第二章 執行情形說明與成果
第二節 智慧建材創新應用開發分項計畫
本分項計畫依循期初之開發流程（如圖2-23），目前完成進接開關(proximity sensor) 技術蒐集、輸入方式研究、應用情境、以及原型試作部分。目前正依據原型試作實驗結 果了解元件性能極限並修正輸入方式及應用情境。
圖 2- 23 智慧廚房感測技術之創新應用開發流程圖 (一) 進接開關(proximity sensor)技術蒐集摘要
近接開關使用之技術類別
1. 感應型近接開關(Inductive sensor)
使用原理主要是利用內部的LC 及電晶體電路產生振盪，當有導磁(如鐵或鎳等) 或抗磁(如銅)的金屬接近線圈平面時，將改變電感之導磁係數，吸收振盪電路產生之 能量，使得振盪衰減，若物體持續接近，則振盪將停止，這樣便偵測出物體是否存在。
因為是透過電磁效應來進行感測，故此類型的感測物必須為具有傳導性的金屬物體，
而且因為震盪線圈放射出的磁力線很廣，所以感測器附近有其他磁性物體或其他的近 接開關，可能容易產生誤動作，在配置及設計時需遵行製造商規格手冊之規範。
2. 電容式近接開關(Capacitive sensor)
近接開關相關技術蒐集
基本測試
輸入方式研究
(手勢組合、對應功能定義)
應用情境與開發形式
原型試作與驗證
近接開關感應訊號程式開發 感應可靠度測試
觸發順序與輸出對應功能測試 開關與輸出控制功能測試
使用原理是將數百kHz~數 MHz 的高頻振盪電路一部份引出到檢出電極板，由電 極板產生高頻磁場，若有物體接近時，則物體表面和檢出電極板表面起分極現象，而 使得整體電容量增加或減少，因此由電容量變化可間接推算出移動物或被感測物之運 動量或位置變化，此類型感測物可以是金屬、塑膠、液體、木材等。
3. 光電式近接開關(Photoelectric sensor)
廣汎定義也稱光電感測器，它的種類相當多，其中擴散反射型光電近接與一般近 接架構較相同，感測器內建光源電路，利用光發射器藉由物體表面反射回來的光量強 度，來判斷物體有無，此類型感測器不需反射板，雖然檢出距離設定容易，不過缺點 很多如：感測距離短、檢出精度不一、感測物體背景需考量、檢測感度調整、兩個光 電近接裝置過近容易產生干涉誤動作等。
4. 磁氣型近接開關(Magnetic sensor)
它的原理和磁簧開關原理相同，感測器內磁簧管是由二片鐵性簧片，平行放置重 疊形成一間隙，這兩片細長扁平簧片會鍍上貴金屬以確保其最佳功能，貴金屬一般是 使用銠或金，這兩片簧片是被完全密封在一支充入惰性氣體之玻璃管上，當有磁場接 近時(一般是用永久磁鐵)，磁性足夠大時就會相吸，接點將從 OFF 至 ON，此磁簧管 構造上沒有機械式零件或電子零件，因此不會有卡住或電路損壞等不良發生，接點壽 命可每次精確且高速作動達數百萬次，此類型感測器通常為一組(感測器與磁鐵)，最 常用在門窗開關檢測。
對於應用在人機介面上的應用，手為設定的輸入工具，因此工作團隊評估可以使 用的近接感應技術有電容式與光學式兩種技術，現階段先以技術門檻與成本較低的光 學式感應器先行試驗，製作原型進行各項驗證。
(二) 輸入方式研究
利用9 個 （3*3） 近接開關組成陣列式的組合(如圖 2-24) ，作為非接觸開關的基本 模式。
圖 2- 24 近接開關組成陣列式的組合圖 A B C
D E F
G H I
透過IO 控制器將九個近接開關之感應訊號傳入電腦。利用電腦進行非接觸式開關雛 形的開發工作。並定義觸發這九個近接開關之順序與其意義。
1. 各鍵賦予個別功能
圖 2- 25 個別感應元件賦予不同作動定義
各鍵賦予個別之單一功能。當手指靠近各鍵時系統將辨識何鍵備觸發後，輸出對 應的動作。例如九組開關、數字鍵或方向鍵等。
圖 2- 26 個別感應元件賦予不同作動定義 （左）各鍵代表不同數字
（右）各鍵代表相對應之移動方向 2. 大感應區域輸入
將九個鍵定義為一個鍵（單一功能）。只要有任一鍵被觸發，系統便輸出定義功能。
作動行為一如傳統開關。不需精巧的手勢輸入。
圖 2- 27 九個感應元件視為單一開關 A B C
D E F
G H I
1 2 3
4 5 6
7 8 9
Ñ Ï Ò
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A, B, C 三鍵定義為一組，D, E, F 三鍵定義為一組，G, H, I 三鍵定義為一組，抑或 是A, D, G 三鍵定義為一組，B, E, H 三鍵定義為一組，C, F, I 三鍵。可以對應簡易選 項的輸入。例如三個上下或左右排列的開關。
圖 2- 28 九個感應元件視為三組開關 （左）由上而下分三組（右）
由左而右分三組 3. 手順動作輸入
A, B, C 三鍵定義為一組，D, E, F 三鍵定義為一組，G, H, I 三鍵定義為一組，抑或 是A, D, G 三鍵定義為一組，B, E, H 三鍵定義為一組，C, F, I 三鍵。可以對應簡易選 項的輸入。當手由上而下、由下而上或由左至右、由右至左的滑動，系統將視為增加、
或減少的調整式輸入。
圖 2- 29 手勢由上而下或由下而上滑過感應元件 (三) 輸入情境設定
非接觸式開關依據輸入方法的研究預計可以對應的使用情境有下列幾種
1. 各鍵賦予個別功能
圖 2- 30 個別感應元件開啟廳室中對應之照明燈具 (1) 廳室內多盞燈具的開啟與關閉
(2) 多個（～9 個）被定義的命令或功能的輸入介面（進電腦）
2.大感應區域輸入
(1) 簡化的開啟或關閉功能 (2) 多種開關組合
(3) 與部分個別功能鍵組合，增加非接觸開關功能組合。
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圖 2- 31 觸動任一感應元件，開啟對應之照明燈具 3. 手順動作輸入
應用在增加或減少的「調整式」輸入。
(1) 燈光的強弱調整
(2) 廚房流理台高度的升降調整
圖 2- 32 流理台高度將依循手勢由上而下或由下而上滑過感應元件升高或下降 (四) 原型試作驗證
圖 2- 33 非接觸式開關系統架構圖
基本架構如上圖，進接開關觸發信號經由具備網路通信功能(TCP/IP protocol)的 Input/Output 控制器傳至電腦。電腦利用工作團隊開發之電腦程式，定義、判斷觸發開關 之ID、數量、順序，並啟動對應之輸出動作。下圖為目前進行試驗中之原型電路與進接 開關觸發實驗。由左至右，無觸發、觸發左邊進接開關、觸發右邊進接開關。
圖 2- 34 非接觸式開關測試線路初版 Proximity Sensors
IO (TCP/IP enabled)
Lamps
Dimmer
Motor
(五) 紅外線光學感測器 1. Omron E3T-FD11
Omron E3T-FD11為薄型、可忽略背景物之反射型光電開關，具備3.5mm 的超薄 外型，以及黑白誤差15%的性能。在E3T系列眾多感測器中，團隊選擇E3T-FD11係 因為該型感測器為擴散反射型感測器較符合非接觸式開關設定，且其檢測距離最大 為3公分。
圖2- 35 E3T-FD11感測器詳細規格
第一階段試作
團隊依據(如圖2-33) 非接觸式開關系統架構圖，使用 9 個E3T-FD11 感測器 及ATOP IO 控制器進行測試如(如圖 2-36)。
圖 2- 36 非接觸式開關原型
壓克力面板上使用魔鬼粘係為尋找光電開關與手勢移動感應之相對位置及調整 開關位置時之方便。實驗進行後發現E3T-FD11 感測器反應時間約在 100 ms 以下，惟 ATOP IO 控制器透過 TCP/IP 通訊協定傳送 IO 埠觸發資料至電腦端則需要近一秒鐘。
而一般人手擺過12 公分的距離（一般市售鑲牆兩路電氣盒長度）經量測約在 400～
600ms。
此外， E3T-FD11 在每一元件已做好信號處理與封裝，單位體積相對大。這對工 作團隊將非接觸式開關體積大小設定在一般鑲牆電氣盒的整體設計造成衝擊。而已封 裝完成的E3T-FD11 經測試並不適合置於透明壓克力板或透明膠片之下，會造成無法 感應的盲點。基於上述幾點理由(感應、體積、信號傳輸速度)，工作團隊尋求不同的 元件與設計。
2. Avago HSDL-9100
Avago HSDL-9100 是一種線性輸出反射型之紅外線感應器。具備高效能之紅外線 光源發射器及接收器並使用SMD (surface mounted device)封裝方式，體積大小為 7.1 (L)
* 2.75 (W) * 2.4 (H) mm3，易於置入較小的電路板與設計中。檢測距離最大可至6 公分。
圖2- 37 E3T-FD11感測器詳細規格 2
圖 2- 38 HSDL-9100 光電特性表 HSDL-9100 測試
為確認HSDL-9100 的感測距離、作動反應時間、與電氣性能，工作團利用一測試 電路對9100 進行測試。(如圖 2-39)為測試電路、使用元件、與 layout 電路板。利用信 號產生器輸入一方波脈衝（10KHz）信號當做紅外線發射器的發射信號，當手或反射 物接近發射光源時會將發射之光脈衝反射至接收端，此一發射信號會由接收端接收。
經由示波器觀察，當手或反射物接近開關時可以觀察到一高電位的輸出信號。而且如 果手或反射物未離開觸發感應的位置時此一位準可以維持。
圖 2- 39 Avago HSDL-91000 測試電路、使用元件、與 layout 電路板
圖 2- 40 Avago HSDL-91000 測試電路
(如圖 2-40)示波器中每一水平方格代表歷時 250m，圖中顯示快速觸發感測器的感 應時間約在20ms 左右，平均感測器反應時間在 50ms 以下，感測距離約為 2-3 公分。
對照前述一般人手擺過12 公分的距離（一般市售鑲牆兩路電氣盒長度）經量測約在 400～600ms。評估目前的反應時間可以滿足手滑過感測器的感應時間。接下來必須確 保感應資料傳輸率亦需達到至少相同的速度。因此工作團隊修正設計非接觸式開關設 計與規格：
(1) 利用微處理器來處理感測器所傳回來的資料
(2) 搭配無線傳輸模組（433MHz 頻段）與 USB dongle 與電腦連結。
(3) 資料掃瞄頻率亦設定在 50ms 必須掃瞄並記錄完 9 個感測器的感應資料。
(4) 搭載 LED 燈作感應指示 (六) 資料處理架構
微處理器處理感測器感測資料流程與資料儲存格式、頻率(如圖 2-41)所示。
圖 2- 41 感測資料處理流程與資料儲存格式
圖 2- 42 非接觸式開關硬體架構 (七) 非接觸式開關最終功能設定
LED 部分
在設定時可以顯示紅、藍、白，代表開關的可使用狀態 1. 單一開關單一功能
開關模組提供 9 組切換功能。
每一開關都以紅燈顯示其可被使用。當被切換(狀態改變)時紅燈熄滅或是亮藍燈
or
圖 2- 43 開關模組提供 9 組切換功能 2. 上下、左右功能
上面(左邊)3 個開關定義為調大(調小)功能與下面(右邊)3 個開關定義為調小(調大)功 能。則分別顯示不同顏色LED 以示區隔。
上下 左右
圖 2- 44 上下、左右功能分組圖
圖 2- 45 完成之非接觸開關電路板 (八) 功能串連
1.併入智慧廚具之升降
工作團隊將USB dongle 架接在智慧廚具之控制電腦接收非接觸開關傳回之感測資
工作團隊將USB dongle 架接在智慧廚具之控制電腦接收非接觸開關傳回之感測資