兩支手機與貨架微型藍牙裝置

號強度值(Received Signal Strength Indicator ; RSSI)，為求數值精確避免誤差，在收 滿五個接收訊號強度值後，會做一次權重演算，並將計算結果回傳給 TI CC2540 藍 牙模組[21]-[22]，藍牙模組與微控制器模組(Microcontroller Unit ; MCU)便能藉由手 機回傳的 RSSI 運算結果，判斷使用者方位並驅使智能車轉向。透過兩個藍牙模組，

不同使用者皆可控制智能車，智能車可輪流行走於兩使用者之間進行載商品的動 作。做為 Master 的手機與藍牙模組連線的同時，會掃描貨架上的微型藍牙裝置 TI CC2541 Keyfob[23]-[24]，並且搭配演算法實現室內定位與地圖顯示的功能，除此 之外手機上的 App 還有購物商品介紹、數量與金額統計以及卡路里計算和健康管

個貨架位置，介面如下圖 4.7 所示，此外 App 也有內建資料庫，協助使用者進行健 康與金融管理。在商品頁面上點擊商品，便可以看到詳細的資訊(含熱量、保存期 限、製造商…等等)，且商品列表中的最下方會自動計算出食品的總熱量以及全部 商品的總金額，可以避免使用者不小心買超過預算，也提醒使用者要注意健康。

最後，在商品資訊頁的右下角有結帳的按鈕，當使用者到達結帳櫃台，確認 App 與櫃檯的結帳資訊一致後，便可以按下結帳，選擇想要的付款方式。未來可與 金融產業連結，實現金融科技應用，只要與 Visa、Paypal、支付寶…等大眾常使用 的支付方式建立金流，消費者就可以在購物商場體會到輕鬆血拚、一鍵搞定的便利，

App 商品資訊與結帳頁面如下圖 3.8 所示。

圖 3. 5、手機 App 入口頁介面圖

圖 3. 6、商品購物頁介面圖

圖 3. 7、室內地圖頁介面圖

圖 3. 8、手機 App 商品資訊與結帳頁面

智能車系統開始運作時，手機(Master)與購物車(Slave)使用藍牙連線交換資料，

同時手機會掃描貨架微型藍牙裝置發出的廣播訊息。手機和智能車在連線狀態時，

與智能車交換資料的方式有兩種，第一，透過讀寫特性值(Characteristic)，第二，接 收和傳送通知(Notification)。手機將會透過讀取特性值的方式讀取車內商品資訊，

並藉由傳送通知的方式傳送 RSSI 給智能車並搭配權重演算法來控制馬達實現自動 跟隨功能，以下將介紹上述三者通訊方式的差異以及如何在本系統中實現。

3.2.1.2 廣播(advertising)與掃描(scanning)功能 – 室內定位

在手機與購物車連線的同時，貨架上的微型藍牙裝置會每間隔 50ms 持續對外 發送廣播(advertising)封包，而手機可以透過掃描(scanning)功能取得貨架裝置的藍 牙廣播訊號，並藉此得知貨架商品資訊與位置，同時藉由運算廣播封包內夾帶的 RSSI 值實現室內定位的功能。圖 3.9 為手機、智能車及貨架微型藍牙裝置訊號傳 輸示意圖。

圖 3. 9、手機、智能車及貨架微型藍牙裝置訊號傳輸示意圖

為達到讀取貨架商品資訊及室內定位，我們透過微型藍牙裝置(keyfob)來做為 貨架的 BLE 裝置，貨架微型藍牙裝置每隔一定的時間不斷廣播帶有藍牙裝置本身 的地址、RSSI 值與貨架資訊的封包，而手機可以掃描貨架藍牙裝置廣播的訊息，

並藉由地址來區分各貨架對應的 RSSI，最後再透過各貨架的 RSSI 值大小去運算 出手機與各貨架之間的相對位置並顯示於手機上已建立好的地圖上，但是 RSSI 值 很容易受到周遭環境的各項因數影響，包括多重返射路徑(multipath)、遮蔽物等的 影響，即使手機和貨架藍牙裝置間的距離固定，接收到的 RSSI 值也會有一定幅度 的變動，因此，演算法也需要做相對應的優化，演算法示意圖如下圖 3.10。

圖 3. 10、室內定位演算法示意圖

整個演算法的建立與運作流程如下:

(1) 取 n 個藍牙裝置放置於不同貨架上，設每個藍牙裝置在地圖上對應的座標為 (x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)…(xn,yn)。

(2) 手機內建立陣列用來存放 RSSI 值，並且藉由藍牙地址辨認藍牙裝置，將收到 的 RSSI 在陣列中存為 RSSI1~RSSIn。

(3) 接著要找出使用者當下最靠近的那個貨架，並存在陣列之中。設定一個變數 (nowBest)用來存放擁有最大的 RSSI 值的第 n 個貨架，同時也代表使用者手機 最靠近第 n 個貨架。接著再設一個邊界值(BoundaryForBest = 3dB)，當使用者 移動到下一個貨架時，所收到之第 m 個貨架的 RSSI 值必須要比第 n 個貨架的 大 3dB， nowBest 才會更新為 m，以防止 RSSI 隨著環境因數而變動造成 nowBest 誤判。舉例來說，原本來自 keyfob3的功率最高，且 nowBest 為 3。若 RSSI3 =-50dBm，RSSI5=-48dBm，則 nowBest 還是 3，因為差值不超過 3dB。若此時，

使用者若拿著手機往 keyfob5走，使得 RSSI5 = -47dBm、RSSI3 = -51dBm，差值 超過 3dB。則 nowBest 更新成 5。

(4) 接下來判斷要透過哪些貨架藍牙裝置的 RSSI 來做室內定位，捨去其他距離過 遠的貨架可以減少運算資源。首先捨去非相鄰的貨架，接著設定另一個邊界值 (BoundaryForRegion = 8dB)手機每次讀取 RSSI 值時，會將 nowBest 的 RSSI 值 與周遭的其他藍牙裝置的 RSSI 值進行比較，判斷周遭的其他藍牙裝置的 RSSI 比較後小於邊界值(BoundaryForRegion = 8dB)的貨架，假設比較後發現貨架 1 的功率小於貨架 2 功率超過 8dB 以上，則不考慮 RSSI1。

(5) 再來將符合條件的貨架藍牙裝置納入定位判斷，依照藍牙裝置擺放距離設定適 當使用者在地圖上的移動速度，並利用動畫的方式使得使用者在地圖上的位置 靠近有那些有納入定位演算的貨架位置或者貨架與貨架中間。舉上圖 3.10 為 例，因 RSSI3,5與 RSSI2的差值都小於 BoundaryForRegion，故判定 A,B 點是人 有可能出現的位置，此時地圖上使用者的圖示便會前往 A 跟 B 的中間的位置 移動。若使用者往 2 號貨架靠近，使得 RSSI3,5 降低到與 RSSI2 差值大於 BoundaryForRegion，則使用者的圖示會靠近 nowBest 的座標點(x2,y2)。若人往 3 走，經過 B 點後，只要(RSSI3-RSSI2>BoundaryForBest)，nowBest 便會重設為 3，對 keyfob3周遭的裝置進行比較，重複上述演算。

由上述自行設計的室內定位演算法，我們可以針對不同商場進行貨架擺設，且 自訂該環境的邊界值 BoundaryForBest 以及 BoundaryForRegion，若環境中微型藍 牙裝置的密度越高、障礙物越少，則定位可以越準確。

3.2.1.3 讀寫特性值(Characteristic)功能 – 車內商品讀取

手機取得商品資訊的方式是利用手機讀取 BLE 的特性值(characteristic)。手機 與 BLE 連線的時候，會有很多服務(Service)供使用，每個 Service 底下有許多特性 值，我們可以利用 UUID 為 fffx 的特性值來存放商品資訊。目前我們是藉 fff2 特 (Universally Unique Identifier ,UUID)，而 UUID 內對應到的數值便是智能車上的商 品資訊，本系統所用之商品資訊 UUID 是 0000fff2-0000-1000-8000-00805f9b34fb。

3.2.1.4 接收和傳送通知(Notification)功能以及權重演算 – 自動跟隨

Notification 是一種單方向傳送機制，接收端即使沒收到訊息也不會重新傳送 同一筆資料，因此資料傳輸週期比 Characteristic 快速許多，所以本系統手機端選 用此方法回傳權重演算過後的 RSSI 給智能車。由於智動車載系統是使用訊號強度

大小來快速判斷使用者所在處並改變智能車行進方向。手機端使用的權重演算法

(2) 例用式(3.2)求出各 RSSI 值的權重值𝑤_𝑖，以序列中各𝑅𝑆𝑆𝐼_𝑖與中位數𝑀_{𝑅𝑆𝑆𝐼}的差

3.2.2 2.4 GHz 高指向性圓極化天線(B)

智能車的自動跟隨是根據接收訊號強度值(RSSI)來實現的，因此智能車上各天 線的特性對於智能車自動跟隨時的順暢度是非常重要。一般來說，手機天線的場型 是接近全向型天線的，因此智能車天線需要有高指向性的特性才能準確判斷使用 者方位與距離，此外手機天線為線性極化。有鑑於此，本團隊自行設計高指向性圓 極化天線，來解決使用者手機晃動時所造成的極化不匹配問題，以降低接收訊號強 度值(RSSI)的變動幅度，增加智能車跟隨順暢度。目前所使用到的車外 2.4 GHz 天 線共有五支，包含車頭天線 ANT0~ANT1 以及車身天線 ANT2~ANT4，車外天線 配置如下圖 3.11 所示。

智能車系統是以手機為跟隨的目標，考量到手機天線為線性極化，若智能車的 ANT0、ANT1)以及車身天線(圖 3.11 中 ANT2、ANT3、ANT4)，智能車在跟隨時 只會使用到車頭兩支天線，為了使車頭天線更能明確分辨使用者的左右方位並增 加感應範圍，車頭天線場型相較於車身天線會比較寬且主輻射波束偏移了 30 度角，

如此一來智能車在使用者走路轉彎幅度過大時，依然能順利判斷左右轉並跟上使 用者，兩支天線的場型差異如下圖 3.13 所示，車身與車頭天線如下圖 3.14、3.15，

詳細的天線設計說明以及量測結果將在第 4.1 節介紹。

(a)

圖 3. 13、車頭天線感測範圍、車頭與左右兩車身天線場型比較圖

圖 3. 14、車身高增益指向性圓極化天線實體圖

圖 3. 15、車頭圓極化天線實體圖