組成,學生可藉由輸入Tag上的條碼(前八碼)進行三角定位

Client端


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實驗所需軟體

  • Microsoft Windows 2000/XP

  • Windows C#.Net 2003/2005

  • Microsoft SQL


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實驗設計

  • 實驗設計

    • 程式說明

      • 主動式RFID (RSSI)範例程式說明

    • 實驗內容

      • 三點定位 + 參考點定位法

      • 應用程式設計


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實驗環境佈建-設備擺放

  • Server端

    • 選定欲定位的實驗環境,在三處各佈建ㄧ台Reader和NB(需含Reader系統程式、RS232接孔、.Net C#),另外將數顆參考用之Tag散佈於各處

    • 將一台電腦主機上安裝Microsoft SQL作為後端Server專門處理前台NB傳來的Reader資訊

  • Client端

    • 在實驗環境的任意處佈建ㄧ個Tag和NB(需含Tag系統程式、.Net C#)


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實驗環境佈建示意圖


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實驗環境佈建-資料庫設定

  • Enterprise Manager

    • 開始 → 所有程式 → Microsoft SQL Server → Enterprise Manager


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實驗環境佈建-資料庫還原 (1/2)

  • 啟動Enterprise Manager。

  • 在欲還原的資料庫上面按右鍵。


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實驗環境佈建-資料庫還原 (2/2)

  • 在紅色框框所指的就是還原之後的資料庫名稱。

  • 在藍色框框點選後可以選擇備份檔存在的路徑。

  • 資料庫備份檔請至實驗講義下的”資料庫備份檔”下載。


Server

前台Server程式設定資料庫連線

  • 開啟資料庫連線設定的文字檔案

    • 程式目錄下→ bin → Debug→ connect → sqlserver.txt

  • 設定內容

    • server: 內容為後台Server的本機IP

    • database:內容為欲連線的資料庫名稱

    • uid:內容為具該資料庫連線權限的ID

    • pwd:內容為具該資料庫連線權限的PassWord


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實驗內容

  • 介紹Protocol Manual。

  • 主動式RFID程式說明

    • Com Port、Baud Rate設定

    • BCC轉換。

    • 封包拆解讀取RSSI、UID

    • 定位演算法說明

    • 資料庫連線說明


Protocol manual

Protocol Manual

  • 指令傳送

    STX+INS+BCC+END


Com port baud rate

Com Port、Baud Rate設定

  • 設定com port的程式碼如下:

    • MSCm.CommPort = Com Port Num;

    • MSCm.Settings = BoudRate+ ",N,8,1";

    • 請確認Com port為設備接上的該port,否則無法作用

    • Setring的內容可參考設備的規格書內之描述


Rfid bcc

主動式RFID程式說明 - BCC

  • 水平冗餘檢查法(Longitudinal Redundancy Checking)

  • 因同時有偶數個位元發生錯誤時,同位元檢查法並無法檢查出來,故由一個附加的額外字元叫做BCC(block check character)來作資料縱軸的校對工作,並且整合原同位元檢查法來作資料橫軸的校對工作,可提升偵測率至約有98%。

  • 例如:傳送的封包訊息為「DATA」,其運算為:

  • 範例程式

    for(i=0;i<buf.Length;i++)

    Bcc^=buf[i];


Rfid bcc1

主動式RFID程式說明 - BCC 示意


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主動式RFID程式說明-三角定位演算法

  • 三角定位演算法

    • 設定三個參考點及原點(具X,Y值)

    • 依照事前知道的訊號強度與距離關係推算訊號半徑

    • 三圓相交處即定位點


Rfid rssi

主動式RFID程式說明-RSSI

  • RSSI(Received Signal Strength Indication)

    • 在IEEE 802.11系統裡,RSSI是指經由無線傳輸終端點所接收到的訊號強度

    • 此名詞不僅應用在無線網路也有應用在RFID、RF…等處

    • 其衰減率與距離的關係大致上是呈

      RSSI α 1 / d^

    • RSSI的單位表示法有兩種分別為

      • db:為兩功率間的比值公式為

        • 10*log(甲功率/乙功率)

      • dbm:為功率絕對值,也可以認為是以1mW作為基準比值,公式如下

        • 10*log(功率值/1mW)


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主動式RFID程式說明

  • 傳送封包內容(STX+INS+BCC+END)

    • STX為0x01起始傳送訊息[01]

    • INS為Reader內看得懂得Command訊息

    • BCC為Reader內對應INS建的BCC Code

    • END為0x0D結束換行訊息’ \r ’

  • 接收Tag內容封包格式(UID+RSSI+LQI+END)

    • UID(辨識碼)為”00010001”+Tag NO(8碼)

    • RSSI(訊號強度)為16進位表示法共2Byte

    • LQI(訊號品質)為16進位表示法共2Byte

    • END為”FF”


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實驗內容 –三角定位

  • 利用訊號強度與距離關係,進行三角定位

    • Client端設定定位環境參數,並輸入欲定位的Tag NO

    • Server端回傳各Reader讀取到的訊號強度給予Client端

    • Client端將傳回的訊號強度與佈建於環境中的數個參考Tag進行比對,找出相似的三點進行三角定位演算法


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實驗紀錄

  • 選擇特定Reader量測在不同距離下所得的數據

  • 各Reader讀取主動式Tag的數據

  • 從實驗二中我們得到了三個Reader傳來的訊號強度,再利用實驗ㄧ取得的距離與訊號強度衰減的關係,透過畫圓的方式,交集出Tag所在的位置


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實驗紀錄

  • 進行多次測試將實驗結果與理論值進行比對


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程式範例說明

  • “PC端”資料夾內的程式,需放置於NB內,功能為跟Reader作溝通

    • Form1共697行,主要功能為跟Reader溝通

  • “location”資料夾內的程式,需放置於學生電腦內,功能為定位功能

    • Form1共622行,主要功能為定位功能

  • “setting”資料夾內的程式,建議放置於後台Server,功能為設定Reader和參考Tag的位置,內含Form1和Form2

    • Form1共124行,主要功能為設定Reader的位置

    • Form2共396行,主要功能為設定參考Tag的位置


Server 1 4

程式範例說明(前台Server) (1/4)

  • 打開WindowsApplication1檔案,在方案總管中打開\Form1.cs檔,即可打開程式碼。


Server 2 4

程式範例說明(前台Server) (2/4)

  • 點下”開啟Com Port”按鈕後,進入btnOpenPort_Click函式(第327~404行),其中第304行PortOpen函式則負責與com port連線。設定com port的程式碼如下:

    • MSCm.CommPort = Com Port Num;

    • MSCm.Settings = BoudRate+ ",N,8,1";

  • 當com port開啟著,會持續執行接收封包的Thread。

    • MSCm.RThreshold=1;

    • MSCm.OnComm += new ystem.EventHandler(port_DataReceived);

  • 當收到的封包Buffer還沒空,就繼續將內容加在input變數

    • if (this.MSCm.InBufferCount > 0)

    • ProcessComData((string) this.MSCm.Input);


Server 3 4

程式範例說明(前台Server) (3/4)

  • 顯示所有抓取訊息

    • ProcessComData函式中第458~460行,系統收到Reader傳來的封包內容後,會針對封包格式做拆解

      ( UID+RSSI+LQI+END )。

  • 顯示目前抓取Tag

    • ProcessComData函式中第462~488行,系統利用一個判斷變數及迴圈會將重複抓到的Tag濾掉僅抓取新讀進的Tag No並將其存入陣列中。

  • 將所有拆解後的封包訊息存入資料庫內。

    • ProcessComData函式中第489~500行,系統利用SQL指令將資料存入資料庫內


Server 4 4

程式範例說明(前台Server) (4/4)

  • 讀取資料庫連線設定檔案

    • 在Form1_Load函式裡,第414~415行是負責抓取

    • 程式目錄/bin/Debug/connect/sqlserver.txt該文字檔內對於資料庫連線的設定內容

    • StreamReader為內建的讀檔物件

    • ReadLine為StreamReader內建讀取檔案內容的函式


Client

程式範例說明(Client)

  • 打開setting檔案,在方案總管中打開Form1.cs檔或Form2.cs檔,即可打開程式碼。


Server 1 2

程式範例說明(後台Server) (1/2)

  • 切換頁面

    • 在Form1的ToolStripMenuItem2_Click函式裡,可判讀設定頁面二是否已被開啟,若無則將其開啟

      if (form2 == null) //判斷頁面是否沒有被開啟過

      form2=new Form2() //宣告一個Form2的物件

      form2.Visible = true; //開啟Form2

  • 關閉頁面

    • 在Form2的savwToolStripMenuItem_Click函式裡,第122行可關閉頁面

      this.Visible = false; //this在這替代Form2的意思


Server 2 2

程式範例說明(後台Server) (2/2)

  • 滑鼠點擊

    • 在Form1和Form2下都有ㄧ個pictureBox1_MouseClick的函式,當使用者在pictureBox1下做滑鼠點擊動作,會去執行函式下的指令


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  • 打開location檔案,在方案總管中打開Form1.cs檔,即可打開程式碼。


Client1

程式範例說明(Client)

  • 當執行”定位”Button時,RSSI函式會去抓取資料庫內跟 ”00010001 + textBox7”相同UID的訊號強度,並依照傳入的reader值不同,回傳不同reader的訊號強度

  • 接著讀取散佈在環境中的參考Tag,並將其RSSI值與使用者手上的Tag訊號進行歐幾里德距離比對。

  • 在checktotag函式第338~340行裡在作相減取平方,而button2_Click函式從第464行開始,皆以for迴圈將

  • checktotag函式回傳的值作連加,另外我們主要是要將Ej作比較,根據a2>b2 =>a>b(a,b>0),所以直接省略開根號的動作


Client2

程式範例說明(Client)

  • 經過排序找到最相似的三個參考Tag後,便以此三點之中心點作為定位之位置

    • locX = (x1 + x2 + x3) / 3;

    • locY = (y1 + y2 + y3) / 3;

  • 將找到的定位點,顯示於示意圖上

    • Graphics pen

    • pen=pictureBox1.CreateGraphics();

    • SolidBrush p2=new SolidBrush(Color.Red)

    • pen.FillRectangle(p2,locX,locY,20,20);


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