中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

無線溫度感測器節點之設計

Design of Wireless Simple Node with a Temperature Sensor

系 別：電機工程學系碩士班 學號姓名：E09601017 李慶淵 指導教授：莊添民博士

中 華 民 國 100 年 1 月

摘 要

隨著科技的進步，對於環境的指數變化監測也越重視，在家庭自動化方面，

為了能做到節能減碳的目的及居家的安全，家庭導入自動化環境監測有其必要。

在室內溫度及濕度方面，以往的作法，都是憑藉個人對溫度及濕度的感受進行之 間的調節，因為未能多區域的溫度及濕度監控，造成空調多餘的浪費及地球資源 的消耗，更增加二氧化碳的排放量，造成溫室的效應。目前家庭自動化的發展趨 勢在整合多種感測器（溫度、濕度、紅外線、光亮度及霍爾感測器），使其可達 到全面監控的目的，搭配其他家庭電器，可達成家庭自動化及安全控制。

本論文將發展重點擺在無線溫度感測器節點之設計，此節點係以 Nordic nRF24LE1 為核心處理器並藉由本身的 RF transceiver 進行數據的傳輸，其傳輸 頻段為ISM 2.4GHz，不需特別申請無線頻率使用執照，並搭配 Dallas 之 DS1821 溫度感測器。兩者皆為低功率消耗之IC，功率消耗在發射模式為 14.7mW，而在 待機模式只有 9uW，因此本系統可大大延長其使用時間，且傳輸距離亦可達 20 公尺以上。

關鍵字:無線節點、nRF24LE1 處理器、DS1821溫度感測器，傳輸距離

ABSTRACT

As technology advances, changes in the environment monitoring index the more attention, in the home automation, in order to achieve the purpose of saving energy and reducing carbon and home security, home automation into environmental monitoring is necessary. Indoor temperature and humidity, past practice, all with individual pairs of temperature and humidity of the feelings between the adjustment for because it can not multi-region temperature and humidity control can be achieved by a comprehensive monitoring purposes with other home appliances, can reach home automation and security control. The trend of home automation is on the integration of multiple sensors (temperature, humidity, infrared, light intensity and Hall sensors), so that it can achieve the full purpose of monitoring, along with other household electrical appliances, the requirement of digital life and home security can be fulfilled.

This thesis focuses on the design of wireless simple node with temperature sensor.

Our simple node uses Nordic nRF24LE1 core processor with its own RF transceiver for data transmission. The transmission spectrum is in the ISM band,2.4GHz, to avoid special licenses for radio frequency use. The companion temperature sensor is Dallas DS1821. Since both ICs are low power consumption, the power are 14.7mW and 9uW on Tx mode and standby mode respectively. This will fully extend its usage time and in the meantime, the transmission distance is over 20 meters.

Keywords: Sensor, RF transceiver, Simple Node, nRF24LE1, DS1821

致謝

本論文的完成，首先要感謝我的指導教授莊添民博士，當初提供了一顆 Nordic 的 RF IC，確定了日後的論文題目及研究方向。在研究過程中，莊老師給 予相當多的指導：論文的架構、天線的原理及如何匹配與量測，受益良多，也開 啟個人對於RF 方面的興趣及應用。同時也要感謝口試委員：聯合大學辛錫進副 校長及宋志雲教授給予論文的編排及內容的指導。

另外感謝Nordic IC 之台灣代理商貝倫企業股份有限公司胡文良協理、馬興 忠、林明宏及鄧育恩經理的協助，除了提供相關儀器借予量測外，在印刷式天線 的layout 及除錯方面也給予相當大的幫忙，更提供相關應用給予參考。最後感謝 我周遭的同學、朋友給予的協助及指導，讓我的論文可以完成，順利取得碩士學 歷。

目錄

第一章 序論...1

1-1 研究背景與動機 ...1

1-2 研究目的 ...2

1-3 研究步驟與流程 ...3

第二章 家庭自動化與 IEEE802.15.4/Zigbee 之介紹...4

2-1 家庭自動化之定義 ...4

2-2 家庭自動化之目的 ...4

2-3 家庭自動化之影響 ...5

2-4 IEEE802.15.4 之規範...6

2-5 ZigBee 之規範及應用 ...10

第三章 無線溫度感測器系統架構原理與設計...15

3-1 系統架構 ...15

3-2 nRF24LE1 RF IC 規格及方塊圖...16

3-3 感測器之種類及規格 ...20

3-4 硬體規劃 ...24

3-5 韌體規劃 ...26

第四章 天線匹配與系統數據量測...29

4-1 天線設計與模擬 ...29

4-2 無線溫度感測系統完成 ...31

4-3 無線發射功率與阻抗量測 ...37

4-4 系統功率消耗 ...41

第五章 結論...42

5-1 分析討論 ...42

5-2 系統之延伸及未來之應用 ...42

參考文獻...44

表目錄

表2-1 無線感測網路平台系統硬體性能比較表 ...13

表3-1 nRF24LE1 工作模式設定表 ...19

表3-2 nRF24LE1 電氣特性表 ...19

表3-3 熱電偶溫度計之分類 ...21

表3-4 DS1821 電氣特性表 ...23

表4-1 溫度與資料對照表 ...36

表4-2 系統功率消耗 ...41

圖目錄

圖1-1 研究步驟與流程 ...3

圖2-1 IEEE 802.15.4 的 Superframe 架構示意圖...8

圖2-2 ZigBee 各層示意圖 ...11

圖2-3 無線感測器網路 ...12

圖3-1 無線感測器系統架構圖 ...15

圖3-2 nRF24LE1 方塊圖 ...17

圖3-3 nRF24LE1 RF Transceiver 方塊圖...17

圖3-4 nRF24LE1 RF Transceiver 控制狀態圖...19

圖3-5 DS1821 Package...23

圖3-6 System Schematic...24

圖3-7 Wireless Sensor PCB Layout...25

圖3-8 韌體流程規劃 ...26

圖3-9 DS1821 溫度感測器初始化時序圖 ...27

圖3-10 DS1821 溫度感測器初始化實際控制時序圖 ...28

圖4-1 天線設計製作流程 ...29

圖4-2 ADS 2.4GHz schematic...30

圖4-3 ADS 2.4GHz dB（S（1,1））阻抗匹配模擬...30

圖4-4 無線溫度感測器系統全圖 ...31

圖4-5 無線溫度感測器 SMA 測試板...32

圖4-6 無線溫度感測器測試板 ...33

圖4-7 邏輯分析儀量測 ...34

圖4-8 無線感測器溫度傳輸測試 ...35

圖4-9 UART 顯示溫度資訊...36

圖4-10 DS1821 溫度數位波形 ...36

圖4-11 0dBm 印刷式天線發射功率量測...37

圖4-12 0dBm SMA 阻抗匹配量測 ...38

圖4-13 0dBm SMA 發射功率量測...38

圖4-14 0dBm SMA S（1,1）...39

圖4-15 0dBm SMA Smith Chart...40

第一章 序論

1-1 研究背景與動機

隨著電子電機、資訊傳輸、自動控制及無線傳輸技術不斷的進步，數位化的 控制技術也由原來的3C 產品逐漸轉向家庭。由於所得不斷提高，人們為提升生 活的品質及方便性，致使各大廠紛紛投入到數位家庭的領域。各區域市場的相關 業者皆成立數位家庭聯盟組織，制定共同的通訊技術標準，目前全球較具主導性 的技術規格有美國地區的 UPnP / SCP 標準與 LowWorks 標準，日本地區的 ECHONET 標準，歐洲地區的 KNX 標準，及中國大陸地區的閃聯（IGRS）標 準，而台灣也有系統廠所組成類似的組織，名稱為（SAA Smart Appliance Alliance，智慧家電產業）。這些規格主要在於控制端，但若少了感測器端所提供 的環境資訊，控制端就無法完美的運作，來達到人們舒適及方便的要求。在適當 的地方擺置適當的無線感測器，就可提供當時環境的資訊，例如：溫度、濕度、

亮度及空氣的品質指數。將上述的環境指數透過無線的方式傳送到中央微處理 機，在收到多樣的資訊後，可以依照個人設定的舒適模式進行主動的控制。採用 無線傳輸的方式，可省去佈線的不方便。無線傳輸如採用ISM 2.4GHz 的頻段，

無須申請使用執照，且無線為無方向性的傳輸，較不受空間阻隔，因此不需建置 多組的接收器。在環保觀念的抬頭，人們也愈重視能源的節省，佈置無線感測器，

可隨時監控當時的環境變化，配合中央微處理機的控制，可達到最佳的控制，若 在無人的情況，甚至可關閉相關的家電，以期達到節省能源的要求，達到節能減 碳的目的。

1-2 研究目的

因應數位化生活，為能夠達到完美及有效率的控制，需搭配無線感測器部署 在適當的位置，透過無線感測器的模組將所要的環境資訊傳遞給主要控制器。由 於無線的技術日新月異，除了體積縮小及耗電量大幅下降外，更可解決傳統佈線 方式的不方便性，且使用的場合及位置也會更具彈性。

感測器網路早於1993 年由日本 Hitachi 公司即提出應用於下水道監測系統，

然受限於訊號讀取線路的配置及感測器設置問題，使得此一技術之應用僅限於廠 房或是特定區域等可應用高成本監測儀器的場所之中，直至2000 年由 U.C.

Berkeley 提出以無線傳輸為基礎的無線感測器網路，其應用的潛能拜近年來無線 通訊技術進步之賜而迅速成長，包含如大規模之環境監測、建築結構物的結構監 測、個人健康情況之監控與智慧生活空間中的環境與健康量測等。在可預見的未 來，無線感測網路將無所不在的融入於日常生活之中，提供更舒適且更安全的生 活環境。

本研究之目的與範疇在無線溫度感測器節點之設計，概述如下：

（1）無線溫度感測器節點之規劃

（2）硬體及天線設計

（3）軟體之開發

（4）系統功耗及無線傳輸之相關量測

1-3 研究步驟與流程

本研究根據研究背景及動機，引導出研究目的，進一步規劃研究步驟與流 程。流程圖如圖1-1 所示。

文獻及當前技術發展之探討

低功耗無線傳輸晶片之使用評估

硬體及軟體之發展

無線感測器之驗證及數據量測

結論及未來之發展 圖1-1 研究步驟與流程

第二章 家庭自動化與 IEEE802.15.4/Zigbee 之 介紹

2-1 家庭自動化之定義

所謂「家庭自動化」（Home Automation）是透過 E-Home 或 D-Home 的建 置，來達到智慧化生活的目的。家庭自動化系統主要以一個中央處理機，透 過無線、有線或匯流排的方式，接收來自各方的感測器或電子產品傳送的訊 息，例如：溫度、濕度、亮度或由鍵盤、觸控螢幕、遙控器及電信設備，經 過程式的運算後再將控制指令傳送到指定的家電產品或系統。例如：照明、

冷暖空調、家庭劇院及居家保全..等控制。

2-2 家庭自動化之目的

科技始終來自於人性，人類為追求更舒適及方便的生活，不斷地發明及 創新各項產品來滿足人類的需求。人類對於居家生活的要求主要可分為以下 幾類：

（1）便利性：家庭自動化的重要目標為便利，例如：窗戶在某些條件下開關 閉、室內空調的開啟、寵物的餵養、戶外溫、濕度的資訊回報..等，皆 可以設法使其自動化。

（2）舒適性：居家中，溫、濕度可視為舒適的指標項目。以目前家庭使用的 空調的設計：溫度感測器裝設在室內機迴風口處，需等到該空間的溫度 到達設定值後才會停止壓縮機運作，且出風口導板也是屬於固定頻率轉 動方式，若要單點固定吹風，需改為人工方式控制。若是改為佈置多點

無線感測器的方式，空調可以智慧化方式進行控制，迅速達到舒適的要 求。

（3）安全監控：傳統的居家保全的建構方式：須先確定所要放置保全感測 裝置（煙霧偵測、磁簧開關、紅外線、震動趕測元件）的位置，當位置 確定後，須佈置所謂的訊號明線或走暗管形式，將所訊號線彙集至中央 的控制器，除了工時以外，有線傳輸線的成本也是相當可觀，且感測器 及中央控制器的位置無法任意更動。使用無線感測器可解決上述的種種 問題，是為一理想之保全監控方式。另外火災的公安事件也是層出不 窮，「消防法規」中第十九條及地二十一條分別提到裝設火警自動警報 設備及設置瓦斯漏氣火警自動警報備，此法規適用於新的建築，但不溯 及既往，故舊式建築成為公安的一個漏洞。另外佈置有線的警報相關偵 測因其施工不便，也成為民眾裹足不前的原因。倘若改為使用無線感測 器的方式，因其施工簡易，一般民眾即可施做，將可大大提高裝設的比 例，降低火災造成的人員傷亡及財物損失。

（4）居家看護：台灣逐漸步入高齡化社會，銀髮族的健康也成為居家看護的 重要項目。老年人行動較不方便且反應較慢，若發生緊急事故，有時無 法在第一時間處理妥善。若配戴無線的生理感測器或緊急求救器，當生 理出現較大變化時，可主動通知相關單位或家人進行關切或緊急救護。

2-3 家庭自動化之影響

（1）改變人類生活的習慣：在居家環境的變化指數，不再藉由人體的感覺再 進行控制，而是透過感測器的佈置及微處理機的控制單元進行調整與控 制，使居家的舒適度、方便性達到最佳的狀態。

（2）改變人類工作的型態：拜網路發達及雲端技術所賜，現今工作不再侷限 在辦公室，在家即可處理龐大業務，達到SOHO 的便利性。

（3）刺激產業升及產業鏈的擴大：

a.建築業的升級：除了本身的硬體外，加入更多智慧化的控制，例如：

某建商推出的二代宅，整合數位產品以及住宅的使用性，不只讓數位 生活侷限於家中數位家電的應用，更包含了線上學習、醫療、娛樂、

宅配、團購等更多的貼心生活服務。上網的設備，不再只限制在電腦 上，而且還延伸到電視、影音家電產品、冰箱、冷氣機、洗衣機、電 話上，再搭配新一代的IP 技術 IPV6，配合數位設備的整合，提供各 式實用的服務，使得生活也變得更加安全、便利、有效率。

b.居家保全: 隨著社會的發展，保全科技的應用範圍也更加擴大，可針 對不同的需求，導入更多科技化、智慧型的保全系統，且保全領域已 由傳統的居家安全、商業活動，逐漸發展至行動物體，如：財物、老 人、小孩、車子等。透過無線感知器、IP Camera 的建構，在外即可 透過電信網路監控居家的狀況或進行相關設備的遙控。

2-4 IEEE802.15.4 之規範

一般無線感測器網路系統架構是先將大量的感測器(Sensor Nodes)散佈在待 感測區域來蒐集各種環境資料，再藉由無線網路將蒐集的資訊透過無線資料蒐集 器傳回給管理者或使用者手中。由於感測器可能在任意散佈的環境下使用，每個 感測器並不知道自己與其他感測器的相對位置，因此感測網路必須使用自我組態 (self-organization)的協定，將感測器之間自動組織出一個通訊網路，使得所有感 測區域中的感測資料皆能透過自我組態所建立的網路，將資料送到無線資料蒐集 器。

IEEE 802.15.4（又稱 LR-WPAN，Low-Rate Wireless Personal Area Networks），

IEEE 802.15.4 被認為可以作為支援無線感測器間通訊的一套規範。在 IEEE 802.15.4 網路中，一個裝置可以是一個簡化功能裝置（Reduced-Functionality Device；RFD）或是一個全功能裝置（Full-Functional Device；FFD）。全功能裝

置可使用於任何網路拓撲，它可能與任何其他裝置通訊，並可成為網路協調者

（PAN Coordinator）；簡化功能裝置不能成為網路協調者，且通常僅和一個全功 能裝置通訊，但是簡化功能裝置在實作上很簡單且價格較便宜。通訊於同一實體 層頻道中的一個個人操作空間（Personal Operating Space；POS）內的兩個或是 兩個以上的裝置會構成一個無線個人區域網路（Wireless Personal Area Network；

WPAN），但是一個網路中必須包含至少一個全功能裝置以作為個人區域網路之 協調者。

LR-WPAN 制訂了三種不同的頻率操作頻帶，共 27 個無線頻率頻道。這三 個頻帶分別為868 MHz、915 MHz、以及 2.4 GHz，其中 915 MHz 和 2.4 GHz 頻 率操作頻帶屬於免執照的工業、科學和醫學用頻帶。而以下將對此規範中之資料 鏈結層協定做一個簡單的介紹。

（1）Superframe 架構

在 LR-WPAN 的規範中，Superframe 的格式是由網路的協調者來定義的。

Superframe 的時間長短就是為協調者所發出的 Beacon 時間間隔(Beacon interval)，一個 Superframe 可以再細分為活動區間(Active portion)跟閒置區 間(Inactive portion)，而活動區間又可以再細分為 16 個小的相同大小的時 槽，並且這16 個時槽又可以分為競爭區間(Contention-Access Period；CAP) 以及免競爭區間(Contention-Free Period；CFP)，協調者只在活動區間和個 人區域網路中的裝置互相收送資料，而在閒置區間則可以進入省電模式以 減少電源消耗。對於協調者以外的裝置來說，它們在沒有資料要傳送時可 以進入省電模式。Superframe 示意圖如上圖 2-1 所示。

Beacon 訊框在第一個時槽傳送，如果網路協調者不希望使用 Superframe 也 可以不傳送 Beacon 訊框。Beacon 訊框的目的有裝置同步、宣告 PAN 的存 在、通知網路中的其他節點告知有暫存的封包存於網路協調者以及告知 Superframe 的結構。當任何裝置欲在競爭區間跟協調者溝通必須使用時槽型 之CSMA/CA 的機制來爭取傳送的機會。如果有些應用必須要保障較低的延

遲時間或是要求固定的傳輸速率，網路協調者亦可以給予一個固定時槽 (Guarantee Time Slot；GTS)供這些應用程式使用。免競爭區間是由數個 GTSs 組成，一個網路協調者最多可以分派七個固定時槽，而每個固定時槽的大小 可以是數個時間槽。

Superframe 的結構由 Beacon 訊框中包含的資訊來決定，Beacon Order(BO) 決定Beacon 發送的間隔，而 Superframe Order(SO)則決定活動區間的長短，

SO 及 BO 的值皆為[0,14]間之整數，且 SO≦BO。當 SO=15 時，代表不使用 Superframe 的架構。如果裝置有要求要使用固定時槽傳輸資料並且亦通過協 調者的同意，在Beacon 訊框裡亦會告知裝置他們可以使用的固定時槽。

圖2-1 IEEE 802.15.4 的 Superframe 架構示意圖

（2）資料傳輸模型 (Data transfer model)

在 LR-WPAN 中共定義了三種資料傳輸的模型：a.資料由裝置送給網路協調 者，b.資料由網路協調者送給裝置，c.資料於裝置間對等傳輸(Peer-to-Peer)。

星狀拓撲網路的資料傳送方式只有可能是前兩者；對等拓撲網路的資料傳送 方 式 則 三 種 者 有 可 能 。 在 LR-WPAN 中 採 用 的 媒 體 存 取 方 法 是 slotted/unslotted CSMA/CA 通訊協定，在星狀拓撲網路中若協調者有傳送

Beacon 訊框(Beacon-enabled 的網路，用以支援需要等待潛伏時間的裝置和 應用)則收送資料時用 slotted CSMA/CA 通訊協定，反之則用 unslotted CSMA/CA 通訊協定；對等拓撲網路則可以簡單的使用 unslotted CSMA/CA 通訊協定，如欲使用slotted CSMA/CA 通訊協定則必須在收送裝置兩端間先 達到同步才可以辦到。以下就開始對三種資料傳輸模型做一介紹。

a.資料由裝置送給網路協調者

資料由裝置送給網路協調者的流程主要是用兩向交握(two-way handshaking) 的方法，送端用slotted/unslotted CSMA/CA 通訊協定送資料給網路協調者，

接下來網路協調者回以回覆(ACK)訊框(非必須的，使用時則為兩向交握的 方法)。

b.資料由網路協調者送給裝置

不同於上述之方式，資料由網路協調者送給裝置是以四向交握(four-way handshaking)的方式傳輸，收端裝置要先發個命令訊框訊息向網路協調者要 資料，網路協調者再回以ACK 訊框後會將暫存的資料傳送給收端裝置(如果 沒暫存資料則回一個空的資料，即payload 長度為零的訊框給收端裝置)，收 端裝置再回以回覆訊框。

在 Beacon-enabled 的網路中，當網路協調者要送一筆資料給裝置時，網路協 調者會在發出去的Beacon 裡頭夾帶訊息告知該裝置；而在非 Beacon-enabled 的網路中，裝置必須要定期的問協調者有沒有資料要給它。

c.資料於裝置間對等傳輸

在對等的 WPAN 中，每個裝置可能直接和傳輸範圍內的其他裝置進行通訊。

為了要能更有效率的傳輸資料，想要傳輸資料的裝置則要一直保持活動 (active)模式不斷等待接收資料，或是要彼此間能夠同步。在前者的例子中，

裝置可以簡單的使用非時槽型的CSMA/CA 機制去傳送資料，而在後者的例

子中，如何達到同步則超出LR-WPAN 標準制訂的範圍。

（3）CSMA/CA 機制

LR-WPAN 依據網路的設定使用兩種型態的頻道存取機制，其一為非時型 之CSMA/CA，另一種為時槽型之 CSMA/CA。非時槽型之 CSMA/CA 類似 於IEEE 802.11 的 CSMA/CA。每當一個裝置資料訊框或是命令訊框要傳送 時，它必須等待一個隨機產生的亂數期間，當等待時間結束後，如果這時 頻道沒有被使用，根據random backoff 機制，該裝置可以開始傳送資料；

如果這時頻道是忙碌的，根據random backoff 機制，該裝置在嘗試去使用 頻道前必須再次等待另一個隨機產生的亂數期間。而使用於Beacon-enabled 網路裡之時槽型CSMA/CA 機制則較為不同，當裝置們收到網路協調者所 發出的 Beacon 後，他們會將退後時槽(backoff slot)對準 Beacon 發出的時 間。在競爭區間中每當一個裝置有資料訊框要傳送時，它必須先找出下一 個退後時槽的起始邊界，然後等待隨機產生的若干個退後時槽時間，當等 待的時間結束後，如果這時候頻道是忙碌的，根據random backoff 機制，

該裝置必須再次等待另一隨機產生的若干個退後時槽時間；如果這時頻道 沒有被使用，則裝置可在下一個退後時槽的起始邊界開始傳送資料訊框。

2-5 ZigBee 之規範及應用

（1）源由：ZigBee 是一種無線網絡協定，主要由 ZigBee Alliance 制定。2002 年 8 月，由英國 Invensys、日本三菱電器、美國 Motorola 及荷蘭 PHILIPS 公司共同發起成立 ZigBee 聯盟。在 2004 年底正式公布 ZigBee 1.0 標準版，當時參與的公司只有 10 多家，目前已發展有將 近兩百家公司及團體加入。

（2）概述：ZigBee 底層是採用 IEEE 802.15.4 標準規範的媒體存取層與實體

層。為滿足ZigBee 標準的產品工作在全球的免授權頻段，包括 ISM 2.4GHz、902 到 928MHz(美洲)和 868MHz(歐洲)。在 2.4GHz(16 個 通道)可以達到 250Kbps 的原始資料吞吐率，在 915MHz(10 個通道) 為40Kbps，868MHz(1 個通道)為 20Kbps。預計的傳輸距離為 10 公 尺到75 公尺，取決於輸出功率和環境參數。 主要特色有低速、低 耗電、低成本、支援大量網絡節點、支援多種網絡拓撲、低複雜度、

快速、可靠、安全。

（3）ZigBee 各層之介紹如圖 2-2：ZigBee 協定層從下到上分別為實體層（PHY）、 媒體存取層（MAC）、網絡層（NWK）、應用層（APL）等。網絡裝 置的角色可分為 ZigBee Coordinator、ZigBee Router、ZigBee End Device 等三種。支援網絡拓撲有 Star、Tree、Mesh 等三種。

圖2-2 ZigBee 各層示意圖

目前無線感測器網路平台架構可以分成三大層次圖 2-3 所示。第一為基礎節 點(Simple Node)，具備無線傳輸與感測器(Sensor)的感測能力，數量最多、散 布最廣、而耗能與運算能力也最低，用於大規模監控，因此，成本也最為低 廉；第二為進階節點(Super Node)，除了同樣具備通訊與感測環境能力外，還 負責管理Simple Node，並維護路由表，讓整個無線感測器網的通訊效率達 到最佳化；第三種為通用閘道(Universal Gateway)，目前設計為 USB 連結裝 置(Dongle)型式，只要插在電腦或聯網型嵌入式系統中，安裝對應的程式，

即可讓無線感測器網路的連接到網路上。使用者可以輕易的控制無線感測器 網路並即時監控資料，並進一步使短距離無線感測網路系統與長距離通訊系 統整合，擴大其應用面向。

圖2-3 無線感測器網路

在這三類硬體中，Simple Node 與 Super Node 都具有感測功能，但在通訊能 力上，Super Node 必須具備較高運算能力、可以處理較高資料流量。Universal Gateway 並不具備任何感測能力，其功能在於做為無線感測器網路與有線網 路間的橋梁，本身不會對蒐集到的資料進行太複雜的運算，資料的運算與紀

錄都由嵌入式系統或電腦處理。就電源供應方面，Simple Node 與 Super Node 會採取電池供電方式，但若Simple Node 耗電降到某個程度，則可採取環境 能量擷取(Energy Harvesting)的方式，藉由太陽、振動等能量，增加其運作時 間。而安裝 Gateway 的電腦或嵌入式系統，採取市電供應或採用 PoE(Power over Ethernet)技術，藉以省去電源線的布置成本，相關硬體的性能考量如表 2-1 所示。

無線感測網路平台系統硬體性能比較 種類＼硬

體性能

Sensor

能力 RF 電力供應 MCU

作業 系統

Simple Node

低速、

解析度 較低

802.15.4(10m)

低容量電池、

環境能量擷取 (<1mA)

8bit、低速、低 耗電介面: SPI、

I²C

無

Super Node

高速、

解析度 較高

802.15.4(10m)

高容量電池 (<10mA)

16bit、中速、中 低耗電介面:

SPI、I²C、UART 無、

TinyOS

Universal Gateway

無 802.15.4(10m) USB

8bit、中速，負 責指令與資料轉 遞

無

表2-1 無線感測網路平台系統硬體性能比較表

本論文的研究方向以Simple Node 的實現為主，目前 Simple Node 選擇方案 下列三種：

（1） 符合ZigBee 標準平台

（2） Bluetooth

（3） ISM Band 自有型（Proprietary）平台，如 Philips ,Nordic…等。

Nordic Semiconductor ASA，也就是原來的 Nordic VLSI ASA，是一家挪威的半導 體公司，專門致力於在無線通信和多媒體領域設計微晶片層解決方案。該公司在 高速資料轉換器和短距離無線通信方面是全球領導者。目前在無線滑鼠、鍵盤等 產品上，其市佔率約90%以上，其優點為低功耗及跳頻技術，為各家模組廠提供 完整的解決方案。

本論文基於功耗及應用的普遍性，採用Nordic nRF24LE1 RF IC 為主要架構。

第三章 無線溫度感測器系統架構原理與設計 3-1 系統架構

本論文主要重點在於 Simple Node 的研究，如前章所述我們採用低功耗之 Nordic nRF24LE1 RF IC 搭配 Dallas DS1821 Thermo sensor 及攜帶型電源，其系 統架構如圖3-1 所示。

3-1-1 發射端主要以 nRF24LE1 為核心，搭配 DS1821 溫度感測器，將所測的 之溫度透過數位訊號傳送至nRF24LE1，nRF24LE1 收到後再將其資料透過無 線方式傳送到接收端。

3-1-2 接收端為 nRF24LE1 Kit 及 nRF6900 Mother Board 構成，當接收到資料 後，可透過USB 或 UART interface 傳送到電腦。

nRF24LE1 nRF24LE1/nRF6900

Power DS1821

Power

PC

圖3-1 無線感測器系統架構圖

3-2 nRF24LE1 RF IC 規格及方塊圖

nRF24LE1 的主要特色如下

„ nRF24LE1+ 2.4 GHz transceiver (250 kbps,1 Mbps and 2 Mbps air data rates)

„ Fast microcontroller (8051 compatible)

„ 16 KB program memory (on-chip Flash)

„ 1 KB data memory (on-chip RAM)

„ 1 KB NV data memory

„ 512 bytes NV data memory (extended endurance)

„ AES encryption HW accelerator

„ 16-32bit multiplication/division co-processor(MDU)

„ 6-12 bit ADC

„ High flexibility I/Os

„ Serves a set of power modes from ultra low

„ power to a power efficient active mode

„ Several versions in various QFN packages:

4x4mm QFN24,5x5mm QFN32,7x7mm QFN48

„ Support for HW debugger

„ HW support for firmware upgrade.

nRF24LE1的方塊圖如圖3.2所示，其中核心RF transceiver的方塊圖如圖3-3所示。

圖3-2 nRF24LE1 方塊圖

圖3-3 nRF24LE1 RF Transceiver 方塊圖

RF transceiver運作方式遵循圖3-4 nRF24LE1 RF Transceiver 控制狀態圖，主要 分為以下幾種模式（mode）：

（1）Power down 模式：在此模式nRF24LE1在未開啟狀態以降低功耗。

（2）Standby 模式：共有Standby-I 及Standby-II兩種模式，Standby-I模式在 降低功耗凡同時也兼顧縮短啟動時間．在這模式，石英振盪源是開著 的．在Standby-II模式比Standby-I耗電（因PLL 也開著），但如有一新的 packet 進入Tx FIFO就可即時傳出去。

（3）Rx 模式：在此模式，接收機持續傳送資訊給基頻引擎(baseband protocol engine)。

（4）Tx 模式：在此模式，發射機持續傳出packet，直到傳完。

表3-1 描述了這幾種模式的設定方法．nRF24LE1在不同模式的功率損耗

（power consumption）可由表3.2計算出來。

圖3-4 nRF24LE1 RF Transceiver 控制狀態圖

表3-1 nRF24LE1 工作模式設定表

表3-2 nRF24LE1 電氣特性表

3-3 感測器之種類及規格

3-3-1 感測器之原理

感測器的基本原理為將欲量測之物理量或化學量，如壓力、濕度、溫度、長 度、速度、震動、聲音、PH 值及化學成分等，轉換成可記錄的形式，一般為 電訊號，再以資料擷取遺棄或半導體元件將此電訊號進行記錄、顯示或分析，

如下圖。如此可以取代人為知覺的判定，且可以搭配自動化的方式達到所需 之控制。

3-3-2 感測器種類

（1）基礎感測器：主要包含有壓力感測器、磁感測器，溫度感測器、影 像感測器、紅外線感測器、位置感測器及光感測器。

（2）生活用感測器：

（3）微電子產業用感測器

（4）產業機械用感測器

（5）環境感測器

（6）汽車產業用感測器

（7）醫學用感測器：電腦斷層影像感測器、血球計數感測器、陽離子感 測器、血壓感測器、超音波斷層感測器。

（8）工廠用感測器

3-3-3 溫度感測器之種類及原理

（1）熱電偶溫度計：由兩種不同材質的金屬或合金如表 3-3，利用居間物質定 律產生低電壓（mV 俗稱“電動勢＂）。依據電壓與溫渡之間的關係式來 判斷溫度。量測精度高，因熱電偶直接與被測物件接觸，不受中間介值影 響。

表3-3 熱電偶溫度計之分類

（2）電阻溫度計：為使用已知電阻隨溫渡變化之材料，市面上大都使用鉑製成，

故稱鉑電阻溫度計。在許多低於600℃的工業應用場合，逐漸取代熱電偶 溫度計。

（3）熱敏電阻溫度計：熱敏電阻是利用半導體材料製成的熱敏元件，屬熱電式 感測器的一種，因其電阻值會隨溫度快速變化，所以可以用以作為測量溫 度的工具。電阻對溫度變化的靈敏度高，可以應用於各領域。一般來說，

熱電偶的高溫線性較好，故適合用於高溫範圍的溫度檢測；但熱敏電阻則 適合於200℃以下的溫度測量，不適合高溫測量。

（4）光纖溫渡感測器：光纖溫度感測器主要是由光纖、感溫元件檢測元件所構 成。此外，為使整個溫度感測系統趨於完善，尚可加裝其他的電子設備，

如訊號處理器等。光纖溫度感測器依其感測原理可分為「本質型」及「外 質型」二類。外質型光纖感測器的光纖僅做為資訊的傳輸媒介；而本質型 光纖感測器的光纖不但是資訊的傳輸媒介，本身亦是感溫元件，利用光纖 及其被覆層材質的不同，當溫度變化所產生熱脹冷縮的效應將導致光路的 變化，藉此得知溫度的變化。此外，利用光譜技術可感測高溫環境中的溫

度，利用螢光技術可感測出低於攝氏400 度之溫度變化。

（5）IC 溫度計：透過半導體技術，將溫度感測半導體、ADC 轉換器、比較器、

正反器與控制器整合為單一包裝。透過1 wire 、I2C 或 SPI 的傳輸介面，

直接輸出數位訊號，使用者不需額外的電子元件搭配，即可取得該資料。

本論文即使用該類IC 溫度計。

3-3-4 DS1821 溫度感測器之原理及規格

DS1821是一顆由DALLAS公司出品的溫度sensor，解析度為1∘C，溫度範圍為 -55℃ ～+125℃，其內部包含溫度感測半導體、ADC轉換器、比較器、正反器 與控制器等。其腳位為VDD GND及DQ，其DQ輸出資料為8 bit 之數位訊號，

故可省去外部AD轉換的元件，使用上極為便利。DS1821 包裝如圖3-5所示。

DS1821 的操作模式：

（1）1 wire bus模式：

單線控制模式。當DS1821進入此模式時，使用者可以對DS1821下達指 令，包括設定DS1821各種功能，寫入資料或是讀出DS1821內部的暫存器 資料或是溫度資料。DS1821的資料都是存放在EEPROM中，因此使用者 不用擔心資料會因為停電後就會消失。

（2）自動調溫模式（thermostat mode）

此模式可以讓 DS1821 依據設定在 TH及 TL暫存器內的值，判斷溫度是 否高低於 TH，當溫度高於 TH，DQ 腳輸出為 High（條件是狀態暫存器 的 POL bit=1），然後維持這個狀態，直到溫度低於 TL的設定溫度時，

DQ 腳位電位會轉態為 Low 電位。如果狀態暫存器的 POL bit=0 時，則 狀態正好相反。那就是溫度高於TH時，DQ 腳輸出是 Low，然後維持狀 態，一直到溫度低於TL時，DQ 腳才會輸出 High，這有點像是磁滯控制 的方式。自動調溫模式的設定，也必須先在1-wire bus 模式下先做好設

定後，才能使用。而且當自動調溫模式使用後，如果溫度已經低於 TL

或是高於TH設定的溫度時，狀態暫存器中相對的THF 及 TLF 旗標，也 會被設定為1，並且不會歸 0，必須由使用者寫入 0。因此可以經由判斷 THF 或是 THL 旗標，得知溫度是否達到 TL或是TH的設定。這個模式的 DS1821，本身就像一個單純的溫度開關，所以被稱為自動調溫模式

（thermostat mode）。

圖3-5 DS1821 Package

表3-4 DS1821 電氣特性表

3-4 硬體規劃

3-4-1 System Schematic 如圖 3-6 所示

以nRF24LE1 為主要核心，負責處理與 DS1821 溫度感測器間之溝通。

因上述兩個IC 皆屬低功耗之 IC，使用一般鹼性電池即可，同時又可兼 顧縮小體積之目的。

nRF_P1.6

Reset

C8 100nF CC0603

nRF_P0.4

nRF_P1.1

C3 2.2uF CC0603 C2

15pF CC0603

nRF_P2.2

VCC33

nRF_P3.5 FMOSI

nRF_P0.7

nRF_P3.1

nRF_P2.5 nRF_P0.3

DQ

R18 100K ohm CR0603

nRF_P0.0 nRF_P1.4

C9 100nF CC0603

L2 3.9nH CR0603 nRF_P3.0

nRF_P2.4 C1

15pF CC0603

VCC33

C6 1uF CC0603

nRF_P1.0

C10 1uF CC0603

nRF_P3.3

C11 100nF CC0603

nRF_P2.0

C4 1uF CC0603 nRF_P2.6

nRF_P0.6

L1 4.7nH CR0603

nRF_P1.3

X1

XTAL-X5032 1

3

2

4

nRF24LE1 Module

L3 3.9nH CR0603

nRF_P3.4

nRF24LE1_48 U2

2 3 4 5 6 1

7 8

13 14 15 16 17 18 19 20

48 47 46 45 44 43 42 41

9 10 11 12

21 22 23 24

25 29 34

28 26 32 31 35

30 33 36

27

40 39 38 37

P0.2 VDD DEC1 DEC2 P0.3 P0.1

P0.4 P0.5

VDD P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P0.0 P3.6 XC1 XC2 P3.5 P3.4 P3.3 P3.2

P0.6 PROG P0.7 VSS

P1.7 P2.0 P2.1 P2.2P2.3 P2.7 ANT2

P2.6 P2.4 VDD_PA P3.0 VSS

RESET ANT1 VDD

P2.5 P3.1 VDD VSS IREF

nRF_P1.7

nRF_P2.7 R1 22K ohm CR0603

nRF_P0.5

nRF_P3.6

nRF_P0.1

PROG

VCC33

FSCK

C5 1uF CC0603

nRF_P2.3

nRF_P3.2

C7 100nF CC0603

圖3-6 System Schematic

3-4-2 Wireless Sensor PCB Layout 如圖 3-7 所示

印刷式天線之長度及寬度根據 HFSS 模擬及原廠建議進行 layout.，其中心頻 率可以落在2.4GHz，且可以達到最佳之阻抗匹配。

圖3-7 Wireless Sensor PCB Layout

3-5 韌體規劃

3-5-1 韌體流程如圖 3-8

圖3-8 韌體流程規劃

3-5-2 韌體各階段說明

（1）nRF24LE1 初始化，先將各暫存器做歸零動作，以免上次設定造成錯誤 動作。

（2）DS1821Sensor 初始化，韌體如下：透過 nRF24LE1 提供時序的控制如圖 3-9，來達到 DS1821 重新歸零的動作。實際的時序控制如圖 3-10。

圖3-9 DS1821 溫度感測器初始化時序圖

void TxReset1( ) {

char presence=1;

P2DIR=0x00; //P2CON=0x00;

DQ=1;_nop_();_nop_( );//從高拉倒低 DQ=0;

delayus(700);

DQ=1;

delayus(10);

P2DIR=0x01;

presence==0;

delayus(50);

DQ=1;

delayus(400);

}

圖3-10 DS1821 溫度感測器初始化實際控制時序圖

（3）讀取溫度資料，透過一連串的命令，DS1821 會將目前的溫度以數位的方 式送至nRF24LE1。韌體如下：

void TemperatureRead（void）

{

TxReset1（）; //1 Wire Bus initialization WrByte（STCONV）; //啟動溫度轉換命令

TxReset1（）; //1 Wire Bus initialization WrByte（RDTEMP）; //讀取溫度命令 temperature=RdByte（）; //讀出溫度 }

（4）無線傳送溫度資料，nRF24LE1 收到資料會透過內部本身 RF IC 的運作 將二進制的串流資料送至接收端。

第四章 天線匹配與系統數據量測

4-1 天線設計與模擬

4-1-1 天線設計的部分一般使用 HFSS 軟體進行模擬，其流程如圖 4-1 所示。

由於Nordic 發展平台已提供合用的單極天線（Monopole Antenna），我 們加以沿用，並著重在天線與RF IC 的阻抗匹配。

圖4-1 天線設計製作流程

4-1-2 天線匹配的電路圖如圖 4-2 所示，使用 ADS 模擬結果在 2.4GHz 的匹配 良好，RL(Return Loss) 達到-20dB，如圖 4-3 所示。

圖4-2 ADS 2.4GHz schematic

圖4-3 ADS 2.4GHz dB（S（1,1））阻抗匹配模擬

4-2 無線溫度感測系統完成

4-2-1 無線溫度感測系統架構圖

本論文的無線溫度感測系統，如圖4-4 包含兩大部分：

（1）發射器：包含 nRF24LE1 RF IC、DS1821 及攜帶型電源部分。

（2）接收器（nRF6900 Kit）: 包含 nRF6900 Mother Board，nRF24LE1 Kit。

Mother Board 主要做為 Firmware download 用，且提供 UART 輸出。

圖4-4 無線溫度感測器系統全圖 ( 1 )

( 2 )

4-2-2 無線溫度感測器 SMA 測試板,如圖 4-5 所示：它包含 nRF24LE1 RF IC、

電源及SMA 接頭,但是沒有接上天線。SMA 測試板主要目的為 RF 端 阻抗匹配的量測及調整，透過網路分析儀的量測，可瞭解該PCB 的 layout 及被動元件的組合是否符合設定之頻率及發射功率之要求。

圖4-5 無線溫度感測器 SMA 測試板

無線溫度感測器測試板，包含nRF24LE1 RF IC，DS1821 及電源，如圖 4-6 所示。

圖4-6 無線溫度感測器測試板

ISP

DS1821 nRF24LE1

天線

4-2-3 邏輯分析儀量測：因 DS1821 為單線式控制方式，故在時序上的要求較 嚴謹，必須使用邏輯分析儀，如圖4-7 所示。主要目的為確認 nRF24LE1 與DS1821 間 Command 及 response 時序上的問題。

圖4-7 邏輯分析儀量測

4-2-4 無線感測器溫度傳輸測試

無線感測器溫度傳輸測試架構圖如圖4-8 所示，用來驗證無線感測器 DS1821 所記錄到的溫度資訊是否能透過 RF IC 以無線方式傳送到接收 端。

圖4-8 無線感測器溫度傳輸測試

我們可以透過接收器的 UART 端來顯示 DS1821 溫度資訊及其輸出波形。量測 的溫度資訊如圖4-9 所示。根據表 4-1 溫度與資料對照表，螢幕顯示的 0x17 換 算結果為溫度= 23 ℃,即當時的室溫。邏輯分析儀所顯示的波形如圖 4-10 所示, 邏輯分析儀輸出的資訊為二進位串流,換算為十六進位即等於 0x17 與螢幕顯示 吻合。且在無障礙的空間無線傳輸距離可達15-20 公尺。

圖4-9 UART 顯示溫度資訊

圖4-10 DS1821 溫度數位波形

表4-1 溫度與資料對照表

1 1 1 0 1 0 0 0

4-3 無線發射功率與阻抗量測

nRF24LE1 可以用軟體設定為 tuning 模式,用來驗證其中心頻率設定是否準 確。若我們將輸出功率設定為 0dBm, 中心頻率設在 2.4GHz, 含印刷式天線的 溫度感測器量測到的發射功率為-13.2dBm，而中心頻率則在 2.4GHz，如圖 4-11 所示。因此天線效率及無線傳輸距離產生的損耗約為13dBm。

圖4-11 0dBm 印刷式天線發射功率量測

以相同的設定,改用無線感測器 SMA 測試板直接連上頻譜分析儀量測如圖 4-12,我們得到的發射功率為 -9.8dBm, 如圖 4-13 所示。

圖4-12 0dBm SMA 阻抗匹配量測

圖4-13 0dBm SMA 發射功率量測

這顯示我們的天線匹配電路並非調在最佳狀態。因此,我們對無線感測器 SMA 測試板再做了Return loss 阻抗量測。結果如圖 4-14 及圖 4-15 所示。分析結果：

天線設計為50Ω，圖 4-14 之頻帶中以 Mkr 3 量測結果達到-20dB 最接近 50Ω，

但在圖4-15 顯示匹配最佳的頻率落在 1.8 GHz，未能滿足 2.4GHz 的設計，需 再做調整。

圖4-14 0dBm SMA S（1,1）

圖4-15 0dBm SMA Smith Chart

4-4 系統功率消耗

我們也針對 standby 模式及 Tx 模式量測無線感測器的功率消耗, 其消耗電 流如表4-2 所示, 其中 standby 模式電流只有 3uA 左右,遠小於 Tx 模式電流的 4.9mA。

PARAMETER SYMBOL CONDITION MIN TYP MAX UNIT Supply Voltage VDD +2.7 +3.6 V

Standby

Current IQ VDD=3V 1.5 3.5 μA Active Current IDD VDD=3V 4600 4900 μA

表4-2 系統功率消耗

上述 Tx 模式的量測輸出的功率設定在 0dBm 時，消耗總功率為 14.7mW，而在 Standby 模式消耗可降至 9μW，不到 Tx 模式的千分之一。另外可以設定 Tx 不 同的發射功率，來降低系統的總功率消耗。

第五章 結論 5-1 分析討論

本論文開發之無線溫度感測器節點，其功率消耗在發射模式為14.7mW 而在待機模式只有9uW，因此可大大延長其使用時間，且傳輸距離亦達 20 公尺以上。另外，在研發過程中亦獲得以下四大成效：

（1） 熟悉 8051、Nordic nRF24LE1 RF IC 及 DS1821 溫度感測器如何使用。

透過Firmware 將兩個 IC 做整合。使用邏輯分析儀，能夠清楚瞭解在 串流的數位資料如何去做時序上的控制。

（2） 天線模擬及設計:使用 ADS 及 HFSS 模擬軟體，可以先行瞭解 PCB 天 線設計的方向，有助於縮短開發時間，也可透過模擬的數值與實際值 做比較，瞭解之間的差異性，對於後續的研究亦有助益。

（3） PCB layout：由 HFSS 模擬天線的結果後，將其天線設計轉移到 PCB 上，透過輔助的工具，可計算PCB Trace 的阻抗值。

（4） 頻譜分析儀及網路分析儀之使用：頻譜分析儀可量測天線的發射功率，

發射功率的優劣取決於天線的設計及阻抗的匹配。藉由網路分析儀，可 瞭解在阻抗匹配上的問題點，進而調整至最佳阻抗值，增加無線節點的 傳輸距離。

5-2 系統之延伸及未來之應用

本論文以 Simple Node 為發展主軸，為延長無線感測器之使用壽命，

除選擇低耗電之IC 及元件外，另外考慮簡易發電系統，利用可發電的環境，

搭配儲能元件，可使感測器不需更換電池的情況持續使用，免去維修更換 的麻煩。整合多種感測器元件，可將環境變化指數做完整的彙整，由中央

處理機依據個人條件進行自動化控制，達成最佳的環境。未來更可將無線 感測器網路推廣至大自然環境及交通建設如山坡、溪流、海洋及橋樑，建 構一個安全的預警系統，以避免天然災害造成龐大的生命財產的損失。

參考文獻

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網路資源:

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[2] http://www.maxim-ic.com/

[3] http://rushoun.myweb.hinet.net/DS1821/DS1821%20datasheet.htm [4] http://www.silabs.com/Pages/default.aspx

[5] http://www.hstnet.com.tw/貝倫企業股份有限公司