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中 華 大 學

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Academic year: 2022

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(1)

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目:建構嵌入式智慧型看護系統 Construction of an Embedded Intelligent

Tender System

系 所 別:資訊工程學系碩士班 學號姓名:E09302008 曾柏仁 指導教授:游坤明博士

中華民國 九 十 七 年 七 月

(2)

- I -

摘要 摘要 摘要 摘要

鑑 於 全 世 界 的 社 會 受 到 「 少 子 高 齡 化 」 的 影 響 , 先 進 國 家 人 口 結 構 皆 有 趨 於 高 齡 化 的 現 象 。 以 2006 年 台 灣 地 區 而 言 , 65 歲 以 上 人 口 與 14 到 64 歲 人 口 比 例 約 為 1:7.2。 預 估 二 十 年 後 65 歲 以 上 人 口 將 會 增 加 一 倍 。 65 歲 以 上 人 口 與 14 到 64 歲 人 口 比 例 將 會 降 到 1:4 以 下 。 老 人 安 養 的 需 求 會 變 得 更 為 急 迫 。 安 養 機 構 成 立 數 字 也 逐 年 增 加 , 面 對 主 管 機 關 相 關 法 規 日 益 完 善 如 何 有 效 人 性 化 管 理 成 為 安 養 機 構 一 大 挑 戰 。

本 論 文 提 出 一 套 嵌 入 式 智 慧 型 看 護 系 統 (Embedded Intelligent Tender System)。 EITS 包 含 四 種 工 作 系 統 分 別 為 :1. 室 內 人 員 定 位 系 統 。 2. 客 戶 端 資 料 裝 置 。 3. GPS 定 位 系 統 。 4. 環 境 偵 測 系 統 。 EITS 能 解 決 安 養 機 構 人 員 管 理 中 三 個 問 題 : 1. 病 患 走 失 事 件 發 生 預 防 。 2. 尋 找 走 失 病 患 問 題 。 3. 即 時 通 報 狀 況 問 題。EITS 硬 體 部 份 利 用 嵌 入 式 系 統 製 作,可 以 利 用 嵌 入 式 系 統 所 帶 來 的 便 攜 性 與 小 體 積 特 性 提 昇 整 個 系 統 的 移 動 性 。 若 能 將 此 一 系 統 推 廣 到 安 養 機 構 中 , 與 現 有 的 醫 療 看 護 系 統 結 合 則 可 以 發 揮 更 大 的 功 能 。

在 系 統 效 能 與 穩 定 度 分 析 上 , 於 不 同 地 形 環 境 、 不 同 時 段 、 不 同 門 號 情 況 之 下 測 試,系 統 平 均 於 60 秒 內 可 以 提 供 老 人 所 在 經 緯 度 資 料,並 且 實 驗 中 所 發 送 之 簡 訊 , 都 可 以 100%的 接 收 以 及 識 別 並 加 以 處 理 , 且 定 位 誤 差 範 圍 在 20 公 尺 內 。 關 鍵 字

關 鍵 字 關 鍵 字

關 鍵 字: PSRFID、 嵌 入 式 系 統嵌 入 式 系 統嵌 入 式 系 統嵌 入 式 系 統 、、 看 護 系 統看 護 系 統看 護 系 統看 護 系 統

(3)

Abstract

Under the impact of “low birth rate and aging society”, many advanced nations have shown an increasing ratio of elderly people in their population. Take the statistics of Taiwan in 2006 as an example. The ratio of population aged above 65 to population aged 14-64 is 1:7.2. It has been estimated that the population aged above 65 is likely to double in 20 years, and the ratio of population aged above 65 to population aged 14-64 will decrease to under 1:4. Therefore, an imminent need for care of the elderly can be expected. With the gradual increase of senior care centers and the enactment of related regulations, how to conduct human-based management has become a great challenge for senior Tender institutes.

In this study, an Embedded Intelligent Tender System was proposed. This system comprised of four sub-systems, including: 1. Indoor positioning system. 2.

Client-side Data Transmission Device. 3. Global Positioning System (GPS). 4.

Environment Detection System. This system could help Tender centers solve the three major problems in human management, including 1. Prevention of missing of patients. 2. Searching for missing patients. 3. Real-time report of situations. The system was built as an embedded system to take advantage of the portability and compactness of embedded systems and enhance the mobility of the entire system. If this system could be promoted in Tender centers and further integrated with their medical nursing systems, its functions could be more effectively exploited.

In the analysis of system performance and stability, different test variables, including topographic environment, time period, and cell phone system, were used in the test. It was found the system could provide an elder’s position (latitude and longitude) within an average of 60 seconds. Besides, SMS transmitted in the experiment could be 100% received and recognized. The positioning error was within a range of only 20 meters.

Keywords: GPS, RFID, Embedded System, Tender System

(4)

- III -

目錄 目錄 目錄 目錄

摘 要 ... I Abstract ... II 目 錄 ... III 圖 目 錄 ... VI 表 目 錄 ... VIII

第 一 章 緒 論 ... 1

1.1 研 究 背 景 ... 1

1.2 研 究 動 機 ... 2

1.3 研 究 方 向 ... 3

1.4 論 文 架 構 ... 4

第 二 章 系 統 關 鍵 模 組 研 究 ... 5

2.1 無 線 射 頻 辨 識 RFID ... 5

2.1.1 RFID 技 術 研 究 ... 6

2.1.2 RFID 運 作 原 理 ... 7

2.1.3 RFID 系 統 層 構 ... 7

2.2 全 球 定 位 系 統 GPS ... 8

2.2.1 GPS 介 紹 ... 8

2.2.2 GPS 系 統 ... 9

2.2.3 GPS 定 位 原 理 ... 11

2.2.4 定 位 誤 差 ... 13

2.2.5 展 頻 通 訊 ... 13

2.2.6 GPS 通 訊 協 定 ... 15

第 三 章 系 統 相 關 組 成 ... 17

3.1 嵌 入 式 系 統 (Embedded System) ... 17

3.1.1 PDA ... 17

3.1.2 WinCE ... 17

3.2 地 理 資 訊 系 統 ... 18

3.2.1 卡 氏 座 標 系 統 ( Cartesian coordinate system) ... 18

(5)

3.2.2 橢 球 座 標 系 統 (Ellipsoid coordinate system) ... 18

3.3 簡 訊 服 務 ... 25

第 四 章 嵌 入 式 智 慧 型 看 護 系 統 架 構 設 計 ... 27

4.1 系 統 功 能 設 計 ... 28

4.1.1 室 內 定 位 系 統 ... 28

4.1.2 使 用 者 尋 找 系 統 ... 30

4.1.3 個 人 隨 身 資 料 處 理 系 統 ... 32

4.1.4 環 境 偵 測 系 統 ... 33

4.2 EITS 階 層 架 構 ... 34

4.3 硬 體 架 構 與 規 劃 ... 37

4.3.1 系 統 規 畫 ... 37

4.3.2 室 內 建 置 環 境 ... 38

4.3.3 戶 外 服 務 網 路 ... 41

第 五 章 系 統 實 作 ... 42

5.1 服 務 管 理 平 台 (Service Managing Plagform) ... 43

5.2 室 內 保 全 系 統 (Embedded Home-Care System) ... 48

5.3 看 護 人 員 PTD(Personal Tender Device) ... 51

5.4 GPS 定 位 裝 置 (GPS Fix Kit) ... 54

5.5 RFID ... 55

5.6 導 航 引 擎 ... 57

5.7 SMS 發 送 ... 60

5.7.1 利 用 WM5 手 機 ... 61

5.7.2 利 用 Skype 發 送 簡 訊 ... 63

5.7.3 利 用 ATCommands 發 送 簡 訊 ... 64

5.8 RS232 ... 66

5.9 系 統 效 能 評 估 ... 68

第 六 章 結 論 與 未 來 展 望 ... 71

6.1 總 結 ... 71

6.2 未 來 研 究 發 展 ... 72

參 考 文 獻 ... 74

(6)

- V -

附 錄 A 煙 霧 偵 測 器 ... 76

(7)

圖目錄 圖目錄 圖目錄 圖目錄

圖 2.1 RFID 工 作 方 塊 圖 ... 7

圖 2.2 GPS 系 統 工 作 示 意 圖 ... 9

圖 2.3 GPS 衛 星 運 行 軌 道 示 意 圖 ... 10

圖 2.4 GPS 衛 星 分 佈 圖 ... 11

圖 2.5 GPS 衛 星 信 號 產 生 示 意 圖 ... 12

圖 2.6 GPS 衛 星 定 位 示 意 圖 ... 13

圖 2.7 展 頻 碼 工 作 原 理 示 意 圖 ... 15

圖 3.1 卡 氏 座 標 與 橢 球 座 標 關 係 圖 ... 19

圖 3.2 WGS84 轉 換 TWD67 步 驟 示 意 圖 ... 21

圖 3.3 橫 式 麥 卡 脫 工 作 示 意 圖 ... 25

圖 3.4 簡 訊 收 發 工 作 模 型 ... 25

圖 4.1 室 內 定 位 系 統 工 作 流 程 圖 ... 30

圖 4.2 使 用 者 尋 找 系 統 流 程 圖 ... 32

圖 4.3 環 境 偵 測 系 統 流 程 圖 ... 34

圖 4.4 EITS 系 統 模 組 堆 疊 圖 ... 35

圖 4.5 EITS 模 組 示 意 圖 ... 36

圖 4.6 系 統 開 發 概 要 流 程 圖 ... 37

圖 4.7 系 統 組 成 示 意 圖 ... 38

圖 4.8 室 內 網 路 組 成 圖 ... 39

圖 4.9 室 內 架 構 訊 息 傳 遞 流 程 圖 ... 40

圖 4.10 戶 外 服 務 網 路 組 成 圖 ... 41

圖 5.1 系 統 階 層 選 單 ... 44

圖 5.2 EITS 主 畫 面 ... 44

圖 5.3 病 歷 資 料 顯 示 方 式 ... 45

圖 5.4 待 辦 事 項 (a)SMP 設 定 畫 面 (b)突 發 事 項 通 知 ... 46

圖 5.5 GIS 視 窗 (a)歷 史 軌 跡 (b)導 航 模 式 ... 46

圖 5.6 DES 工 作 示 意 圖 (a)正 確 (b)不 正 確 ... 47

圖 5.7 EHH 實 體 圖 ... 48

(8)

- VII -

圖 5.8 EHS 方 塊 圖 ... 49

圖 5.9 Cygwin 編 譯 流 程 ... 50

圖 5.10 EHS 開 發 環 境 架 構 圖 ... 50

圖 5.11 煙 霧 偵 測 器 ... 51

圖 5.12 PTD 實 體 裝 置 圖 ... 51

圖 5.13 PTD 階 層 選 單 ... 52

圖 5.14 PTD 待 辦 事 項 顯 示 方 式 ... 52

圖 5.15 查 詢 病 患 資 料 (a)SMP 畫 面 (b)隨 身 資 料 器 畫 面 ... 53

圖 5.16 隨 身 資 料 處 理 器 路 徑 規 劃 ... 54

圖 5.17 GPS 手 機 ... 54

圖 5.18 GFK 操 作 畫 面 (a)撥 打 電 話 (b)導 航 到 院 區 ... 55

圖 5.19 RFID 元 件 (a) RFID Reader (b)RFID tag ... 55

圖 5.20 RFID Reader 命 令 格 式 ... 56

圖 5.21 RFID Reader 傳 回 資 料 格 式 ... 56

圖 5.22 RFID 存 取 流 程 圖 ... 56

圖 5.23 導 航 引 擎 存 取 模 式 示 意 圖 ... 57

圖 5.24 規 劃 結 果 一 覽 ... 59

圖 5.25 導 航 引 擎 地 圖 表 示 ... 60

圖 5.27 作 業 系 統 內 建 程 序 一 覽 ... 62

圖 5.28 Skype 警 告 訊 息 ... 63

圖 5.29 Skype 簡 訊 傳 送 模 擬 圖 ... 63

圖 5.30 PDU 模 式 發 送 簡 訊 ... 64

圖 5.31 RS232 針 腳 示 意 圖 ... 66

圖 5.32 RS232 設 計 流 程 圖 ... 67

圖 5.33 RS232 時 序 示 意 圖 ... 68

圖 5.34 系 統 評 估 流 程 ... 69

(9)

表目錄 表目錄 表目錄 表目錄

表 1.1 兩 性 平 均 壽 命 ... 1

表 1.2 台 閩 地 區 走 失 人 口 統 計 ... 2

表 1.3 安 養 機 構 工 作 人 員 數 ... 3

表 2.1 RMC 欄 位 解 碼 表 ... 16

表 3.1 台 灣 地 理 中 心 碑 以 不 同 大 地 基 準 測 量 之 經 緯 度 ... 19

表 3.2 台 灣 地 圖 參 數 定 義 表 ... 20

表 3.3 大 地 基 準 定 義 橢 球 體 形 狀 參 數 定 義 ... 22

表 3.4 七 項 參 數 內 容 定 義 ... 23

表 5.1 系 統 硬 體 規 格 ... 42

表 5.2 SMS 通 訊 格 式 表 ... 61

表 5.3 PDU 模 式 簡 訊 內 碼 說 明 ... 64

表 5.4 以 Hello 為 例 子 編 碼 ... 65

表 5.5 實 驗 結 果 統 計 ... 69

(10)

第一章 第一章 第一章

第一章 緒論 緒論 緒論 緒論

人 類 自 古 以 來 一 直 有 追 求 長 生 不 老 的 原 始 夢 想 。 在 邁 入 了 二 十 一 世 紀 的 現 在 , 人 類 雖 然 壽 命 延 長 許 多 。 但 仍 不 免 生 老 病 痛 的 折 磨 。 如 何 減 少 疾 病 、 老 化 所 帶 來 的 社 會 現 象 , 為 先 進 國 家 現 應 及 早 思 考 並 加 以 應 對 。 本 論 文 說 明 為 何 需 要 開 發 一 個 高 穩 定 度 、 高 便 攜 性 之 嵌 入 式 看 護 系 統 之 背 景 動 機 , 並 簡 介 相 關 模 組 參 考 文 獻 , 提 出 完 整 解 決 方 案 , 最 後 說 明 本 系 統 之 功 能 與 操 作 。

1.1 1.1 1.1

1.1 研究背景 研 究 背 景 研 究 背 景 研 究 背 景

現 在 社 會 由 於 科 技 進 步 神 速 , 良 性 的 演 變 為 醫 療 科 技 的 發 達 、 生 活 環 境 的 改 善 與 良 好 的 營 養 供 給 。 直 接 、 間 接 的 延 長 了 人 類 的 壽 命 。 現 今 大 多 數 的 人 們 都 平 均 壽 命 可 以 達 到 70 歲 以 上 如 表 1.1 所 示。社 會 人 口 平 均 年 齡 的 增 加 因 此 也 引 發 了

「 老 人 問 題 」 ; 「 老 人 問 題 」 不 僅 僅 是 個 人 身 心 狀 態 改 變 的 問 題 也 涵 蓋 了 社 會 人 口 結 構 老 化 所 衍 生 一 系 列 福 利 、 安 養 、 照 顧 等 問 題 。 人 口 老 化 會 帶 給 社 會 的 成 長 與 發 展 給 予 一 定 程 度 的 衝 擊 。 未 來 所 有 的 人 們 也 會 感 受 到 老 年 期 所 遭 遇 到 任 何 問 題 。 因 此 所 謂 「 老 人 問 題 」 實 是 現 代 人 應 投 注 心 力 關 心 人 口 高 齡 化 所 帶 來 之 影 響 與 改 變 。

表 1.1 兩 性 平 均 壽 命

90 年年年 91 年92 年年年 93 年94 年年年 男 性

男 性 男 性

男 性 72.87 73.22 73.40 73.47 73.72 女 性

女 性 女 性

女 性 78.44 78.94 79.31 79.70 79.79

所 謂 人 口 老 化 是 指 65 歲 以 上 的 人 口 占 總 人 口 之 百 分 比 增 加。依 據 行 政 院 社 會 福 利 推 動 委 員 會 指 出 老 年 人 口 比 率 因 國 民 壽 命 延 長 及 出 生 率 降 低 顯 著 上 昇 , 我 國 老 年 人 口 比 率 估 計 在 未 來 二 十 年 內 將 增 加 將 近 一 倍 , 占 總 人 口 的 比 率 由 目 前 9%

升 高 到 16%, 未 來 老 年 人 口 的 照 顧 及 扶 養 問 題 對 社 會 的 負 擔 更 為 沉 重 。

老 年 人 口 占 總 人 口 比 率 升 高 。 由 民 國 65 年 的 3.64%、 70 年 的 4.41%、 75 年 的 5.28%、 85 年 的 7.86%、 92 年 的 9.24%到 96 年 的 10.15%。 逐 年 顯 著 的 上 昇 。 老 化 指 數 ( 65 歲 以 上 人 口 數 除 以 0 至 14 歲 以 下 人 口 數 乘 以 100, 相 當 於 老 年 與 小 孩 人 數 的 比 例 ) 於 民 國 96 年 也 上 昇 到 了 56.16[19][20]。

根 據 聯 合 國 的 定 義 , 65 歲 以 上 的 老 年 人 口 比 率 在 7%以 上 就 是 「 老 人 國 」 ,

(11)

以 這 個 標 準 , 台 灣 地 區 在 民 國 83 年 已 正 式 邁 入 「 高 齡 化 社 會 」 。 人 口 老 化 現 象 於 全 世 界 皆 然 ; 人 口 老 化 實 為 醫 療 科 技 進 步 所 伴 隨 之 現 象 , 為 一 持 續 成 長 趨 勢 。 由 全 球 的 國 家 資 料 統 計 老 年 人 口 數 比 由 7%升 高 到 14%所 需 的 年 數 , 日 本 23 年 ; 台 灣 26 年 ; 英 國 45 年 ; 德 國 45 年 ; 美 國 70 年 ; 瑞 典 85 年 。 顯 見 我 國 是 世 界 上 人 口 老 化 速 度 最 快 的 國 家 之 一 。 人 口 老 化 速 度 過 快 , 將 擠 壓 因 應 高 齡 化 社 會 準 備 的 時 間 。 因 應 我 國 社 會 的 未 來 發 展 如 何 應 對 高 齡 化 社 會 為 一 不 可 輕 忽 的 課 題 [20]。

1.2 1.2

1.2 1.2 研究動機 研 究 動 機 研 究 動 機 研 究 動 機

依 內 政 部 社 會 司 調 查 台 灣 地 區 老 人 獨 居 的 比 例 為 13.6%。 居 住 於 安 養 環 境 占 老 年 人 口 之 1.97% 。 根 據 統 計 台 灣 地 區 老 年 人 口 中 失 智 或 是 輕 微 失 能 的 老 人 比 例 又 占 了 全 部 老 人 比 例 的 35%[19]。 隨 著 高 齡 人 口 的 增 加 , 對 於 老 人 長 期 照 護 、 養 護 及 安 養 機 構 就 養 之 需 求 亦 隨 之 增 加。依 照 內 政 部 資 料 統 計 資 料 指 出:65 歲 以 上 國 民 對 老 人 福 利 措 施 需 求 , 其 中 希 望 居 家 看 護 與 進 住 老 人 看 護 中 心 的 合 計 比 例 為 19%[19]。 如 果 沒 有 良 好 門 禁 管 理 系 統 , 病 患 容 易 因 自 由 行 動 而 外 出 走 失 , 造 成 看 護 人 員 的 壓 力 。

根 據 失 踨 老 人 協 尋 中 心 統 計 , 配 戴 「 愛 的 手 鍊 」 尋 獲 率 高 達 百 分 之 百 , 身 份 不 明 者 的 協 尋 成 效 不 高 , 僅 32.96%能 找 到 回 家 的 路 。 老 盟 常 務 監 事 簡 錦 綠 更 指 出 , 五 年 協 尋 經 驗 中 , 四 分 之 一 被 尋 獲 的 老 人 已 死 亡 , 若 是 身 份 不 明 者 尋 獲 比 率 更 低 到 33%[22]。 若 是 因 為 失 智 或 是 失 能 所 造 成 之 走 失 情 況 , 往 往 造 成 家 屬 的 憂 心 , 需 要 大 量 的 社 會 資 源 協 尋 。 根 據 警 政 署 資 料 統 計 , 從 民 國 93 年 至 94 年 之 間 失 蹤 人 口 發 生 次 數 約 47%與 失 智 、 失 能 有 關 , 如 表 1.2 所 示 。 尤 其 老 人 自 我 照 顧 能 力 很 弱 , 更 因 失 智 、 失 能 緣 故 若 錯 失 尋 找 「 黃 金 24 小 時 」 之 時 限 , 則 會 減 低 尋 獲 率 、 增 加 死 亡 率 。

表 1.2 台 閩 地 區 走 失 人 口 統 計 迷 途 走 失

迷 途 走 失迷 途 走 失

迷 途 走 失 智 障 走 失智 障 走 失智 障 走 失智 障 走 失 精 神 異 常精 神 異 常精 神 異 常精 神 異 常 其 他其 他其 他其 他 年 度年 度

年 度年 度 發 生 未 查 獲 發 生 未 查 獲 發 生 未 查 獲 發 生 未 查 獲 93 年 925 428 732 303 1343 853 3022 2641 94 年 1063 431 742 314 1545 851 3921 2629

(12)

由 於 上 述 計 畫 証 實 了 如 果 老 人 身 上 有 若 干 可 供 辨 識 的 資 訊 時 , 當 老 人 迷 失 時 , 各 協 尋 單 位 可 以 利 用 這 些 可 辨 識 資 訊 幫 助 迷 失 老 人 找 到 回 家 的 路 。

根 據 內 政 部 資 料 統 計 [21] 我 國 戶 籍 登 記 人 口 之 65 歲 以 上 老 人 計 有 228 萬 7,029 人 , 隨 著 高 齡 人 口 的 增 加 , 對 於 老 人 長 期 照 護 、 養 護 及 安 養 機 構 就 養 之 需 求 亦 隨 之 增 加。至 95 年 底 止 我 國 老 人 安 養 護 長 期 照 護 機 構,進 住 人 數 合 計 44,954 人,占 老 年 人 口 之 1.97%。95 年 底 老 人 長 期 照 護、養 護 及 安 養 工 作 人 員 平 均 服 務 人 數 為 2.32 人 如 表 1.3 所 示 , 若 考 慮 工 作 人 員 為 三 班 輪 休 制 度 , 再 加 上 人 力 調 度 問 題 。 實 際 一 位 工 作 人 員 平 均 服 務 人 數 很 可 能 超 過 十 位 。 距 離 理 想 一 位 工 作 人 員 照 顧 六 到 七 位 病 患 或 是 老 人 , 仍 有 不 少 差 距 。 面 對 人 力 資 源 不 足 的 問 題 。 若 利 用 現 有 的 電 子 產 品 並 加 上 科 技 的 輔 助 , 經 由 電 子 產 品 自 動 化 的 功 能 , 經 由 佈 建 完 成 的 網 路 不 斷 的 傳 遞 「 資 訊 」 。 可 以 適 時 的 利 用 遠 端 的 資 源 作 適 當 的 監 控 。 當 迷 失 時 也 可 以 「 即 時 」 藉 由 「 位 置 」 的 資 訊 來 找 到 他 們 。 不 因 為 時 間 的 流 逝 而 產 生 不 應 有 的 遺 憾 。 若 能 研 發 一 套 可 以 應 用 於 安 養 機 構 之 看 護 門 禁 系 統 , 並 且 能 夠 減 輕 不 少 看 護 人 員 的 負 擔 。 進 而 提 昇 老 人 福 利 機 構 服 務 品 質 , 使 機 構 營 造 一 個 適 合 老 人 之 溫 馨 、 祥 和 、 體 貼 與 關 懷 的 生 活 環 境 是 本 論 文 最 主 要 目 的 。

表 1.3 安 養 機 構 工 作 人 員 數 年 度

年 度年 度

年 度 人 員 總 計人 員 總 計人 員 總 計人 員 總 計 行 政 人 員行 政 人 員行 政 人 員 護 理 人 員行 政 人 員 護 理 人 員護 理 人 員 護 理 人 員 社 會 工 作社 會 工 作社 會 工 作社 會 工 作 人 員人 員

人 員人 員 服 務 人 員服 務 人 員 服 務 人 員服 務 人 員 其 他其 他 其 他其 他 平 均 人 員 照平 均 人 員 照平 均 人 員 照平 均 人 員 照 顧 平 均 人 數 顧 平 均 人 數顧 平 均 人 數 顧 平 均 人 數 93 12653 1802 303 2207 6628 1713 2.39 94 13505 1840 337 2420 7142 1766 2.40 95 14919 2862 390 2632 8075 1960 2.32

1.3 1.3

1.3 1.3 研究方向 研 究 方 向 研 究 方 向 研 究 方 向

台 灣 政 府 為 因 應 照 護 人 力 短 缺 趨 勢,陸 續 通 過「 銀 髮 族 U-Care 旗 艦 計 畫 」等 相 關 福 利 法 案,將 醫 療 列 為 服 務 業 重 點 產 業,輔 導 超 過 25,000 人 次 接 受 照 顧 服 務 訓 練 , 相 關 產 業 產 值 預 計 2009 年 將 達 到 7,724 億 元 [26]。 當 愈 來 愈 多 的 老 人 進 住 安 養 機 構 時 。 仍 會 產 生 下 列 三 項 問 題 :

1. 病 患 走 失 事 件 發 生 預 防 方 式病 患 走 失 事 件 發 生 預 防 方 式病 患 走 失 事 件 發 生 預 防 方 式病 患 走 失 事 件 發 生 預 防 方 式

依 政 府 規 定 其 防 火 門 為 了 安 全 起 見 並 不 能 上 鎖 [27]。 如 果 安 養 機 構 不 能 加 強 自 身 門 禁 管 理 之 能 力 反 而 會 額 外 造 成 老 人 迷 路 之 問 題 。 在 安 養 機 構 中 的 病 患

(13)

絕 大 多 數 其 反 應 不 若 常 人 般 快 速,並 有 低 能 的 症 狀。往 往 會 走 失 而 仍 不 自 覺。

2. 尋 找 走 失 病 患 問 題尋 找 走 失 病 患 問 題尋 找 走 失 病 患 問 題尋 找 走 失 病 患 問 題

病 患 走 失 問 題 是 不 可 避 免 的 。 當 老 人 迷 失 之 時 若 能 有 一 有 效 之 協 尋 方 式 , 於

「 黃 金 時 間 」 內 成 功 尋 獲 , 可 以 減 少 老 人 因 迷 失 所 造 成 的 傷 害 。 3. 即 時 通 報 狀 況 機 制即 時 通 報 狀 況 機 制即 時 通 報 狀 況 機 制即 時 通 報 狀 況 機 制

由 於 安 養 機 構 內 的 幅 員 遼 闊 , 若 工 作 人 員 編 制 不 足 , 則 在 室 內 人 員 分 配 上 無 法 全 面 兼 顧 。 一 但 發 生 緊 急 情 況 之 時 , 可 能 無 法 知 道 目 前 人 力 狀 況 並 迅 速 投 入 處 理 。 設 計 一 套 即 時 通 報 機 制 是 必 須 的 , 此 機 制 可 以 讓 安 養 機 構 內 有 辦 法 迅 速 的 調 派 人 力 處 理 , 提 高 人 力 運 作 的 效 率 。

本 論 文 將 提 出 一 套 可 以 適 用 於 安 養 機 構 所 使 用 之 看 護 系 統 。 利 用 此 系 統 解 決 上 述 三 項 問 題 點 。

1.4 1.4 1.4

1.4 論文架構 論 文 架 構 論 文 架 構 論 文 架 構

本 論 文 共 分 為 六 章 , 將 簡 述 如 下 : 第 一 章 緒 論

第 一 章 緒 論 第 一 章 緒 論

第 一 章 緒 論 ::: 於 本 章 中 說 明 研 究 背 景 與 動 機 。 並 說 明 本 系 統 所 具 備 之 重 要 功 能 。 : 第 二 章 系 統 關 鍵 模 組 研 究

第 二 章 系 統 關 鍵 模 組 研 究 第 二 章 系 統 關 鍵 模 組 研 究

第 二 章 系 統 關 鍵 模 組 研 究 :::: 對 本 論 文 所 開 發 功 能 之 重 要 組 成 模 組 作 完 整 之 說 明 , 並 且 深 入 的 介 紹 模 組 相 關 之 技 術 背 景 。

第 三 章 系 統 相 關 組 成 第 三 章 系 統 相 關 組 成 第 三 章 系 統 相 關 組 成

第 三 章 系 統 相 關 組 成 ::: 對 本 論 文 發 展 平 台 軟 、 硬 體 之 系 統 架 構 與 重 要 技 術 , 進 行: 相 關 的 討 論 。

第 四 章 第 四 章 第 四 章

第 四 章 嵌 入 式 智 慧 型 看 護 系 統 架 構 設 計嵌 入 式 智 慧 型 看 護 系 統 架 構 設 計嵌 入 式 智 慧 型 看 護 系 統 架 構 設 計嵌 入 式 智 慧 型 看 護 系 統 架 構 設 計 ::: 針 對 本 看 護 系 統 之 目 的 作 概 略 分 析 , 並: 歸 納 出 本 嵌 入 式 看 護 系 統 需 求 , 因 而 提 出 四 種 工 作 子 系 統 。 並 根 據 系 統 需 求 , 規 劃 整 個 系 統 硬 體 設 施 架 構 。

第 五 章 系 統 實 作 第 五 章 系 統 實 作 第 五 章 系 統 實 作

第 五 章 系 統 實 作 :::: 針 對 看 護 系 統 之 子 系 統 並 依 模 組 特 性 撰 寫 其 裝 置 有 關 之 驅 動 程 式 與 應 用 程 式 。 且 設 計 實 驗 以 探 討 系 統 可 靠 性 與 穩 定 性 。

第 六 章 結 論 第 六 章 結 論 第 六 章 結 論

第 六 章 結 論 ::: 總 結 本 論 文 。 成 果 展 示 並 且 提 出 未 來 可 供 改 善 與 研 究 的 論 點 。 :

(14)

第二章 第二章 第二章

第二章 系統關鍵模組研究 系統關鍵模組研究 系統關鍵模組研究 系統關鍵模組研究

本 章 是 在 探 討 本 論 文 所 使 用 的 關 鍵 性 零 組 件 參 考 文 獻 。 文 獻 可 以 概 分 為 以 下 二 種 :

1.

1.

1.

1. RFIDRFIDRFIDRFID 技 術技 術技 術技 術 ::::包 括 RFID 的 構 成 元 件 、 運 作 原 理 、 RFID 分 類 、 RFID 標 準 。 2.

2.

2.

2. GPSGPSGPSGPS 技 術技 術技 術技 術 ::::包 括 了 GPS 的 構 成 元 件 、 定 位 原 理 、 誤 差 產 生 及 消 除 、 GPS 信 號 傳 送 技 術 。

2.1 2.1 2.1

2.1 無線射頻辨識 無 線 射 頻 辨 識 無 線 射 頻 辨 識 無 線 射 頻 辨 識 RFID RFID RFID RFID

於 第 二 次 世 界 大 戰 期 間 英 國 軍 方 首 先 發 展 出 展 出 非 接 觸 技 術 (contactless technology), 此 一 系 統 稱 為 IFF 敵 我 辨 識 (Identify :Friend or Foe)系 統 。 也 是 於 英 國 飛 機 上 裝 上 一 個 詢 答 機 (transponder) 以 識 別 從 歐 洲 大 陸 返 回 英 國 本 島 的 飛 機 是 友 機 還 是 敵 機 。 若 接 收 到 此 一 信 號 , 表 示 是 友 機 , 否 則 視 為 是 敵 機 。 也 成 為 首 次 使 用 的 RFID 射 頻 辨 識 (Radio Frequency Identification), 為 RFID 發 展 之 濫 觴 [27]。

美 軍 於 兩 伊 戰 爭 期 間 曾 大 量 的 使 用 RFID 來 運 輸 其 後 勤 補 給,最 後 克 竟 其 功。

因 此 RFID 將 會 改 變 人 類 運 輸 、 銷 售 、 庫 存 、 盤 點 的 貨 物 運 輸 流 程 。 在 2003 年 , RFID 已 被 列 入 了 世 紀 十 大 重 要 技 術 。 市 場 研 究 機 構 Gartner 的 報 告 也 指 出 , 由 於 RFID 逐 漸 被 市 場 採 納,包 括 相 關 硬 體 及 軟 體 的 建 置 將 會 在 2006 年 底 及 2007 年 加 速 發 展 , 預 估 到 了 2010 年 RFID 的 全 球 支 出 金 額 可 達 30 億 美 元 ; 此 外 美 國 市 場 研 究 機 構 AMR Research 亦 預 測 RFID 在 2013 年 產 值 可 達 210 億 美 元,年 成 長 率 約 44.2%, 商 機 十 分 龐 大 , 因 此 有 人 以「 二 次 IT 革 命 」來 形 容 此 技 術 的 潛 能 及 發 展 性 , 可 創 造 出 無 限 的 商 機 [22]。

由 於 RFID 的 應 用 如 雨 後 春 筍 蓬 勃 發 展 , 其 應 用 層 面 早 已 不 限 於 貨 物 , 如 寵 物 晶 片 、 動 物 追 踨 、 甚 致 於 海 岸 線 、 山 陵 線 的 改 變 。 當 RFID 的 價 格 到 達 到 可 以 接 受 的 程 度 , 當 可 普 及 到 日 常 生 活 之 中 。

RFID 因 為 可 以 避 免 傳 統 身 份 辨 識 系 統 之 密 碼、磁 卡 所 具 有 之 缺 點 且 有 免 接 觸 及 感 應 卡 毋 須 額 外 電 源 供 應 等 其 他 優 點 , 已 廣 為 門 禁 管 制 系 統 所 使 用 。 故 本 論 文 亦 採 用 RFID 為 身 份 辨 識 技 術 。

(15)

2.1.1 RFID 技術研究

技 術 研 究技 術 研 究技 術 研 究

無 線 射 頻 辨 識 RFID (Radio Frequency IDentification) 的 系 統 組 成 根 據 EAN.UCC RFID 白 皮 書 [11]對 RFID 的 解 釋 中 : RFID 由 二 部 份 零 件 組 成 , 方 塊 圖 如 圖 2.1 所 示 。

1. RFID tag

電 子 標 籤 (tag 或 是 Transponder) tag 其 功 能 是 接 收 能 量 與 信 號 後 , 以 另 一 頻 率 將 內 存 之 資 料 傳 送 出 ;此 一 傳 送 的 數 位 信 號 必 須 使 用 不 同 的 頻 率,以 免 干 擾 所 接 收 到 的 微 弱 信 號 。

tag 內 建 RF 發 射 機 模 組 (RF transceiver)與 微 控 制 器 (micro controller), 當 tag 感 應 到 Reader 所 發 射 之 無 線 電 波 時 , tag 內 建 電 路 會 將 此 一 無 線 電 波 能 量 轉 換 成 電 源,並 以 內 建 之 RF 無 線 電 波 傳 迗 tag 之 內 建 一 系 列 數 位 識 別 資 料,如 產 品 型 號 、 價 錢 等 等 。

電 子 標 籤 (tag)通 常 以 電 池 的 有 無 區 分 為 被 動 式 與 主 動 式 兩 種 類:(1)被 動 式 電 子 標 籤:是 接 收 Reader 電 路 傳 送 的 能 量,轉 換 成 電 子 標 籤 操 作 電 能,不 需 外 加 電 池 僅 將 RF 信 號 反 射 回 Reader 被 稱 為 被 動 式 標 籤 , 它 唯 讀 因 此 不 可 以 重 複 使 用,主 要 負 責 儲 存 被 識 別 物 的 相 關 資 訊,如 品 名、編 號 等 ;其 組 成 零 組 件 少 可 達 到 體 積 小 、 價 格 便 宜 、 壽 命 長 以 及 數 位 資 料 可 攜 性 等 優 點 。 被 動 式 標 籤 被 廣 泛 應 用 於 快 速 記 錄 追 踨 如 商 品 物 流;防 盜 防 遺 失 如 門 禁 管 理 等。(1)主 動 式 電 子 標 籤:可 以 主 動 傳 輸 RF 信 號 的 RFID 單 元,它 是 可 以 讀 寫 並 可 以 重 複 使 用 其 記 憶 體 大 小 可 應 需 求 而 變 。 價 格 較 昂 貴 使 用 週 期 短 。 被 應 用 於 國 防 醫 療 或 是 電 子 收 費 系 統 。

2. RFID 讀 取 機讀 取 機讀 取 機讀 取 機

RFID 讀 取 機 (Reader) 根 據 EAN.UCC 的 白 皮 書 [11] 解 釋 :Reader 是 由 天 線 (antenna)與 控 制 電 路 (controller)組 成 其 中 控 制 電 路 又 可 分 以 下 三 個 部 份 : (1) 介 面 : 對 資 料 進 行 編 解 碼 、 並 對 主 機 溝 通 。 (2)控 制 器 : 對 tag 進 行 存 取 並 且 控 制,讀 寫 資 料。(3)RF 模 組:負 責 實 際 產 生 RF 發 射 能 量 並 且 對 資 料 進 行 調 變 (modulation)。

(16)

2.1.2 RFID 運作原理

運 作 原 理運 作 原 理運 作 原 理

RFID 的 工 作 方 式 為 由 RFID Reader 發 射 RF 能 量 來 讀 取 tag。 tag 天 線 因 藕 合 而 產 生 電 流 , tag 將 此 感 應 電 流 充 電 於 電 容 器 中 作 為 後 續 動 作 的 電 源 使 用 。 tag 中 的 微 處 理 器 開 始 將 記 憶 體 中 的 資 料 透 過 另 一 個 不 同 的 頻 率 發 射 出 去。Reader 開 始 接 收 資 料 開 始 判 讀 的 工 作 。

其 步 驟 如 下 :

1. Host 端 的 電 腦 下 達 控 制 命 令 給 RFID Reader 進 行 資 料 的 讀 取 。

2. Reader 開 始 利 用 無 線 收 發 器 (RF Transceiver), 將 命 令 調 變 於 某 一 頻 率 中 , 被 稱 為 無 線 電 波 能 量 (RF Energy)

3. 當 tag 的 天 線 設 計 為 對 某 一 頻 率 有 良 好 的 響 應。當 天 線 感 應 到 電 磁 能 量 時 , 線 圈 兩 端 會 產 生 藕 合 電 場 , 天 線 兩 端 會 產 生 電 位 差 而 產 生 電 流 。 會 對 電 容 器 充 電 儲 存 所 需 的 電 流 。

4. 電 容 器 放 電 時 微 控 制 器 會 開 始 將 tag 中 的 記 憶 體 (ROM)資 料 , 經 由 內 建 的 Transceiver, 透 過 另 一 頻 率 , 將 資 料 回 傳 給 Reader。

5. 因 為 Reader 可 以 對 許 多 tag 作 存 取,因 此 Reader 在 讀 取 資 料 之 時。要 有 防 碰 撞 (Anti Collision)機 制 , 並 對 tag 的 ID 作 判 斷 才 作 讀 取 的 動 作 。

6. 當 Reader 成 功 的 完 成 一 次 的 資 料 接 收 與 篩 選 之 後,將 資 料 回 傳 給 Host 端 。

圖 2.1 RFID 工 作 方 塊 圖

2.1.3 RFID 系統層構

系 統 層 構系 統 層 構系 統 層 構

依 據 EAN.UCC 白 皮 書 將 RFID 應 用 功 能 可 區 分 為 1.應 用 層應 用 層應 用 層應 用 層 (Application layer) 包 括 四 部 份 : (1)應 用 程 式 : 提 供 人 機 介 面 , 並 依 需 求 撰 寫 功 能 模 組 。 (2)作 業 系 統 :作 業 系 統 提 供 一 個 作 業 平 台 供 應 用 程 式 使 用。(3)編 碼 標 準 :對 資 料 的 編 解 碼,並 提 供 各 平 台 的 資 料 交 換。(4)驅 動 程 式 :對 RFID tag 作 存 取 的 程 式 模 組 。 2. 通 訊 層通 訊 層通 訊 層 (Communication layer)包 括 四 部 份 (1)提 供 資 料 防 碰 撞 功 能 , 使 同 一通 訊 層

(17)

區 域 內 , 多 個 tag 之 通 訊 得 以 實 現 。 (2)對 許 多 不 同 tag 進 行 讀 取 及 辨 識 。 (3) 定 義 tag 的 資 料 格 式 。 (4)對 tag 寫 入 資 料 。 3.傳 輸 層傳 輸 層傳 輸 層 (Transport layer)規 定 數傳 輸 層 項 物 理 特 性 決 定 RFID 的 效 能 與 品 質。(1)頻 率 (Frequency)依 據 各 國 所 釋 放 頻 段 不 同 而 工 作 於 不 同 頻 率 。 (2)資 料 速 率 (data rate)由 資 料 量 大 小 與 傳 輸 時 間 加 以 決 定 。 (3)調 變 方 式 (modulation)決 定 抗 雜 訊 干 擾 與 訊 號 溝 通 方 式 。

2.2 2.2

2.2 2.2 全球定位系統 全 球 定 位 系 統 全 球 定 位 系 統 全 球 定 位 系 統 GPS GPS GPS GPS

當 蘇 聯 發 射 了 第 一 顆 人 造 衛 星 後 。 既 然 可 以 利 用 已 知 觀 測 站 的 位 置 知 道 衛 星 位 置 , 那 麼 如 果 已 知 衛 星 位 置 , 應 該 也 能 測 量 出 接 收 者 的 所 在 位 置 。 這 是 導 航 衛 星 的 基 本 設 想 。 由 這 單 純 的 定 位 想 法 並 且 利 用 了 衛 星 的 以 下 特 性

1. 不 受 地 球 天 氣 的 影 響 。

2. 利 用 許 多 衛 星 來 覆 蓋 地 形 變 化 造 成 之 死 角 (覆 蓋 面 積 達 地 球 的 98%)。

3. 快 速 方 便 的 定 位 運 算 。

進 而 產 生 其 他 的 許 多 用 途 如 精 確 的 定 時 、 導 航 、 定 位 、 工 程 測 量 與 地 形 地 貌 的 繪 製 等 , 大 大 的 提 昇 了 GPS 的 應 用 層 面 。

2.2.1 GPS 介紹

介 紹介 紹介 紹

GPS(Global Positioning System)系 統 最 早 仍 為 美 國 軍 方 所 使 用 的 子 午 儀 定 位 系 統 , 這 套 系 統 無 法 給 出 高 度 的 資 訊 而 且 定 位 的 效 果 差 強 人 意 。 但 仍 顯 示 出 衛 星 定 位 所 給 予 的 優 越 性 與 子 午 儀 系 統 本 身 的 不 足。因 此 美 國 軍 方 於 70 年 代 整 合 了 陸 海 空 軍 與 交 通 部 等 的 力 量 共 同 的 推 動 了 目 前 使 用 最 為 廣 泛 的 GPS 計 畫 。 歷 經 了 20 年 的 努 力 耗 資 200 億 美 元 於 1994 年 全 面 建 成 。 並 且 開 放 給 民 間 使 用 。

目 前 全 球 有 2 套 全 球 定 位 系 統 人 造 衛 星 , 分 別 為 美 國 的 GPS 系 統 以 及 俄 羅 斯 的 Glonass 系 統 , 全 球 大 多 數 的 使 用 者 都 是 使 用 美 國 的 GPS 系 統 。 目 前 歐 盟 正 全 力 建 置 伽 利 略 系 統 ( Galileo Positioning System) 預 計 會 於 2010 年 開 始 運 作 。 並 會 提 供 給 使 用 者 更 為 精 確 的 定 位 資 訊 、 加 強 高 緯 度 地 區 的 覆 蓋 、 不 會 因 美 國 本 身 的 利 益 而 取 消 服 務 。

GPS 以 全 天 候 、 高 精 度 、 自 動 化 、 高 效 益 等 顯 著 特 點 , 贏 得 廣 大 測 繪 工 作 者 的 信 賴 , 並 成 功 地 應 用 於 大 地 測 量 、 工 程 測 量 、 航 空 攝 影 測 量 、 運 載 工 具 導 航 和 管 制 、 地 殼 運 動 監 測 、 工 程 變 形 監 測 、 資 源 勘 察 、 地 球 動 力 學 等 多 種 學 科 , 從 而 給 測 繪 領 域 帶 來 一 場 深 刻 的 技 術 革 命 。

(18)

2.2.2 GPS 系統

系 統系 統系 統

GPS 系 統 包 括 三 大 部 分 : 空 間 部 分 : GPS 衛 星 、 地 面 控 制 部 分 : 地 面 監 控 系 統 和 用 戶 設 備 部 分 : GPS 信 號 接 收 機 。 其 關 係 如 圖 2.2 所 示 。

圖 2.2 GPS 系 統 工 作 示 意 圖

GPS 衛 星 最 初 的 方 案 是 將 24 顆 衛 星 放 置 在 互 成 120 度 的 三 個 軌 道 上。每 個 軌 道 上 有 8 個 衛 星。後 來 因 為 預 算 問 題 又 改 成 了 現 今 的 21 顆 工 作 衛 星 與 3 顆 備 份 衛 星 在 互 成 30 度 的 6 條 軌 道 上。在 現 在 這 個 方 案 下 地 球 上 的 任 一 點 可 以 同 時 觀 測 到 4 顆 到 11 顆 衛 星 。

GPS 系 統 之 太 空 部 份 主 要 由 27 顆 衛 星 組 成 , 其 中 24 顆 為 操 作 衛 星 3 顆 為 備 用 衛 星 。 這 24 顆 衛 星 分 佈 於 6 個 軌 道 上 如 圖 2.3 所 示 , 各 軌 道 面 夾 角 為 60 度 , 軌 道 面 與 赤 道 面 的 夾 角 為 55 度 , 衛 星 軌 道 高 度 20200 公 里 , 衛 星 每 繞 行 地 球 一 周 約 11 小 時 58 分 。 這 樣 的 分 佈 可 使 全 球 各 地 無 論 任 何 時 刻 都 可 以 同 時 觀 測 到 至 少 4 顆 以 上 的 衛 星 , 以 利 於 三 度 空 間 之 定 位 量 測 。

GPS 衛 星 上 採 用 了 馬 斯 頻 率 和 時 間 系 統 公 司 研 製 的 銫 原 子 鐘 後 相 對 穩 定 頻 率 達 到 10 − 1 3/秒 , 誤 差 則 降 為 2.9m。 根 據 實 驗 的 數 據 , 原 子 鐘 的 誤 差 大 約 每 140 萬 年 差 一 秒 。

(19)

圖 2.3 GPS 衛 星 運 行 軌 道 示 意 圖

整 個 GPS 系 統 之 地 面 控 制 系 統 包 括 一 個 主 控 制 站、三 個 地 面 控 制 站 及 五 個 監 控 台 。 主 控 制 站 位 於 美 國 科 羅 拉 多 州 的 Falcon 空 軍 基 地 之 Consolidates Space Operations Center ( CSOC )。 其 主 要 功 能 為 接 收 五 個 監 視 站 所 傳 回 的 衛 星 追 蹤 資 料 , 並 採 用 卡 爾 曼 濾 波 器 (Kalman filter)計 算 每 個 衛 星 的 星 曆 、 時 鐘 改 正 、 狀 態 數 據 、 衛 星 信 號 的 大 氣 傳 播 改 正 數 據 , 再 將 數 據 傳 至 主 控 制 台 。 三 個 地 面 控 制 站 分 別 位 於 Asecnsion、Diego Gorcia 和 Kwajalein。每 個 地 面 控 制 站 皆 有 一 專 用 天 線 , 主 控 制 站 可 透 過 S 頻 道 的 無 線 電 將 導 航 訊 息 傳 送 到 各 衛 星 , 用 來 更 新 衛 星 內 資 料 , 衛 星 即 可 傳 送 新 的 資 料 給 地 面 使 用 者 運 用 。 正 常 情 況 下 每 隔 8 小 時 就 會 傳 一 次 資 料 到 衛 星 上 。

GPS 信 號 接 收 機 的 功 能 在 捕 獲 到 按 一 定 衛 星 高 度 截 止 角 所 選 擇 的 待 測 衛 星 的 信 號,並 跟 蹤 這 些 衛 星 的 運 行,對 所 接 收 到 的 GPS 信 號 進 行 變 換、放 大 和 處 理,

以 便 測 量 出 GPS 信 號 從 衛 星 到 接 收 機 天 線 的 傳 播 時 間 , 解 譯 出 GPS 衛 星 所 發 送 的 導 航 電 文 , 即 時 地 計 算 出 測 站 的 三 維 位 置 , 甚 至 三 維 速 度 和 時 間 。

靜 態 定 位 中,GPS 接 收 機 在 捕 獲 和 跟 蹤 GPS 衛 星 的 過 程 中 固 定 不 變,接 收 機 高 精 度 地 測 量 GPS 信 號 的 傳 播 時 間 , 利 用 GPS 衛 星 在 軌 道 已 知 位 置 , 解 算 出 接 收 機 天 線 所 在 位 置 的 三 維 座 標。而 動 態 定 位 則 是 用 GPS 接 收 機 測 定 一 個 運 動 物 體 的 運 行 軌 跡。GPS 信 號 接 收 機 所 位 於 的 運 動 物 體 叫 做 載 體。載 體 上 的 GPS 接 收 機

(20)

天 線 在 跟 蹤 GPS 衛 星 的 過 程 中 相 對 地 球 而 運 動 , 接 收 機 用 GPS 信 號 即 時 地 測 得 運 動 載 體 的 狀 態 參 數 。

圖 2.4 GPS 衛 星 分 佈 圖

(註 : 圓 心 為 GPS 接 收 機 所 在 位 置 )

2.2.3 GPS 定位原理

定 位 原 理定 位 原 理定 位 原 理

GPS 衛 星 上 有 10.23MHz 基 頻 來 產 生 出 兩 種 L band 的 載 波 : L1 與 L2。 L1 頻 率 為 1575.42MHz,L2 頻 率 為 1227.60MHz。L1 與 L2 各 調 變 有 導 航 訊 息 (Naviation Message)與 虛 擬 隨 機 雜 訊 (Pseudo Random Noise)又 被 稱 為 PRN Code。 其 中 PRN Code 又 可 分 為 兩 種 。 一 種 為 C/A Code (Coarse/Acquisition Code) , 頻 率 為 1.023MHz, 另 一 種 為 P Code (Precision Code), 頻 率 為 10.23MHz。

其 中 導 航 訊 息 會 疊 加 在 C/A Code 與 P Code 上 面 。 其 傳 送 速 率 為 50bps。 導 航 訊 息 中 包 括 了 星 曆 (Ephemeris)與 年 曆 (Almanac)等 兩 種 資 料。星 曆:即 衛 星 自 身 的 精 確 資 料 , 只 有 自 己 可 以 廣 播 。 用 來 估 算 精 確 衛 星 位 置 。 傳 送 周 期 為 30 秒 , 重 複 週 期 1 毫 秒 。 年 曆 : 即 所 有 衛 星 的 粗 略 位 置 資 料 , 任 何 衛 星 都 能 廣 播 。 用 來 估 算 概 略 位 置 及 修 正 電 離 層 誤 差 。 傳 送 週 期 為 12.5 分 鐘 , 重 複 週 期 266.4 天 。 詳 細 衛 星 訊 號 頻 譜 組 成 如 圖 2.5 所 示 :

(21)

圖 2.5 GPS 衛 星 信 號 產 生 示 意 圖

由 於 GPS 衛 星 以 固 定 的 軌 道 環 繞 地 球 , 因 此 每 顆 衛 星 座 標 都 可 以 預 測 計 算 , 構 成 一 群 天 空 中 活 動 的 參 考 座 標 點。持 GPS 衛 星 訊 號 接 收 器 在 地 面 上 任 一 位 置 , 接 收 三 顆 以 上 的 GPS 衛 星 訊 號,取 得 各 衛 星 於 天 空 中 的 座 標 值 並 測 得 各 衛 星 和 接 收 器 的 距 離 , 以 空 間 三 段 距 離 後 方 交 會 原 理 即 可 計 算 出 接 收 器 所 在 位 置 座 標

(

X Y Z

)

P , , , 其 相 對 關 係 如 圖 2.6 所 示 , 經 過 基 本 幾 何 計 算 過 程 , 求 解 一 組 空 間 的 聯 立 方 程 式 如 下 :

( ) ( ) ( )

12

2 1 2 1

2

1 Px Y Py Z Pz R

X − + − + − = (2.1)

( ) ( ) ( )

22

2 2

2 2

2

2 Px Y Py Z Pz R

X − + − + − = (2.2)

(

X3Px

)

2 +

(

Y3Py

)

2 +

(

Z3Pz

)

2 =R32 (2.3)

(

X1,Y1,Z1

)

S 為 S1 衛 星 的 座 標 值

(

X2,Y2,Z2

)

S 為 S2 衛 星 的 座 標 值

(

X3,Y3,Z3

)

S 為 S3 衛 星 的 座 標 值

(

X Y Z

)

P , , 為 GPS 接 收 器 座 標

3 2 1,R ,R

R 為 GPS 接 收 器 與 S1, S2, S3 三 顆 衛 星 的 距 離

假 設 同 時 接 收 四 顆 衛 星 訊 號 , 則 可 以 多 出 一 個 變 數 而 將 接 收 器 的 時 鐘 誤 差 C 也 求 出 來 , 大 幅 提 高 定 位 精 度 :

(

X1Px

)

2 +

(

Y1 Py

)

2 +

(

Z1 Pz

)

2 =

(

R1C

)

2 (2.4)

(22)

(

X2Px

)

2 +

(

Y2Py

)

2 +

(

Z2Pz

)

2 =

(

R2C

)

2 (2.5)

(

X3Px

)

2 +

(

Y3Py

)

2 +

(

Z3Pz

)

2 =

(

R3C

)

2 (2.6)

圖 2.6 GPS 衛 星 定 位 示 意 圖

2.2.4 定位誤差

定 位 誤 差定 位 誤 差定 位 誤 差

當 接 收 機 接 收 到 衛 星 訊 號 與 自 身 石 英 鐘 產 生 的 模 擬 訊 號 相 互 對 照 , GPS 接 收 機 對 碼 的 量 測 就 可 得 到 衛 星 到 接 收 機 的 距 離 , 由 於 含 有 接 收 機 衛 星 鐘 的 誤 差 及 大 氣 傳 播 誤 差 , 故 稱 為 偽 距 (Pseudo Range)。

在 定 位 過 程 中 , 存 在 著 二 部 分 誤 差 。 一 部 分 是 對 每 一 個 用 戶 接 收 機 所 公 有 。 例 如 衛 星 鐘 誤 差 、 星 曆 誤 差 、 電 離 層 誤 差 、 對 流 層 誤 差 等 ; 第 二 部 分 為 各 用 戶 接 收 機 所 固 有 的 誤 差 , 例 如 內 部 雜 訊 、 通 道 延 遲 、 多 徑 效 應 等 。 利 用 差 分 GPS (Differential GPS)技 術 第 一 部 分 誤 差 完 全 可 以 消 除 , 第 二 部 分 誤 差 則 無 法 消 除 。

2.2.5 展頻通訊

展 頻 通 訊展 頻 通 訊展 頻 通 訊

GPS 是 一 種 單 向 的 通 訊 系 統 和 測 距 技 術 , 它 的 訊 號 功 率 極 低 , 低 到 訊 號 其 實 已 低 於 自 然 界 的 無 線 電 背 景 雜 訊 之 下 , GPS 利 用 一 種 展 頻 通 訊 (Spread Spectrum) 技 術 。 將 發 射 功 率 以 偽 亂 碼 (Pseudo Random Noise Code)展 開 將 功 率 大 大 的 減 弱 。

展 頻 通 訊 與 偽 亂 碼 技 術 就 是 可 以 放 大 並 還 原 這 種 微 弱 訊 號 , 它 有 放 大 訊 號 的 效 果 , 因 此 微 弱 訊 號 可 被 接 收 端 所 收 聽 到 。 但 是 利 用 展 頻 通 訊 技 術 。 需 要 耗 費 時

(23)

間 利 用 展 頻 碼 還 原 訊 號 。 因 此 資 料 傳 送 速 率 很 慢 。 GPS 衛 星 傳 送 資 料 訊 息 的 速 度 只 有 每 秒 50 位 元 。

由 於 所 有 的 GPS 衛 星 都 利 用 相 同 的 L1、 L2 頻 率 發 射 信 號 。 因 此 利 用 接 收 器 可 以 利 用 不 同 的 偽 亂 碼 區 分 不 同 衛 星 所 廣 播 的 資 料 , 同 時 達 到 偽 亂 碼 抗 干 擾 之 效 果 。

展 頻 技 術 是 目 前 無 線 傳 輸 方 式 中 使 用 最 為 廣 泛 的 一 種 方 式 。 原 本 由 軍 方 為 避 免 信 號 擁 擠 與 被 竊 聽 而 發 展 出 來 的 , 它 又 可 以 分 為 跳 頻 展 頻 (Frequency Hopping Spread Spectrum)與 直 接 序 列 展 頻 (Direct Sequence Spread Spectrum)兩 種 展 頻 技 術 。 跳 頻 展 頻 被 運 用 於 藍 芽 技 術 上 面 ; 直 接 展 頻 被 802.11b 與 GPS 兩 種 技 術 所 採 用 。

直 接 序 列 展 頻 將 原 本 0 與 1 的 高 功 率 、 窄 頻 寬 的 位 元 訊 號 , 透 過 虛 擬 隨 機 序 列 和 相 位 移 轉 技 術 , 轉 變 成 低 功 率 、 寬 頻 帶 的 載 波 訊 號 , 其 工 作 示 意 圖 如 圖 2.7 所 示 。 轉 變 後 的 載 波 訊 號 功 率 往 往 小 於 背 景 噪 音 的 功 率 , 不 易 被 偵 測 出 來 , 這 些 轉 變 後 載 波 信 號 被 稱 為 spreading chips, chips 數 目 愈 多 可 以 增 加 資 料 安 全 性 , 愈 低 則 被 利 用 的 頻 寬 較 小 並 可 以 增 加 使 用 者 數 目 。

(24)

圖 2.7 展 頻 碼 工 作 原 理 示 意 圖

2.2.6 GPS 通訊協

通 訊 協通 訊 協通 訊 協 定定定

NEMA0183 協 定 是 美 國 海 洋 電 子 協 會 (National Marine Electronics Association,NMEA)所 制 定 的 標 準 通 訊 協 定。此 一 通 訊 協 定 成 了 大 多 商 用 GPS 接 收 器 所 支 援 的 通 訊 協 定 而 成 為 了 業 界 標 準 。 NEMA0183 所 傳 輸 的 資 料 都 是 由 ASCII(American Standard Code for Information Interchange)碼 所 組 成 的 一 行 又 一 行 連 續 句 子 , 此 一 連 續 句 子 被 稱 為 「 Sentence」 。 每 一 個 「 Sentence」 都 是 由 “$”

符 號 代 表 句 子 的 開 頭 。 每 一 個 句 子 的 長 度 不 定 , 最 長 可 達 到 82 個 字 元 。 而 以

“0x0D0A”來 代 表 句 子 的 結 束 (即 ASCII 中 的 Line Feed 碼 和 Carriage Return 碼 )。

在 句 子 裡 面 用 “,”來 識 別 每 一 個 不 同 的 資 料 項,資 料 項 本 身 可 以 為 空 (NULL),在 句 子 結 束 前 會 有 “*”符 號 代 表 檢 查 碼 (Checksum)的 開 始 。 Checksum 是 由 句 子 裏 不 包 括 “*”、 “$”的 每 一 個 字 元 作 XOR 運 算 , 並 以 十 六 進 制 表 示 。 每 個 句 子 的 第 二 、 三 個 字 元 被 稱 為 設 備 」 識 別 碼 (Talker ID), 例 如 “GP”為 GPS 接 收 器 。 第 四 、 五 、 六 個 字 元 為 要 傳 輸 句 型,NEMA0183 所 定 義 的 句 型 如 下 : GGA、GSV、GSA、GLL、

(25)

RMC、 BOD、 RMB、 GRMM、 GRME、 GRMZ 與 VTG 等 句 型 。

其 中 RMC 為 最 常 用 的 句 型 , 它 提 供 最 基 本 的 導 航 資 訊 及 時 間 。 其 內 容 可 分 為 十 項 資 料 包 含 了 經 緯 度 、 UTC 時 間 日 期 、 速 度 、 方 向 角 。 其 標 準 格 式 如 下 :

$GPRMC,hhmmss.ss,A,llll.ll,N,yyyyy.yy,E,x.x,x.x,xxxx,x.x,a*hh 實 際 範 例 句 子 如 下 :

$GPRMC,014935.196,A,2504.3102,N,12134.4808,E,0.22,44.02,051206,,,A*5A RMC 每 種 欄 位 如 下 :

表 2.1 RMC 欄 位 解 碼 表 資 料 項

資 料 項 資 料 項

資 料 項 內 容內 容 內 容內 容 GPRMC 設 備 識 別 碼 與 句 型

014935.196 格 林 威 治 標 準 時 間 01:49:35.196

A 狀 態 。 A=OK, V=Warning 代 表 此 衛 星 信 號 不 足 以 參 考 2504.3102 緯 度 。 代 表 25 度 4.310 分

N 代 表 目 前 所 在 位 置 為 北 半 球 12134.4808 經 度 。 代 表 121 度 34.480 分

E 代 表 所 在 位 置 為 東 半 球

0.22 代 表 對 地 面 的 速 度 。 單 位 為 海 哩 /小 時 44.02 代 表 艏 向

051206 代 表 了 2006/12/5 A 磁 北 極

*5A 檢 查 碼

若 是 GPS 接 收 器 並 沒 有 收 到 衛 星 信 號 其 RMC 句 子 如 下 :

$GPRMC,012757.296,V,,,,,,,051206,,*24。

(26)

第三章 第三章 第三章

第三章 系統相關組成 系統相關組成 系統相關組成 系統相關組成

本 章 是 在 探 討 本 論 文 所 使 用 其 他 零 組 件 組 成 部 份 。 由 於 這 部 份 零 組 件 所 採 用 軟 硬 體 規 格 各 自 有 所 不 同,採 用 這 些 技 術 其 考 慮 重 點 也 有 所 不 同,現 將 簡 介 如 下:

3.1 嵌入式系統 嵌 入 式 系 統 嵌 入 式 系 統 嵌 入 式 系 統 (Embedded System)

PC 經 過 了 幾 十 年 的 發 展 之 後,幾 乎 成 為 了 全 世 界 資 訊 產 業 的 代 名 詞,人 們 利 用 PC 配 合 著 應 用 軟 體 、 套 裝 軟 體 來 處 理 日 常 的 大 小 事 務 。

隨 著 製 程 的 進 步,PC 的 功 能 也 愈 來 愈 強 大,體 積 也 愈 來 愈 小 之 後。已 經 打 好 了 良 好 的 基 礎 可 以 將 PC 技 術 應 用 到 各 領 域 、 產 品 與 系 統 上 。 這 時 也 產 生 了 不 同 於 PC 概 念 設 計 的 資 訊 產 業 :嵌 入 式 系 統 設 計 。

嵌 入 式 系 統 不 須 像 PC 般 需 要 許 多 獨 立 元 件 、 裝 置 組 合 來 發 揮 其 功 能 。 嵌 入 式 系 統 基 本 上 是 由 嵌 入 式 處 理 器 、 週 邊 電 路 與 嵌 入 式 軟 體 組 成 的 。 嵌 入 式 處 理 器 也 就 是 所 謂 的「 SOC」(System On Chip)微 處 理 器,它 包 含 了 CPU,記 憶 體 控 制 電 路、顯 示 電 路、通 信 元 件、甚 致 USB、Audio 介 面。週 邊 電 路 則 包 括 了 RAM、ROM、

FLASH、 類 比 數 位 轉 換 電 路 、 電 源 電 路 等 。 嵌 入 式 軟 體 則 包 括 了 嵌 入 式 作 業 系 統 如 :WinCE 或 是 Symbian 等 等 。 以 下 則 針 對 嵌 入 式 系 統 的 軟 、 硬 體 作 相 關 研 究 。

3.1.1 PDA

PDA 的 前 身 可 以 追 溯 到 早 期 的 掌 上 型 電 腦 它 並 沒 有 鍵 盤 而 是 使 用 手 寫 筆 來 操 作。雖 然 經 過 了 幾 代 的 失 敗,但 由 於 PalmIII 獲 得 空 前 的 成 功。終 於 使 得 HP 推 出 了 PDA 來 搶 攻 此 一 新 興 市 場 。 由 於 它 著 重 於 多 媒 體 的 表 現 , 終 能 打 敗 了 Palm 一 躍 而 成 為 掌 上 型 電 腦 的 龍 頭 。

PDA 也 隨 著 時 代 的 演 進 也 加 入 了 許 許 多 多 不 同 的 功 能 模 組 如:GPS、GSM 或 是 DVT 等 等 , 由 於 CPU 的 效 能 不 差 , 體 積 輕 薄 。 已 成 為 商 務 上 班 族 的 隨 身 攜 帶 的 第 二 部 PC。

3.1.2 WinCE

微 軟 為 了 搶 攻 PDA 市 場 很 早 就 推 出 了 WinCE 系 列。在 觀 察 WinCE 的 特 徵 時。

仍 應 視 WinCE 為 全 新 設 計 之 作 業 系 統 。

WinCE 與 微 軟 其 他 Desktop 作 業 系 統 上 的 不 同 為 : 1. 精 簡 資 源 需 求 , 可 以 在 極 少 的 硬 體 資 源 下 運 行 。 2. 更 好 的 電 源 管 理 模 式 , 可 在 輕 巧 下 運 行 相 當 的 時 間 。

(27)

3. 程 式 設 計 模 組 化 與 支 援 多 種 CPU, 可 在 不 同 的 應 用 環 境 下 運 行 。

4. 先 佔 式 多 工 核 心 設 計,可 解 決 即 時 作 業 系 統 中,位 階 倒 置 (Priority Inversion) 問 題 。

由 於 與 桌 上 型 作 業 系 統。有 許 多 核 心 上 之 改 革 讓 WinCE 更 能 增 強 即 時 作 業 能 力 也 較 能 滿 足 嵌 入 式 系 統 對 作 業 系 統 之 需 求 。 以 期 符 合 市 場 的 潮 流 與 走 向 , 提 高 產 品 的 可 攜 性 與 實 用 性 , 使 智 慧 型 嵌 入 式 電 腦 更 貼 近 人 們 的 生 活 。

3.2 地理資訊系統 地 理 資 訊 系 統 地 理 資 訊 系 統 地 理 資 訊 系 統

地 理 資 訊 系 統 ( Geographic Information System, 簡 稱 GIS) 是 一 門 綜 合 的 學 科 , 它 的 領 域 涵 蓋 廣 泛 , 為 需 用 到 空 間 分 析 技 術 的 不 同 研 究 領 域 之 總 稱 ; 並 不 是 一 個 獨 立 的 研 究 領 域。而 其 共 同 的 基 礎 則 是 如 何 測 量、繪 製 地 圖,並 且 進 行 定 位 。

本 論 文 裏 面 討 論 的 座 標 系 統 可 分 為 二 種 , GPS 所 使 用 的 座 標 系 統 為 橢 球 座 標 系 統 ;另 一 種 為 卡 氏 座 標 系 統 。 以 下 將 對 兩 種 座 標 系 統 作 介 紹 。

3.2.1 卡氏座標系統

卡 氏 座 標 系 統卡 氏 座 標 系 統卡 氏 座 標 系 統 (((( Cartesian coordinate system)))

由 法 國 學 者 笛 卡 兒 (1596-1650)名 字 所 命 名 的 卡 氏 座 標 是 由 相 交 的 多 組 平 行 線 組 構 成 如 網 格 般 的 座 標 系 統 , 可 於 多 維 空 間 中 , 以 一 組 數 字 來 描 述 出 特 定 點 的 位 置 。 在 此 系 統 中 以 地 球 球 心 為 原 點 。 以 Z 軸 為 地 磁 北 方 , X 軸 指 向 經 度 0 度 , Y 軸 則 與 X、 Z 軸 互 相 垂 直 。 此 座 標 系 統 因 為 方 便 計 算 , 只 要 取 出 任 意 兩 點 即 可 依 幾 何 原 理 計 算 出 直 線 距 離

3.2.2 橢球座標系統

橢 球 座 標 系 統橢 球 座 標 系 統橢 球 座 標 系 統 (Ellipsoid coordinate system)

橢 球 座 標 系 統 同 樣 也 是 利 用 地 球 球 心 為 原 點 。 但 其 三 軸 分 別 為 經 度 (longitude)、 緯 度 (latitude)與 高 度 (height)來 描 述 特 定 點 位 置 。 此 座 標 系 統 廣 泛 應 用 於 地 圖 測 量 、 繪 製 、 定 位 上 。

地 球 是 一 個 不 規 則 橢 圓 球 體 , 為 了 使 測 量 、 描 繪 地 圖 時 有 一 個 共 同 的 標 準 可 以 參 照 , 因 此 運 用 數 學 方 式 計 算 出 許 多 不 同 的 標 準 橢 圓 球 體 , 稱 之 為 大 地 基 準

( Datum) 。

(28)

λ ϕ

圖 3.1 卡 氏 座 標 與 橢 球 座 標 關 係 圖

世 界 測 量 座 標 系 統 ( World Geodetic System, WGS84) 是 目 前 世 界 上 通 用 的 座 標 系 統 , GPS 亦 使 用 此 種 座 標 系 統 。 與 新 一 代 大 地 基 準 TWD97 採 用 國 際 上 的 GRS80(Geodetic Reference System 1980)橢 球 體 大 小 兩 者 可 說 相 同 。 而 台 灣 地 圖 資 料 則 是 使 用 虎 子 山 大 地 基 準 ( TWD67) 。 TWD67 大 地 基 準 採 用 的 參 考 橢 球 體 為 1967 年 國 際 大 地 測 量 及 地 球 物 理 學 會 (IUGG)公 佈 之 國 際 地 球 原 子 , 稱 為 GRS67 橢 球 體 (Geodetic Reference System 1967),若 以 這 兩 套 座 標 系 統 比 較 台 灣 地 理 中 心 碑 位 置 則 TWD67 與 WGS84, 地 理 中 心 碑 的 位 置 誤 差 達 到 200 公 尺 。

表 3.1 台 灣 地 理 中 心 碑 以 不 同 大 地 基 準 測 量 之 經 緯 度 大 地 基 準

大 地 基 準 大 地 基 準

大 地 基 準 經 度經 度經 度經 度 緯 度緯 度緯 度緯 度

WGS84 120∘ 58’55.34848”E 23∘ 58’25.9269”N TWD67 120∘ 58’25.9750”E 23∘ 58’32.34”N

表 3.2 為 內 政 部 所 繪 製 地 圖 所 用 參 數 一 覽 表 [28],可 知 我 國 繪 製 地 圖 所 使 用 參 考 方 式 , 以 下 將 解 釋 各 參 數 的 定 義 。

(29)

表 3.2 台 灣 地 圖 參 數 定 義 表 種 類

種 類 種 類

種 類 台 灣 地 區 地 形 圖 圖 名圖 名

圖 名圖 名 二 萬 五 千 分 之 一 地 形 圖 地 區地 區

地 區地 區 台 灣 本 島 、 綠 島 、 蘭 嶼 及 澎 湖 離 島 比 例 尺

比 例 尺比 例 尺

比 例 尺 1/25,000 幅 數

幅 數 幅 數

幅 數 263 幅 圖 幅 大 小

圖 幅 大 小 圖 幅 大 小

圖 幅 大 小 南 北 7’30”

東 西 7’30”

高 程 高 程 高 程

高 程 台 灣 基 隆 平 均 海 水 面 為 零 公 尺 起 算

平 面 控 制 平 面 控 制 平 面 控 制 平 面 控 制

採 用 聯 勤 總 部 測 量 署 民 國 69 年 檢 檢 測 三 角 點 成 果,以 南 投 縣 埔 里 鎮 虎 子 山 三 角 點 為 原 點,或 採 用 新 國 家 座 標 系 統 1997 台 灣 大 地 基 準 (TWD97)

地 理 座 標 地 理 座 標 地 理 座 標

地 理 座 標 虎 子 山 三 角 點 東 經 120∘ 58’25.9750”北 緯 23∘ 58’32.3400”

投 影 投 影 投 影

投 影 橫 式 麥 卡 脫 投 影 , 經 差 二 度 分 帶 , 中 央 經 線 121∘

經 緯 度 座 標 系 是 一 種 球 面 座 標 系 , 並 不 能 夠 直 接 用 來 表 示 平 面 的 地 圖 , 故 需 要 透 過 一 定 的 數 學 方 法 將 這 樣 的 球 面 座 標 投 影 到 二 維 平 面 。 此 一 步 驟 被 稱 為 「 地 圖 投 影 」 。 因 為 地 球 並 不 是 一 個 完 美 的 球 體 , 有 許 多 凹 凸 或 是 變 形 。 隨 著 精 密 測 量 的 需 要 因 此 也 發 展 出 不 同 的 投 影 法 來 適 應 地 球 不 同 的 地 區 需 要 , 另 一 方 面 , 對 於 任 何 一 種 對 地 球 表 面 的 即 投 影 法 都 會 在 形 狀 、 面 積 、 距 離 , 或 者 方 向 上 產 生 變 形 , 不 同 的 投 影 產 生 不 同 的 變 形 , 每 一 種 投 影 都 有 其 各 自 的 適 用 的 場 合 , 即 使 是 同 一 個 地 球 模 型 , 不 同 的 投 影 方 法 得 到 的 平 面 座 標 也 就 不 會 一 樣 。 由 於 台 灣 地 區 位 處 中 緯 度 , 幅 員 呈 南 北 狹 長 。 故 我 國 採 用 的 是 橫 向 麥 卡 脫 投 影 法 (Transverse Mercator Projection) 2 度 分 帶 , 簡 寫 為 TM2。 橫 向 麥 卡 脫 投 影 法 屬 於 正 形 投 影 , 變 形 量 小 其 長 度 誤 差 較 小 。

由 於 GPS 採 用 的 WGS84 與 內 政 部 制 定 的 地 圖 資 料 有 上 述 的 誤 差 。 因 此 需 要 藉 著 數 學 模 式 來 進 行 座 標 轉 換 的 工 作,以 便 將 GPS 接 收 到 的 座 標 正 確 無 誤 投 射 在 地 圖 上 , 圖 3.2 為 轉 換 步 驟 。

(30)

圖 3.2 WGS84 轉 換 TWD67 步 驟 示 意 圖 1. 橢 球 座 標 轉 換 卡 氏 座 標橢 球 座 標 轉 換 卡 氏 座 標橢 球 座 標 轉 換 卡 氏 座 標橢 球 座 標 轉 換 卡 氏 座 標

WGS84 是 利 用 衛 星 所 量 測 的 地 球 質 心,加 上 地 理 位 置 參 考 點 所 描 述 的 地 球 地 理 特 性 。 採 用 經 度 (φ )、 緯 度 (λ )與 幾 何 高 度 (h)來 表 示 一 地 理 上 實 際 位 置 。 與 現 今 多 數 軟 體 所 採 用 的 卡 氏 直 角 座 系 統 (Cartesian coordinate system) 不 盡 相 同 。 因 此 需 要 藉 著 數 學 模 式 來 進 行 座 標 轉 換 的 工 作 。

(31)









× +

×

×

× +

×

× +

=





ϕ λ ϕ

λ ϕ

sin ) (

sin cos ) (

cos cos

) (

2 2

h a N

b h N

h N

Z Y X

(3.1)

其 中

ϕ ϕ 2 2

2 2

2

sin cos b a

N a

+

= (3.2)

橢球體的短軸 橢球體的長軸

球心到地表的距離 的高度

緯度 經度

=

=

=

=

=

=

b a N

GPS h

λ ϕ

表 3.3 大 地 基 準 定 義 橢 球 體 形 狀 參 數 定 義 大 地 基 準

大 地 基 準大 地 基 準

大 地 基 準 參 考 橢 球 體參 考 橢 球 體參 考 橢 球 體參 考 橢 球 體 長 半 徑長 半 徑 (a) 長 半 徑長 半 徑 短 半 徑短 半 徑短 半 徑短 半 徑 (b) 扁 率扁 率扁 率扁 率 (f) WGS84 WGS84 6378137.000m 6356752.3142m 1/298.257223563 TWD67 GRS67 6378169.000m 6356774.7192m 1/298.25

2. 基 準 面 轉 換基 準 面 轉 換基 準 面 轉 換 基 準 面 轉 換

由 於 WGS84 座 標 系 統 與 GRS67 座 標 系 統 是 採 用 兩 個 不 同 基 準 點 的 參 考 橢 球 體,將 不 同 參 考 橢 球 體 之 間 的 座 標 予 以 互 相 轉 換 及 應 用。就 稱 為 基 準 面 轉 換 。 有 許 多 數 學 模 式 可 供 利 用 , 其 中 以 七 參 數 Bursa-Wolf 數 學 模 式 在 理 論 上 為 最 精 確 的 方 式,但 由 於 無 法 計 算 尺 度 因 子 變 量、測 量 誤 差、實 際 地 形 的 變 形 量 , 所 以 無 法 達 到 理 論 上 的 要 求 但 此 法 可 以 決 定 平 均 尺 度 與 旋 轉 參 數 , 仍 為 國 內 許 多 測 量 應 用 上 的 轉 換 模 式 。 七 參 數 轉 換 公 式 如 下 :

) 1 ( 1 1 1

84 84 84

84 84 84

67 67 67

S z

y x

z y x

z y x

x y

x z

y z

+

÷













=





ε ε

ε ε

ε ε

(3.3)

根 據 八 十 六 年 內 政 部 「 二 等 衛 星 控 制 點 測 量 平 差 工 作 」 工 作 報 告 其 各 項 轉 換 係 數 如 表 3.4 所 示

(32)

表 3.4 七 項 參 數 內 容 定 義 參 數 項

參 數 項 參 數 項

參 數 項 參 數參 數參 數參 數 參 數 值參 數 值 參 數 值參 數 值 尺 度 參 數 S 0.99998180

x 750.739m

y 359.515m 平 移 參 數

z 180.510m εx 0.00003863 εy 0.00001721 旋 轉 參 數

εz 0.00000197

3. 卡 氏 座 標 轉 換 橢 球 座 標

因 為 橫 向 麥 卡 脫 投 影 法 是 利 用 橢 球 座 標 經 過 數 學 模 式 直 接 轉 換 , 因 此 需 將 GRS67 卡 式 座 標 轉 換 為 橢 球 座 標













− +

=





p N X Y a e p

b e Z

h

ϕ

θ θ λ

ϕ

cos tan

cos tan sin

1 3 2

3 2 1

(3.4)

其 中

P= X2 +Y2 (3.5)

2 2 2 2

a b e a

= (3.6)

橢球體的短軸 橢球體的長軸

球心到地表的距離 的高度

緯度 經度

=

=

=

=

=

=

b a N

GPS h

λ ϕ

4. 橢 球 座 標 投 影 至 平 面 座 標 麥 卡 脫 投 影 法 的 數 學 模 式 如 下 :

參考文獻

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