中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

整合 GPS 與主動式 RFID 之定位設計與應用

The Positioning Design and Application of Integrated the GPS and Active RFID

系 所 別：機械工程學系碩士班 學號姓名：E09508014 呂仁超 指導教授：林君明 博士

中 華 民 國 100 年 1 月

中 文 摘 要

本論文中，我們提出一個主動式RFID的設計方法，設計出一種射頻信號的接收發 射模組，並提出一個適用於此模組的PCB天線設計法則，透過與微小化GPS模組的整 合，我們成功的從標籤(Tag)模組擷取到GPS的訊號，並將此GPS的訊號傳送到遠端的 接受器(Reader)模組，以實證這個設計的完美性。最後將此模組運用於人員追蹤並建 立長距離運動競賽的計圈計時的服務模型。

關鍵字：主動式RFID、定位基礎的服務、全球定位系統、天線、Nordic、nRF9E5

Abstract

In this paper, we propose the Active RFID design method. We design the RF Receiver and Transponder module and related module’s Antenna design. Depend on this module, we integrated the micro GPS module to approve our design performance is perfect. Finally, we also use this system to build a platform and this platform can apply for the sport timing system.

Keywords: Active RFID、Location Base Service、GPS、Antenna、Nordic、nRF9E5

致 謝

終於完成碩士學業，雖然過程充滿了許多的辛勞，但還好有許多關心與愛護我的 人，給了我充分的支持與動力，讓我能在繁忙的工作中享受學習的樂趣。本論文能夠 順利完成，由衷感謝指導教授林君明博士。在研究所的生涯中，感謝老師總是提供很 多幫助，有老師豐富的學識作為後盾，以及完善的學習環境，讓我收穫良多。老師，

謝謝您這些年來對我的包容與鼓勵，非常感謝。

另外還要感謝博士班的博光學長在我求學過程中遇到瓶頸的時候，總是會適時的 拉我ㄧ把，並給予鼓勵，垂錡學長耐心的指導我做系統分析與驗證測試，同事民依教 導我寫程式的技巧、菘斐幫我模擬PCB天線，以及實驗室的政宏、宗慶學弟給予我的 各項協助。

感謝我的家人，總在背後給我滿滿的鼓勵與支持，尤其是老婆在這過程中幫忙分 擔許許多多的挫折與困難並對我充分的包容與體諒，有她的陪伴與支持讓我能完成自 我的理想，展開人生新的旅程。僅以本文獻給所有關心我的家人與朋友。

目 錄

中 文 摘 要 ... i

Abstract ... ii

致 謝 ...iii

目 錄 ... iv

表 目 錄 ... v

1 緒論 ... 1

1.1 前言 ... 1

1.2 研究動機 ... 1

1.3 論文架構 ... 3

2 RFID 的技術探討 ... 3

2.1 RFID 面對的問題 ... 3

2.2 硬體建置上如何增進讀取效果 ... 4

2.3 防碰撞機制的通訊協定 ... 5

2.4 系統架構與規劃 ... 7

2.5 Active RFID 模組設計與開發 ... 9

2.6 PCB 天線設計與實做... 13

3 結合 RFID 與 LBS 的應用... 19

3.1 微小化 GPS 模組選用... 20

3.2 RFID 與 GPS 整合系統架構... 22

3.3 系統運算模式 ... 26

3.4 測試結果 ... 27

4 RFID 應用於跑步計時計圈的設計開發 ... 31

4.1 系統架構圖 ... 31

4.2 接收發射模組開發 ... 32

4.3 測試結果 ... 35

4.4 與其他 RFID 計時系統比較 ... 43

5 結論及建議 ... 45

參考文獻 ... 47

附 錄 一 ... 49

附 錄 二 ... 51

附 錄 三 ... 74

表 目 錄

表格 1-1、ISM Band 頻率分配表 ... 2

表格 2-1、50ohm 匹配電路元件參數[13] ... 13

表格 3-1、微小化的 GPS 模組接腳定義 ... 21

表格 4-1、標籤規格表... 33

圖 目 錄

圖表 2-1、EPCC1G2 標準的 Slotted ALOHA... 7

圖表 2-2 、nRF9e5 的 Functional Block Diagram ... 9

圖表 2-3、Tag 架構規劃... 10

圖表 2-4、 TAG 數據處理流程... 11

圖表 2-5、 READER 數據處理流程... 12

圖表 2-6、50 ohm 的匹配電路設計[14] ... 13

圖表 2-7、PCB 天線設計外觀圖 ... 14

圖表 2-8、幾何的矩形環型天線... 14

圖表 2-9、幾何的矩形環型天線[7] ... 15

圖表 3-1、RFID 觸發事件示意圖... 19

圖表 3-2、微小化的 GPS 模組 ... 20

圖表 3-3、微小化的 GPS 功能方塊圖[20]... 21

圖表 3-4、微小化 GPS 模組外觀圖 ... 22

圖表 3-5、微小化 GPS 尺寸圖 ... 22

圖表 3-6、GPS 與 RFID 整合架構圖 ... 23

圖表 3-7、GPS 標籤發射流程圖 ... 25

圖表 3-8、GPS 讀取器接收流程圖 ... 25

圖表 3-9、GPS 與 RFID 標籤整合 ... 27

圖表 3-10、RFID 讀取器... 27

圖表 4-1、RFID 跑步記圈計時系統架構圖... 31

圖表 4-2、標籤內部電路方塊圖... 32

圖表 4-3、Tag 電路設計圖... 33

圖表 4-4、Reader 電路設計圖 ... 34

圖表 4-5、標籤燈號顯示狀態... 35

圖表 4-6、跑步標籤實體圖... 35

圖表 4-7、RFID 記圈計時現場架設圖... 36

圖表 4-8、現場測試圖... 37

圖表 4-9、戶外高亮度成績顯示系統... 37

圖表 4-10、終點線攝影機的精確計時圖... 43

圖表 4-11、冠軍晶片計時系統 ... 44

1 緒論 1.1 前言 

Radio frequency identification (RFID) [1]是近年來發展非常快速的新興科技之 一，拜 Walmart 於 2005 年開始要求其前 100 大供應商，在為了供應鏈的透明化及上、

中、下游的整合要求下，整個 RFID 產業突然就熱了起來。其實 RFID 是一個發展歷 史相當久的一種基本技術，從二次世界大戰開始後的航空器，就有配備敵我識別器來 辨識彼此之間是友機還是敵機，其運用的原理就是，由地面的搜索雷達或飛機上的雷 達天線發射一個詢問(Query)的指令給周遭的航空器，而有加裝敵我識別器的航空 器，收到這個詢問指令之後，就會傳送一組約定的密碼及相關資料給地面站或被詢問 的飛機，若回覆的訊息是被認可的話，那麼就是友機，反之則為敵機，這就是最早期 的 RFID 技術發展了。1970 年末期，RFID 技術移轉至民間。在商業上最先的應用是 在牲畜身上。隨著這項科技的進步，晶片的微小化及電路設計模組的精簡技術日趨成 熟，慢慢的利用集成電路堆積出各種功能的晶片，變成可行且其價格也越來越低廉，

如此下來，RFID 應用領域的普及化、大量化似乎變成可行也更容易被大家接受了。

各種頻率範圍的 RFID 有其不同的應用範圍，從低頻的動物晶片、大量應用於金 融市場及交通領域的高安全性要求的高頻晶片[5]，到希望較長距離可大量讀取且應 用於供應鏈、國土安全、交通運輸上等等的超高頻晶片，可以看出 RFID 的技術與應 用已經悄悄的佔領且大量的出現在我們的日常生活中了。

1.2 研究動機 

RFID 的最大特色是針對其讀取距離和應用頻率，決定了 RFID 的應用範疇。主 動式 RFID 由於具有較長距離讀取、低耗電量及多介面輸入的特性，所以在某些特定 的領域，有其特別的應用，例如：冷鏈物流的追蹤，醫療照護的即時生理資訊收集，

環境參數的監控(溫度、濕度、二氧化碳、一氧化碳、震動、速度、加速度、風力、、、) 等等都有其特別應用。

在冷鏈物流方面，泛指冷藏冷凍品在生產、貯藏運輸、銷售，到消費前的各個環 節中始終處於低溫環境下，以保證產品質量，減少物品損耗的系統工程。冷鏈物流具 有複雜性、協調性及高成本性特徵，適用於果蔬、禽蛋；水產品、速凍食品、乳製品、

花卉、藥品等領域。所以如何在冷鏈物流的供應鏈上，做好即時運輸過程中的溫度監 控，以確保產品的品質是一個相當值得研究的課題。透過多介面的 RFID 例如 Zigbee 晶片(主動式 RFID)或 EM4325 晶片(被動式 RFID 標籤)就可以提供完整的運輸溫度監 控。

在生理資訊方面，所利用的 RFID 技術頻段，一般而言必須要在 ISM Band (industrial, scientific and medical (ISM) radio bands)上才可以，在這個特別允許的管制 頻率及功率限制下的應用，其射頻信號對人體的健康較無影響，其相關可應用的頻譜 如表格 1-1、ISM Band 頻率分配表所示：

表格 1-2、ISM Band 頻率分配表

Frequency range Center frequency Availability 6.765 MHz 6.795 MHz 6.780 MHz Subject to local acceptance 13.553 MHz 13.567 MHz 13.560 MHz

26.957 MHz 27.283 MHz 27.120 MHz 40.660 MHz 40.700 MHz 40.680 MHz

433.050 MHz 434.790 MHz 433.920 MHz Region 1 only and subject to local acceptance

863.000 MHz 870.000 MHz 866.500 MHz Region 1 only and subject to local acceptance

902.000 MHz 928.000 MHz 915.000 MHz Region 2 only 2.400 GHz 2.500 GHz 2.450 GHz

5.725 GHz 5.875 GHz 5.800 GHz

24.000 GHz 24.250 GHz 24.125 GHz

61.000 GHz 61.500 GHz 61.250 GHz Subject to local acceptance 122.000 GHz 123.000 GHz 122.500 GHz Subject to local acceptance 244.000 GHz 246.000 GHz 245.000 GHz Subject to local acceptance

透過上述定義出來的頻率範圍，運用於生理資訊的收集、醫療器材的追蹤甚至遠 距醫療的服務，都讓人類的生活、健康的生活及生命的延續更有保障了。

在環境參數監控方面，透過主動式的 RFIC，例如：Zigbee Module 或 Nordic 公 司的 nRF9e5 模組，與各種不同類型的感應器結合，就可以提供各種不同的環境參數 監控的應用，例如與 GPS 模組相結合，就可以提供即時的定位服務與人員追蹤管理；

與加速儀、陀螺儀相互結合，就可以提供載具的姿態量測，進而提供姿態控制的整合 應用；與溫度、濕度以及震動感測器相結合，更可以提供多樣多元的環境監控，如：

廠房環境監控、晶元運輸安全監控、家庭 CO 濃度監控、社區保全安全監控、國土安 全監控、土石流監控及邊坡安全監控等等。

1.3 論文架構  

在本論文中，我們將以 Nordic 公司出產的 RFIC nRF9e5 晶片為主要開發核心，

開發一個主動式 RFID 接收發射模組，可結合 GPS 的定位輔助系統，來達到人員初 步定位的成果。並進而實作一個兼具人員追蹤的跑步訓練記圈計時的終點計時系統。

2 RFID 的技術探討 2.1 RFID 面對的問題

RFID 具有壽命長、安全性高、不會受環境限制等優點。RFID 標籤壽命最高可以 達 10 年以上；傳統條碼在遇到雪、霧、冰、等惡劣工作環境下，其光學識別技術將 會失效，而 RFID 依然可以正常地工作。

由於 RFID 是透過 RF 訊號在空間中傳播，然而 RF 訊號的特性就是易受空間中 既有環境的影響，若 RF 訊號在空間中被阻絕、干擾、反射導致讀取器無法收到標籤 (Tag)回傳的訊號，那麼就無法達到 RFID 技術可應用的範疇了。RFID 的詢答機制，

簡單的說，就好像在一個完全黑暗的房間裡面，一個老師和一群學生都待在這個房間 裡面，而老師就代表 Reader，學生就是 Tag，而大家彼此之間卻不認識，但老師卻必 須在極短的時間之內完成全班的點名工作，這是一個極具挑戰的課題，而這個情形就 像在供應鏈上，有一個棧板上面有很多箱件，每一個箱件上面都貼有一個 Tag，當此 棧板快速通過 Reader 的感應區時，Reader 要如何在極短的時間內就可以讀到所有的 Tag，來確保其讀取率，這是 RFID 技術能不能被大量應用的關鍵之一。

面對 RFID 的讀取率，我們分兩個層面來探討這個問題，其一為硬體建置上如何 增進讀取效果並提高讀取率，其二為如何在 Reader 與 Tag 之間，訂定良好的通訊協 定(Protocol)，來提高讀取率。這就是像前述老師點名的問題一樣，老師要如何點名，

才可以趕快把黑暗空間裡的學生趕快點完名呢？

2.2 硬體建置上如何增進讀取效果

在硬體上或系統建置上，該如何增進 RFID 的讀取率呢？一般而言，影響 RFID 的讀取率因素有以下幾個重點考量：

A. Tag 與 Reader 選用

1. Tag 與 Reader 的配合度

2. 待測物對 Tag 被讀取效能的影響 3. Tag 所貼附的位置

4. Reader 天線場形分佈

5. Reader 本身的設定(Middleware、功率、Duty Cycle 設定) B. 待測物件的堆疊方式

1. 動態讀取 2. 靜態讀取

C. Reader 天線佈設架構(天線數量、讀取距離、角度)

D. 電磁波干擾 E. 廠區 RF 環境

所以要增加 RFID 的讀取率，就必須要了解各種 RFID 的信號特性，天線訊號輻 射出來的方位以及 RF 場型覆蓋的範圍，以確保在測試箱上的標籤通過 RFID 期望的 讀取範圍時，可以不被遮蔽、不被干擾且 RF 場型可以有效覆蓋且達到標籤的最低開 啟功率，這樣 RFID 的讀取效果才會被保障。

2.3 防碰撞機制的通訊協定

針對訊號傳輸的碰撞問題，一直是 RFID 在使用上大家極待解決的問題[2]，因為 RFID 必須在有限的時間內，大量的偵測在通訊範圍內的所有未知或已知的標籤，並 完成必要的通訊；在 RFID 訊號傳輸的通道上，如果有眾多的載波信號同時傳遞的話，

接收或發射模組無法分辨這些信號，所以就無法做有效的通訊，這樣就無法達到高精 確的讀取率及大量的標籤讀取。於此論文中，我們提出一般 RFID 在軟硬體上，如何 有效解決 RFID 碰撞的機制，來達到最短時間最大的讀取數量。

1. 載波檢測(Carrier Detect )

於此論文中，我們探討載波檢測(Carrier Detect)在硬體上是如何實現的。我們研 究 Nordic 公司的 nRF9e5 這顆 RFIC 晶片，此 IC 是透過載波檢測(Carrier Detect )的方 式，來解決大量通訊時封包互相碰撞的問題，其作法如下：

 在 Shock Burst 接收方式下，當工作通道內有射頻載波出現時，載波檢測引 腳(CD)被置高。也就是說，當收發器準備發送資料時，它首先進入接收模式 並檢測所工作的通道是否可以發送資料(通道是否空閒)，這是一種簡單的傳 輸前監聽協議。

 載波檢測的標準一般比靈敏度低 5dBm，比如靈敏度為-100dBm，載波檢測 功能探測低至-105dBm 的載波。這個特性可以很好地避免了在同一工作頻率

下的不同發射器資料封包之間的碰撞，對於解決 RFID 系統中的碰撞問題有 很大的幫助。

2. 軟體實現 Aloha Slot 的方式

ALOHA 通訊協定是美國夏威夷大學所發展出來的一種競爭型通訊協定，使用者 只要有資料傳送，就讓資料傳送。當然這樣會發生碰撞，而碰撞的框架會損毀。由於 廣播回饋的特性，藉由聽取頻道，傳送端一定可以發現傳送的框架是否損毀，也是最 早的一種競爭型通訊協定(1970)，其架構也成為後來乙太網路(Ethernet)的基本架構。

所謂 ALOHA 通訊協定是指：通訊頻道區分為固定長度的時槽(time slot)，同時資料 框的長度也固定，每一個時槽的長度都足以正確的傳輸此一資料框，同時使用者必需 在時槽的起點開始傳送，不得任意傳送。

EPC（Electronic Product Code）global 為目前制定 RFID 應用標準的兩大組織之 ㄧ[1]，其所制定的標籤規範如下：[22]

 Class 0：簡單、被動式及僅在製造廠(factory)中規制之唯讀標籤。

 Class 1：簡單、被動式及擁有可供一次編制、非易變性(non-volatile)記憶體 之唯讀標籤。

 Class 2：具可讀寫(read/write)記憶體之被動式標籤。

 Class 3：半被動式(Semi-passive)標籤，具可讀寫(read/write)記憶體以及一個 內建電池以支援增加讀取距離。

 Class 4：半被動式(Semi-passive)標籤或可與每一個或與其他儀器溝通之主動 式(active)標籤。

 Class 5：可以收集其他 Tag 資料。

EPC Class 1 Generation 2 標準的協定中，標籤解決碰撞的機制採用名為 Slotted ALOHA 觀念，當單一讀取器發出 Query 信號進行標籤辨識時，slot counter 為 0 的標 籤會回應讀取器一組 RN16 的確認碼，若此時恰巧在某一個時槽同時有 slot counter 為 0 之多個標籤回應讀取器時，就會有封包碰撞的情況發生，如圖表 2-1、EPCC1G2

標準的 Slotted ALOHA

的 Tag1 及 Tag3，此時，讀取器藉由發出 Query Adjust 或 Query Rep 指令，減少 或調整 Q 值來解決 Tag1 及 Tag3 碰撞。

其中 Q 值的演算法，請參考附錄一。

圖表 2-1、EPCC1G2 標準的 Slotted ALOHA

2.4 系統架構與規劃

由於無線射頻收發晶片的種類和數量繁多，因此無線射頻收發晶片的選擇在設計 中顯得非常重要，正確的選擇可減小開發難度、縮短開發週期、降低成本且可將產品 更快推向市場。選擇無線收發晶片時應考慮需要幾點因素：功率消耗、發射功率、接 收靈敏度、晶片成本、資料傳輸是否需要進行曼徹斯特編碼等。用來評價無線資料收 發的幾項重要指標有：接收靈敏度、動態範圍、選擇性、接收頻率穩定度、發射輸出 功率、效率、發射頻率範圍、功率消耗等因素。對於接收和發送資料，滿足頻段的範 圍越大，靈敏度越高，在相同條什下的接收電流越小，發射電流越大的收發晶片應用 也就越廣泛，並且可以適合於多種情況。綜合以上考慮，本設計中選擇 nRF9E5 是最 適用的。[20]

挪威 Nordic VLSI 公司於 2004 年所推出的無線射頻單晶片 nRF9e5，是一款工作 頻率為 433/868/915MHz 的智慧型射頻晶片，內部整合了 8051 微控器、4 通道 10 位 元 A/D 轉換以及多通道 RF 收發，也因為使用 8051 為控制器，所以入門較容易，開 發上的自由度較高，可使用與參考的資料也較廣泛。其主要功能如下：

 nRF9e5 433/868/915 MHz transceiver

 8051 compatible microcontroller

 input, 10bit 80ksps ADC

 Single 1.9V to 3.6V supply

 Small 32 pin QFN (5x5 mm) package

 Extremely low cost Bill of Material (BOM)

 2.5uA standby with wakeup on timer or external pin

 Adjustable output power up to 10dBm

 Channel switching time less than 650us

 Low TX supply current, typical 11mA @-10dBm

 Low RX supply current typical 12.5mA peak

 Low MCU supply current, typ. 1mA at 4MHz @3volt

 Suitable for frequency hopping

 Carrier Detect for “listen before transmit protocol”

這顆晶片的最大特色就是具有載波檢測(Carrier Detect)的功能，透過此功能可以 有效的在硬體上就解決了多點訊號在收發過程中的碰撞問題，進而達到有效傳輸的問 題。於本論文中，我們是採用硬體上載波檢測的方式，來大大提升區域內大量 Tag 存 在時的讀取效果。

2.5 Active RFID 模組設計與開發

NCC 規定台灣的 RFID 頻段為 922MHz~928MHz，我們使用 Nordic 的 nRF9e5 在 此頻段內，實作一個可以接收和發射的模組，此模組可以相互進行資料的傳遞，且晶 片內部核心基本上是由一個 8051 的單晶片控制器再加上一個 nRF905 的射頻發射與 接收晶片所組成，另外再內建 AD converter 來增加其輸入與輸出的擴充性。其功能方 塊圖 如圖表 2-2、nRF9e5 的 Functional Block Diagram 所示：

圖表 2-3、nRF9e5 的 Functional Block Diagram

我們使用 nRF9e5 工作於 Shock Burst (自動處理首碼、位址和 CRC)的方式來進 行設計。在與 8051 相容的微控制器中，我們利用了 5 個擴增中斷源：ADC 中斷、SPI 中斷、RADIOl 中斷、RADIO2 中斷和喚醒計時器中斷。另外還擴增了 2 個資料指標，

以方便於從 XRAM 區讀取資料。此外我們也利用了內建的 3 個計時器中的兩個，用 計時器 1 和計時器 2 來做為非同步通信的串列傳輸速率產生器。

針對 Reader 和 Tag 接收發射模組，我們進行韌體設計，韌體的設計步驟如下：

整個 RFID 的 Tag 架構是由三個部分組成：PCB 天線模組、nRF9e5 晶片以及電源管 理與電池充電模組。如圖表 2-4、Tag 架構規劃所示。

圖表 2-5、Tag 架構規劃

而 Tag 的韌體開發，是以內部的 8051 為核心元件，再加上 RFIC 上面的類比電 路模組(A/D converter 和 RF transceiver)所組成，所以在韌體的程式開發前，需瞭解整 個 RF 數據接收發射流程，整個流程分為接收和發射兩個部分，其中 Tag 的數據處理 流程規劃，如下圖表 2-6、TAG 數據處理流程：

RF band = 925 MHz

DevID = ListenID = 0x44444444

Set Rx Mode 格式 -Reply_address 4bytes + “IHe”

RF band = 927.8 MHz (also MasterDev_Rx) DevID = SlaveDevID (Tag 本身真正 ID) Set Rx Mode

nRF905

nRF9

P 8051MCU

nRF905

nRF9

P 8051MCUnRF905

nRF9

Power 8051MCU

nRF905

nRF9E5

Power Unit 8051MCU

圖表 2-7、TAG 數據處理流程

其中處理防碰撞機制的載波檢測(Carrier Detection)，其程式設定和運作是在 Shock Burst 接收模式下，當收到一個有效位址的射頻資料包時，位址匹配暫存器(AM)

和資料就緒暫存器(DR)通知晶片內的 MCU 把資料讀出。在 Shock Burst 發送模式下，

nRF905 自動給要發送的資料加上首碼與 CRC 校驗碼。當資料發送完畢後，資料就緒 暫存器(DR)會通知 MCU 資料已經處理完畢。當系統沒有發送和接收任務時，將進入 空閒狀態。Shock Burst 技術降低了 MCU 對於記憶體的需求，同時也縮短了軟體發展 時間，此外為了另外節省功率的損耗，其中的 Shock Burst 技術(自動處理首碼、位址 和 CRC 校驗碼)，實現了低速資料登錄，高速資料輸出，這種設計也大大降低了系統 的平均功率的損耗。RFID 的 Tag 原始程式碼，如附錄二所示。

RFID 的 Reader 模組，主要分為兩個部分，其一為接收發射模組，這一部份基 本是與前面的 Tag 設計雷同，另一個就是我們必須找一個公板的 Process Board PC 來 直接相連，其資料接收就透過 PC 來完成，不過未來若為使用方便，則建議用一個有 獨立 Kernel 的 Embedded Board 來實現。而整個 Reader 模組的的數據通訊原理請參考 圖表 2-8、READER 數據處理流程所示。

圖表 2-9、READER 數據處理流程

2.6 PCB 天線設計與實做

在 RFID 的 Tag 設計上，還有一個非常重要的部分，就是天線的設計，由於 Tag 體積要盡量設計的微小，且為了大量製作的組裝方便及成本考量，所以我們參考原廠 所提供的天線設計標準規範，設計了一個 PCB 天線，其設計作法如下。

首先 Nordic 原廠所提供 50 ohm 的天線阻抗匹配電路設計，如下圖表 2-10、50 ohm 的匹配電路設計[14]所示：

圖表 2-11、50 ohm 的匹配電路設計[14]

50ohm 匹配電路其相關參數如下表格 2-1、50ohm 匹配電路元件參數[13]所示：

表格 2-2、50ohm 匹配電路元件參數[13]

868/915MHz 433MHz

C3 33pF, ±5% 180pF, ±5%

C12 3.9pF, ±0.25p F 18pF, ±5%

C13 3.9pF, ±0.25p F 18pF, ±5%

C14 Not fitted Not fitted C15 33pF, ±5% 6.8pF, ±5%

C16 Not fitted Not fitted L1 12nH, 5% 12nH, 5%

L2 12nH, 5% 39nH, 5%

L3 12nH, 5% 39nH, 5%

而在 PCB 上的天線設計，如下圖表 2-12、PCB 天線設計外觀圖：

圖表 2-13、PCB 天線設計外觀圖

nRF9e5 晶片的 RF 端輸出阻抗，依照頻率分別如下：

 900MHz：225+j210[15]

 430MHz：300+j100[15]

圖表 2-14、幾何的矩形環型天線

計算中所使用的天線為環形天線，其相關參數說明如下：

 a1 =環形天線的寬度[M]

 a2 =環形天線的長度[M]

 b1=環形天線導體的厚度[M]

 b2 =環形天線導體的寬度[M]

下圖為環形天線的等效電路

圖表 2-15、幾何的矩形環型天線[7]

jX R

Z  

)[

( 2 )

(    ₀  

 _{R L X A I}

IN R R R j f L L

Z



 RR=耐輻射性

 RL=迴路導體損耗電阻

 RX =額外損耗

 LA =電感環形天線

 LI=電感迴路導體

其中， 31171 ₄ [ ]

2  

 





 

R_R A (2-3)

] [

0

f m

 c

 (2-4)

c 是光速等於310⁸米/秒。[4]

f0

是在 Hz 的共振頻率。[4]

]

0 [

0 2

1

2

1 



 

 



f b

b a R a

P

R _L l _s (2-5)

 l =金屬環導體的長度

 P =迴路導線截面周長

 RS=導體表面電阻

7 0 4 10^

 (2-6)

10

8 . 5 

 

) [ (

2 ₀    

 ^{A I} _{R L}

X R R

Q L L R



(2-8)

] )] [ (

2 [ )

( ^{2 2} F

L L f R

R R

L C L

I A X

L R

I A

P    

 

 (2-9)

矩形環形天線的 LA 值

] [ 774 . 0 ln

2 ₀ H

b a

L_A a 



 



 



 



 

  (2-10)

] 2 [

0

H

a

L

  A

 A 為環形所圍之面積

以下為天線效率

) (

2 _{0 A I}

R

L L

f QR

 

  (2-12)

以 35mm 乘以 20mm 天線為例計算各參數值：

a= a₁a ₂ =0.026458

b=0.35b₁0.24b₂=0.00025m LA=120.4nH

LI=16.6nH RR=1.3218ohm RL=0.4194ohm RX= 14.0114ohm CP=132pF

Q=理想值 50

帶入天線效率公式可以計算出 0.08391(10*log(0.08391)= -10.7618dB)

理想最大讀取距離計算公式：

PRF

R S 4 2

 

 

[18] (2-13)

 S 是原廠提供之晶片靈敏度-103dBm。

 PRF(輸出功率)為原廠提供之 0.001(W)。

將天線效率帶入公式內可得當讀取器天線的增益值為 0dBm 時的理想最大讀取 距離為：977.91[公尺]，而實際測試出來的 RFID 收發射模組在 LOS (Line of Sight)狀 況、陰天、室溫 24 度、濕度 75%時，其通訊距離可達至少 80 公尺。在 LOS (Line of Sight)狀況、晴天、室溫 27 度、濕度 60%時，其通訊距離可達至少 90 公尺。

3 結合 RFID 與 LBS 的應用

LBS (Location Base Service)是一種以位置為基礎所提供的行動服務，早期 LBS 主要應用於特定的緊急救援或外勤人員的管控，著名的研究室內定位方法，起源於 2000 年在 IEEE Info com 所提出的 RADAR(Radio Detection and Ranging)系統，主要應 用了 RF(radio-frequency)的無線感測技術來做為室內感知定位系統(Location-Aware Systems)的核心[11]。然而隨著全球衛星定位系統(GPS)及可攜式導航裝置的大眾化，

使 LBS 不再將定位侷限於室內，也可以提供大範圍相對精確的行動定位功能，是目 前很多智慧型程式、移動裝置與外部定位系統之應用中最重要的關鍵因子，於本論文 中，我們結合微小化且低功率的 GPS 模組，透過 RFID 接收發射模組進行 GPS 的資 料傳遞，您可以劃定特定區域，只要 RFID 標籤在進入該區域後，該標籤就會收到 RFID 基地台的觸發訊號，此時該標籤會將您的 GPS 資料與 RFID 標籤識別資訊傳送 給特定區域的 RFID 基地台，甚至於再進一步整合其他相關模組，如：生理資訊監控、

陀螺儀、加速儀、電子羅盤等，後端伺服器就可以即時的根據接收的資料，來提供進 一步智慧化的分析與服務。

圖表 3-1、RFID 觸發事件示意圖

3.1 微小化 GPS 模組選用

GPS 為 NAVSTAR GPS (Navigation Satellite with Time and Ranging Global Positioning System)之英文縮寫，由此即可瞭解其在設計及運作上所欲從事之特性。基 本上，GPS 是一個可以有效提供全球性三維空間位置並決定運動速度與時間訊息的太 空定位系統，該系統係由美國國防部自 1973 年開始建立、發展、測試並提供全球進 行使用。[8]

本論文採用的 GPS 模組為威航科技公司所開發型號為 SUP50F 的小型 GPS 接收 模組如圖表 3-2、微小化的 GPS 模組所示：

圖表 3-3、微小化的 GPS 模組 其大小與主要功能如下所示：

 65 Channel GPS L1 C/A Code

 Perform 8 million time-frequency hypothesis testing per second

 Open sky hot start 1 sec

 Open sky cold start 29 sec

 Signal detection better than -161dBm

 Multipath detection and suppression

 Accuracy 2.5m CEP

 Maximum update rate 10Hz

 Tracking current ~33mA

 -161dBm tracking sensitivity

 Supports 1 / 2 / 4 / 5 / 8 / 10 Hz update rate (1Hz default)

 Input Voltage 3.0V ~ 5.5V DC

 Dimension is 22mm L x 22mm W

 3V LVTTL level Serial Interface

功能方塊圖如圖表 3-4、微小化的 GPS 功能方塊圖[20]

圖表 3-5、微小化的 GPS 功能方塊圖[20]

圖表 3-5、微小化的 GPS 功能方塊圖[20]

以下為表格 3-1、微小化的 GPS 模組接腳定義

表格 3-2、微小化的 GPS 模組接腳定義 Pin No. Name Description

1 RXD UART input, 3V LVTTL 2 TXD UART output, 3V LVTTL 3 GND System ground

4 VDD Main3.0V ~ 5.5V supply input

5 VBAT Backup supply voltage for RTC and SRAM, 1.5V ~ 5.5V Can connect to VDD

6 P1PS 1 pulse per second time mark output

7 PSE_SEL Search Engine Mode select 1：Low power acquisition mode (default)，acquisition current ~55mA 0：Enhanced acquisition mode，acquisition current ~75mA

圖表 3-6、微小化 GPS 模組外觀圖

圖表 3-7、微小化 GPS 尺寸圖

3.2 RFID 與 GPS 整合系統架構

此 RFID 模組具備一組 UART 與 SPI 介面，且 GPS 主要電源供應僅需 3.3VDC，

與主動式 RFID 所使用的電源相同，再加上兩者皆具備低功率的耗電量，可以有效增 加標籤使用的時間。ACTIVE RFID 系統整合架構如下圖表 3-8、GPS 與 RFID 整合 架構圖所示。

圖表 3-9、GPS 與 RFID 整合架構圖

GPS 模組會傳送標準的 NMEA0183 的資料，NMEA 標準是由美國國家海洋電子 學會(National Marine Electronics Association) 所制定[6]，包含有 0180、0182、0183 等 三種，NMEA-0183 是在 0180 及 0182 的基礎上，增加了 GPS 接收器輸出的內容而成 的。在電子傳輸的實體界面上，NMEA-0183 包括了 NMEA-0180 及 NMEA-0182 所定 的 RS-232 傳輸介面格式，並且又增加了 EIA-422 的工業標準介面，在傳輸的資料內 容方面，也比 NMEA-0180 及 NMEA-0182 來得多。目前廣泛使用的 NMEA- 0183 的 版本為 Ver.2.01。NMEA 格式所傳輸的資料為美國國家標準資訊交換碼(American Standard Code for Information Interchange，ASCII)，以句子的方式傳輸資料，每一個 句子以「$」為起始位置，及 ASCII 中的 Carriage Return{CR}和 Line Feed{LF}碼為終 止。 每一個句子的長度不一定，而最長可達 82 個字元，而句子中的欄位以逗號「，」

分格。第二、三個字元為傳輸設備的識別碼，如「GP」為 GPS 的接收器。第四、五、

六個字元為傳輸句子的名稱，如「RMC」為 GPS 建議的最小傳輸資料(Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data)；「GGA」為 GPS 固定資料(Global Positioning System Fix Data)。 GPRMC 的資料為目前廣泛使用的標準內容，若要將經緯度轉成浮 點數的方式，以此為例 4124.8963，除以 100 得到 41.248963 將小數點後面運算除 60 乘 100 => 0.248963*100/60 = 0.103303 再加上先小數點前的值 41+0.103303=41.103303 這樣我們就能在 Google Map 中使用，GPRMC 其內容定義如下[8]：

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh <1> UTC 時間，hhmmss.sss(時分秒.毫秒)格式

<2> 定位狀態，A=有效定位，V=無效定位

<3> 緯度 ddmm.mmmm(度分)格式(前面的 0 也將被傳輸) <4> 緯度半球 N(北半球)或 S(南半球)

<5> 經度 dddmm.mmmm(度分)格式(前面的 0 也將被傳輸) <6> 經度半球 E(東經)或 W(西經)

<7> 地面速率(000.0~999.9 節，前面的 0 也將被傳輸)

<8> 地面航向(000.0~359.9 度，以正北為参考基准，前面的 0 也將被傳輸) <9> UTC 日期，ddmmyy(日月年)格式

<10> 磁偏角(000.0~180.0 度，前面的 0 也將被傳輸) <11> 磁偏角方向，E(東)或 W(西)

<12> 模式指示(以 NMEA0183 3.00 版本输出，A=自主定位，D=差分，E=

估算，N=數據無效)

程式開始以「$」作為判斷每一段落的資料起始，之後再辨別收到的資料是否為 GPRMC 的字串，每筆資料在程式中以逗點分隔加以判斷各字元位置並解碼，將所需 要的部份提出，再另外於讀取器加以整合後，透過 RS-232 輸出至電腦，整個操作流 程圖如圖表 3-10、GPS 標籤發射流程圖及圖表 3-11、GPS 讀取器接收流程圖。

START

是否有GPS訊號

標籤接收GPS訊號

填入RF發送暫存器

RF暫存器是否已滿

發送RF訊號 YES

YES

NO NO

通知讀取器並等候

發送回覆 >1S 取亂數倒數計時 歸零

YES

圖表 3-12、GPS 標籤發射流程圖 SEART

是否有標籤確認碼

發送傳送通知

開始接收資料

資料是否正確

接收暫存器已滿

發送資料至PC端 YES

YES

YES

NO

NO NO

圖表 3-13、GPS 讀取器接收流程圖

3.3 系統運算模式

系統運算方式下：

一、 GPS 接收模組不斷的接收 GPS 訊號，並透過 UART 將接收到的資料傳送 至 ACTIVE RFID TAG 進行資料的傳遞。而 RFID 讀取器負責將資料接收 回來透過 RS-232 介面傳送到電腦端進行資料運算與儲存。當 TAG 在 RFID 讀取器的讀取範圍內時，資料會自動判斷並即時回傳 GPS 的時間、經度、

緯度與高度等資料，但當傳送的資料越多，傳送時間越久，因此若同時有 多標籤經過讀取器範圍時，可讀取的標籤數就會越少，建議一般傳送的資 料為時間、經度與緯度，若所經過的地形有高架橋或高低差之地點時，則 再增加一筆高度的資料即可應付目前測試所需。然而因為是透過 RF 訊號 傳送資料，當資料量越大，資料傳送時的遺失率就越高，此時由 nRF9E5 內建的 CRC 判斷位元指令，即可減少資料遺失的機率，不過當資料有所 遺失時，RFID 讀取器會重複詢問標籤而增加一次的標籤讀取時間。由以 上可知當同一時間資料量越大，傳送的時間越長，資料遺失率越大，可以 同時讀到的標籤就越少。

二、 GPS 接收模組不斷的接收 GPS 訊號，並將接收的資料儲存於 RFID 標籤 內的記憶體中，標籤記憶體定址單顆最大為 4MB，以每筆資料 140 個 Bit(內 含時間、經度、緯度與高度)來計算，可記錄 4000000/150=28570 筆的資 料，以每秒記錄一次，再扣掉原始程式碼約可記錄 8 小時的資料。當標籤 於讀取器可讀取範圍內時，讀取器會喚醒標籤，並自動與標籤進行溝通，

將標籤內所儲存的資料整批往後端電腦送，並由電腦將資料儲存起來。當 資料超過 4MB 時，會自動覆蓋掉最原先的資料。

三、 RFID 讀取器天線換成發射與接收功率為 0dBi 的單極化天線，其讀取範圍 可達半徑 80 米至 100 米的圓，當多個 RFID 標籤於讀取範圍內時，讀取 器會發送回應信號給所有的標籤，此時各標籤會產生一個亂數的值後，開

始進行倒數計時，當標籤倒數計時結束時，則發送相關資料並請讀取器回 應 CRC 結束判斷字元，此時讀取器即可判斷標籤數量，並將標籤編號與 GSP 定位資料往後端平台送。

3.4 測試結果

首先我們製作一個雛型模組如圖表 3-14、GPS 與 RFID 標籤整合與圖表 3-15、

RFID 讀取器如下所示：

圖表 3-16、GPS 與 RFID 標籤整合

圖表 3-17、RFID 讀取器

首先當 GPS 透過 UART 將其 NMEA0183 的資料傳送給 RFID 標籤後，需先判斷 資料為我們所要$GPRMC，而後在透過 RF 端發送訊號給讀取器之前，需先將資料放 入 RF 傳送暫存器中，RF 傳送暫存器的大小為 32 個字元，也就是最多一個封包可一 次傳送 32 個字元，超過就要再另外存入一次傳送暫存器，也因為 RF 傳送暫存器的 大小限制，因此必須將每筆資料前置字元$GPRMC 濾掉，濾掉後的資料長度是 63 個 字元，傳送暫存器僅需傳送兩次即可將資料傳完，所以可以增加每次傳送的速度。以 下為最後讀取器所接收到的內容：

READER in start.

081001.000,V,2400.0000,N,12100.0000,E,000.0,000.0,311211,,,N*7B 081143.000,V,2400.0000,N,12100.0000,E,000.0,000.0,311211,,,N*7C 081145.000,V,2400.0000,N,12100.0000,E,000.0,000.0,311211,,,N*7A 081147.000,V,2400.0000,N,12100.0000,E,000.0,000.0,311211,,,N*78 081157.038,A,2446.4469,N,12102.8338,E,000.0,000.0,311211,,,A*65 081402.038,A,2446.4477,N,12102.8237,E,001.3,285.8,311211,,,A*64 081412.038,A,2446.4489,N,12102.8225,E,000.0,286.5,311211,,,A*6B

上述資料依照逗號分隔之排列順序為：UTC 時間、定位狀態、緯度、緯度半球、

經度、經度半球、地面速率、地面航向、CRC 識別資訊。當資料要送到後端導航設 備做地圖導航時，只要將此一字串再整合成一個封包，並在前面加上判斷與前置位元

$GPRMC 即可還原為原始 GPS 的資料，再透過 RS-232 傳輸介面，也可以給一般使 用 NMEA0183 資料的地圖導航軟體所使用。

當使用多標籤來進行 GPS 資料傳送時，因為此一模式牽扯到 RFID 的多標籤碰 撞機制與載波檢測功能，因此當同時發送的 RF 封包越多，且字串越長時，標籤一個 封包傳輸的時間越久，RF 訊號產生碰撞的機率也越大，此時封包遺失掉的機率就越 高，而且當範圍內某一標籤的靈敏度較一般的高時，此一標籤的被讀取機率也較同一

範圍內的標籤高，此時若降低字串長度到可以減少封包數目，則可以有效的將標籤傳 送訊號的碰撞機率減少。因此我們每一個字串以 32 個字元的長度為目標，同時還需 在字串前端加上標籤判別字元，所以將字元刪減後的資料如下所示：

READER in start.

B120008.0002400.0000N12100.0000E B120009.0002400.0000N12100.0000E B120010.0002400.0000N12100.0000E A120000.0002400.0000N12100.0000E A120001.0002400.0000N12100.0000E B120010.0002400.0000N12100.0000E B120032.0002400.0000N12100.0000E A120001.0002400.0000N12100.0000E A120023.0002400.0000N12100.0000E B120046.0002400.0000N12100.0000E

位元 1 2~11 12~20 21 22~31 32

說明 標籤號 UTC 時間 緯度 緯度半球 經度 經度半球

由輸出資料可以看出某一標籤會在一定時間持續被接收到，因此會有好幾筆連續 的資料是由同一個標籤所發射出，但若另一個標籤也在某一傳送空檔同時插入發送行 列，會造成資料碰撞而導致讀取器接收到的資料不正確，目前所使用的解決方法為使 標籤進入睡眠並取亂數(0~1 秒內，1ms 為一個單位)醒來發送確認碼給讀取器，若此 時讀取器並無其他標籤正在溝通中，即可收取確認碼，收取後發送傳送通知給標籤，

讓標籤可以傳送 GPS 訊號給讀取器接收。若標籤發送確認碼時，正有其他標籤在溝 通當中則等待 100ms 後再發送一次確認碼，重覆此步驟直到讀取器接收資料，實際 測試使用最多 5 個標籤，某一標籤持續傳送的現象大大減小，並且每一個標籤傳送的 穩定度也因少了其他標籤的資料影響，而大大的增加。

GPS 模組內的晶片與主動式 RFID 的晶片會有某種程度的相互影響，例如：RF 訊號互相干擾、高速 PCB 信號透過傳輸介面或接地互相影響，導致接收與傳送的資 料錯誤，造成讀取距離大大降低，縮短為約 2 公尺左右，因此在設計整合在 PCB 板 上時，需特別注意 EMI 與 EMC，同時數位與類比的接地也須分開才好。[9]

4 RFID 應用於跑步計時計圈的設計開發

RFID 應用於路跑競賽活動計時記圈的技術發展，在近幾年有關鍵性的成長，不 管是以 LF 為主的 Champion chip 產品，HF(一般感應卡的計時系統)或 UHF 的頻段 (Chrono Track System，RFID Timing system)都在一般國內外賽事，尤其是馬拉松賽 事，有數萬人參與，如何記錄這些人的時間與名次，已經不是透過人力手動計時或發 名次卡這種方式可以解決的。所以透過 RFID 的技術，就可以完整的提供數萬人的馬 拉松賽事的成績記錄工作。在本論文中，我們以 nRF9e5 為核心，設計一個具接收與 發射功能的長距離跑步計時系統，由於採用主動式 RFID 設計，所以具有在有限範圍 內大量讀取的特性，唯仍有部分誤差的存在，所以此技術僅適用於長距離記圈計時使 用，無法提供短距離精確計時及名次判定之用。

4.1 系統架構圖

圖表 4-1、RFID 跑步記圈計時系統架構圖

整個系統的組成可以由圖表 4-2、RFID 跑步記圈計時系統架構圖看出，包括跑 者身上的 Tag 架設在跑道旁邊的 Reader 讀取模組以及負責 RF 訊號接收發射的天線，

當 Reader 模組透過 RF 訊號接收發射的天線接收到跑步者身上的資料之後，就會送給 後端的成績處理系統，此時系統會根據資料內容，即時計算出跑步者已經跑過的時 間、已經跑步的距離及圈數，並將此相關訊息即時顯示在大型顯示器上，供跑者瞭解 自己目前的跑步狀況。同時後端有資料庫可以存放跑者的相關資料，如姓名、年齡、

身高、體重等基本資料，再與每次跑步的結果進行資料的整合，可以讓跑者透過多次 的跑步資料了解自身的優缺點，而且固定時間更新基本資料也可讓跑者了解身體狀況 的好壞。

4.2 接收發射模組開發

我們利用 nRF9e5 來設計一個簡單的 Active Tag，並將此 Active Tag 做成腕錶的 型態，方便跑者帶在手腕(或手臂)上。整個 Active Tag 的電路設計如下圖表 4-3、標 籤內部電路方塊圖所示：

圖表 4-4、標籤內部電路方塊圖

此標籤使用一顆標準 3.7V 的鋰電池，因此可以反覆充電 100 次以上，其中有充 電電路與充電管理 IC(SE9016)以防止電池充電過量而產生爆炸，電池需經過一組電源 轉換電路(LM317)，將電壓降為 3.3V 並且濾波，才可以有乾淨的電源輸入，RF 發射 接收訊號也會較為穩定。同時標籤上的程式都是存在外部記憶體 IC(25LC640)內，當

標籤開始使用時，會載入記憶體程式，因此若需要更新程式只需要更新記憶體即可，

不需要換控制器，此 nRF9E5 為 RF 電路與微控制器整合的晶片，所以只要天線的輸 入輸出阻抗有匹配到其所提供的共軛複數值，就可以直接使用，其相關參數如下表格 4-1、標籤規格表所示。

表格 4-2、標籤規格表

技術項目 運動計時標籤

1 操作頻率範圍 922MHz ~ 928MHz

2 讀取器輸出功率, Pr (dBm) 30(1w) 3 讀取器接收靈敏度Sr (dBm) -103

4 讀取器天線增益, Gr (dBi) 0 6

5 標籤功率規格, Pt (dBm) 0 6 標籤天線增益, Gt (dBi) -2

7 系統操作波長, (m) 0.325

8 解調變方式 ASK

9 調變深度 90% nominal

10 電源 3.3V ± 1%

Tag 電路設計圖如下圖所示：

圖表 4-5、Tag 電路設計圖

Reader 電路圖如下圖所示：

圖表 4-6、Reader 電路設計圖

為了可以讓跑者瞭解目前訓練的狀態及最後的圈數顯示，我們需要在跑步標籤腕 錶上，增加通知跑者的方法，一開始嘗試使用喇叭或震動開關，但皆因耗電量太大，

大大降低標籤可使用之時間，最後選擇了 LED 燈號顯示，方便跑者做最後的衝刺。

標籤上有一按鍵式開關，只需按下此鈕，標籤及開始動作。標籤上有四個 LED 指示 燈，當電源打開時，黃燈會亮起，若沒電則會熄滅。當標籤充電時，上面的綠燈會亮 起，充電完成後會熄滅。於跑步模式下，開始起跑以及每跑完一圈時，標籤有接收到 讀取器的訊號時，第二格紅燈會亮起，並持續 3 秒後熄滅，當進入最後一圈跑步時程，

綠燈會持續亮起做為提醒訊號，完成最後一圈結束時，則紅燈同時亮起,顯示出現黃 橙色（綠燈、紅燈）。燈號顯示狀態如下圖所示：

圖表 4-7、標籤燈號顯示狀態 最後的跑步標籤如下圖表 4-8、跑步標籤實體圖所示：

圖表 4-9、跑步標籤實體圖

4.3 測試結果

我們將主動式 RFID 腕錶配帶於每位跑者的身上，並於跑道旁邊架設 RFID 的 Reader，透過 Reader 和 Tag 之間的通訊來完成跑者的記圈與計時的功能。由於是透 過 RF 的訊號來進行跑者的識別，所以感應區的架設與 RF 的涵蓋範圍都會影響到最 後進入終點的順序；所以在本計畫中我們設計一個號角(Horn)的天線，此天線放置於

開關

終點線，號角(Horn)天線的發射中心平行於終點線，且其光束角(Beam angle)使用外 框金屬機構使其小於 15 度，這樣可以期望當跑者達到終點區域有效的讀取寬度約為 1 公尺。(如下圖表 4-10、RFID 記圈計時現場架設圖所示)

圖表 4-11、RFID 記圈計時現場架設圖

於本測試中我們分兩部份來測試，其一為大量讀取率測試，其二為精確度測試。

大量讀取率測試

我們以 80 個跑者做測試，採方陣隊形測試，每一列為 5 人，每一行為 16 人，共 80 人進行測試，彼此間隔約為 1 公尺的距離，(如下圖表 4-12、現場測試圖所示)

圖表 4-13、現場測試圖

透過 RFID 的 Reader 和 Tag 之間的通訊，當跑者通過檢查點或終點線時，Reader 可以及時收到跑者身上 Tag 的資訊，經過計算之後，可以即時顯示於大型戶外 LED 顯示器，讓跑者可以及時瞭解自己已跑的圈數和所花的時間，如下圖表 4-14、戶外 高亮度成績顯示系統所示。

圖表 4-15、戶外高亮度成績顯示系統

測試結果：讀取率皆達 100%

 讀取精確度測試及時間誤差分析

本測試係探討跑者差不多同時通過終點，或成行或成列時，本系統如何分辨其先 後順序所安排的測試；我們以三人成行、五人成行、三人成列及五人成列等不同狀況，

來確保其讀取的順序是否可以有效分辨。

測試結果：

1. 讀取率測試：

 三人成行讀取率可達 100%

 五人成行讀取率可達 100%

 三人成列讀取率可達 100%

 五人成列讀取率可達 100%

2. 精準度測試：

 三人成行(五人成行，多人成行…)其精準度誤差皆可控制於 1 秒內，但先後 次序無法明確區分

 三人成列(五人成列)若彼此誤差於 1 秒內，其排列順序於 1 米內，其先後次 序仍無法明確區分

 三人成列(五人成列，多人成列…)若間格為 2 米以上其精準度可明確判斷出 先後次序(進終點名次可明確區分)

 測試數據：

一、 三人成行，通過終點的人員排列方式與讀取器所讀回成績資料：

結論：誤差皆於 1 秒內

二、 三人成列，通過終點的人員排列方式與讀取器所讀回成績資料：

結論：先後順序明確區分

三、 六人先後整齊排列，測試 1(排列方式小於 1M)，通過終點的人員排列方式 與讀取器所讀回成績資料：

結論：誤差皆於 1 秒內，但部分先後順序無法明確區分

四、 四人成列，通過終點的人員排列方式與讀取器所讀回成績資料：

結論：先後順序明確區分

五、 六人先後交錯排列，測試 2(排列方式小於 1M)，通過終點的人員排列方式 與讀取器所讀回成績資料：

結論：誤差皆於 1 秒內，但部分先後順序無法明確區分

六、 五人成列，通過終點的人員排列方式與讀取器所讀回成績資料：

結論：先後順序明確區分

由於是採用 Active 感應式手環設計，此手環與終點的讀取器在感應區內完成圈

數及計時的工作。不過由於手臂的前後擺動以及感應區域大小、方向、光束角等的設 計，所以當跑者肩並肩進行衝刺時，系統無法明確瞭解跑者身體於跑道上的實際位 置，僅能從擺動手臂上的感應式手環的位置進行計時，所以會有時間的誤差，但誤差 皆於 1 秒內。

4.4 與其他 RFID 計時系統比較

國際級的跑步計時系統，在高速且短距離(如百米競賽、自行車、溜冰等)的競賽 上，要判斷肩並肩衝刺的精準度，絕大部分是採用線計時器，其精準度可達千分之ㄧ 秒，唯此系統僅作終點成績判讀無法進行圈數計算，請參考下圖表 4-16、終點線攝 影機的精確計時圖所示。

圖表 4-17、終點線攝影機的精確計時圖 (2005 Korea World Championship In line Speed Skating)

國際級的馬拉松競賽計時系統，如北京奧運、ING 馬拉松賽、紐約馬拉松賽等等 所使用的 Champion chip 系統，(www.mylaps.com)如圖表 4-18、冠軍晶片計時系統所 示，此為被動式 134.2KHz 系統，其感應晶片由於讀取距離僅有 50 公分且考慮人體 的干擾與遮蔽問題，所以需繫於鞋子上，唯在極短時間內的肩並肩衝刺時，仍有左右

腳是哪一隻腳上有掛晶片且此腳是否為前腳而優先踩在地墊上，產生名次先後的爭 議。

圖表 4-19、冠軍晶片計時系統

5 結論及建議

RFID 是一個新興的科技，也刺激了許多新的應用領域，透過本論文我們提供了 一套完整的 RFID 模組開發的設計，從 Reader 和 Tag 之間的通訊協定開始規劃，並 注重現場環境的架設，阻絕可能 RF 訊號干擾源的布建，以提高讀取效果。我們以一 個簡單的 RFIC 實做出一個完整的 RFID 系統，此系統並整合小型 GPS 模組，可以應 用在大範圍且多人的人員識別定位系統(如監獄、安養院、礦場)，當範圍內的人員突 然消失，或長時間呆在某定點時，後端平台即會發出警報，告訴相關人員加以注意。

或可應用於一定時間的競賽運動(如路跑活動、腳踏車、溜冰)軌跡紀錄，跑者在 到達終點後，可以將其活動軌跡資料透過 RFID 往後端平台送，減少有線傳輸的排隊 時間，同時也可以藉此判斷跑者是否有依照規定的路線進行路跑活動，避免爭議。

也可應用於車輛管理系統(如：計程車、貨運、公車)之軌跡紀錄，當車輛於下班 後返回公司，即可進行行車軌跡資料的搜集，並藉此可以判斷出司機是否有繞路、或 偷懶，甚至若裝設在貨櫃上，亦可減少中途換貨甚至走私的情況發生。

隨著各項運動休閒活動越來越多，人們運動的比例也大幅提高，此系統亦可以提 供全民健康管理與體適能諮詢系統，並與既有之健康保健食品咨詢服務、深度（精緻）

休閒旅遊認證關懷服務、區域諮詢照護追蹤服務等機制相結合，提供全民安全、安心 的體適能運動管理及健康諮詢的全方位服務。

透過此系統可提供運動人員即時的身體資訊監測及記錄計時的功能，不但可簡化 練習時繁瑣的計時工作，同時也可避免因為不夠瞭解自己身體狀況而發生危險。可以 應用於公園、運動場、健身房、自行車步道等經常從事運動的人員身上。更進一步，

未來此系統可以與外加相關模組的生理資訊標籤相互結合，即可隨時得知目前的身體 資訊，例如：心跳、脈搏、血壓等。透過活動區域讀取裝置的外加顯示系統，則會將

身體資訊即時顯示於 LED 看板，讓運動人員能立即了解自身的運動量及生理狀態。

透過後端 Web 網路設定，亦可即時提供訊息傳遞服務，當配戴此健康管理專用標籤 時，通過讀取顯示器、亦可接收顯示好友或家人傳遞之即時訊息；此外標籤會傳回目 前感測到的生理資訊，監控中心將資料比對後，如判斷此人員身體狀況異常時，則即 時發出警訊並通知相關人員即刻處理，避免運動人員發生危險。運動人員亦可以在回 家之後，透過網站入口從伺服端資料庫了解過去 3 個月的運動資料，此後端伺服器亦 可提供相關之健康諮詢服務。

參考文獻

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司，2005

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[15] Frank Karlsen ,“Guidelines to low cost wireless system design” NORDIC Semiconductor

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附 錄 一

EPC Class 1 Gen-2 的 Q 演算法

在 Gen-2 協定中，讀取器用來設定 slot-count 參數 Q 的演算法(簡稱 Q 演算法) 如 圖 4-13 所示，利用在 Query 或 Query Adjust 命令參數調整 Q 值(0,15)來取得標籤的回 應，在圖 4-13 中，Qfp 定義為 Q 的浮點表示式，讀取器依 Qfp 的循環，取出最接近 整數的值(替代為 Q)，並放入 Query 指令使用，在圖中之 C 值係介於 0.1<C <0.5，若 Q 值較大時，讀取器會取較小的 C 值，若 Q 值較小時，讀取器會取較大的 C 值，由 圖可知有三種情形改變 Qfp 值，說明如下：

　 只有一個標籤回應，Qfp= Qfp。

　 沒有標籤回應，由於可能係選擇的 slot 空值，故 Qfp= Qfp-C。

　 二個以上標籤回應，代表選擇的 slot 導致碰撞發生，故 Qfp= Qfp+C。

Q algorithm(圖資來源：EPCglobal C1G2 規範) 程式碼

Reader sends Query.

for inventory procedure

Every tag generates RN16 & slot counter.

for current frame

If slot counter == 0

Tag replies its RN16.

end

If a single tag replies

Reader sends ACK with RN16.

If RN16 received by tag == RN16 saved in tag Tag sends EPC to reader.

end

Reader sends QueryRep.

else if multiple tags reply

Reader sends QueryRep or QueryAdjust.

else if no tag replies

Reader sends QueryRep or QueryAdjust.

end

If tag receives QueryRep

slot counter = slot counter – 1 end

end

Reader sends QueryAdjust.

end

附 錄 二

Active RFID 接收發射模組程式碼[10][11][12]

nRF9E5 基本參數設定程式

/*--- * reg9e5.h

* Keil C51 header file for the Nordic Semiconductor nRF9E5 433-968MHz RF * transceiver with embedded 8051 compatible microcontroller.

* $Revision: 3 $

*---*/

#ifndef __REG9E5_H__

#define __REG9E5_H__

/* BYTE Registers */

sfr P0 = 0x80;

sfr SP = 0x81;

sfr DPL = 0x82;

sfr DPH = 0x83;

sfr DPL1 = 0x84;

sfr DPH1 = 0x85;

sfr DPS = 0x86;

sfr PCON = 0x87;

sfr TCON = 0x88;

sfr TMOD = 0x89;

sfr TL0 = 0x8A;

sfr TL1 = 0x8B;

sfr TH0 = 0x8C;

sfr TH1 = 0x8D;

sfr CKCON = 0x8E;

sfr P1 = 0x90;

sfr EXIF = 0x91;

sfr MPAGE = 0x92;

sfr SCON = 0x98;

sfr SBUF = 0x99;

sfr IE = 0xA8;

sfr IP = 0xB8;

sfr T2CON = 0xC8;

sfr RCAP2L = 0xCA;

sfr RCAP2H = 0xCB;

sfr TL2 = 0xCC;

sfr TH2 = 0xCD;

sfr PSW = 0xD0;

sfr EICON = 0xD8;

sfr ACC = 0xE0;

sfr B = 0xF0;

sfr EIE = 0xE8;

sfr EIP = 0xF8;

sfr P0_DRV = 0x93;

sfr P0_DIR = 0x94;

sfr P0_ALT = 0x95;

sfr P1_DIR = 0x96;

sfr P1_ALT = 0x97;

sfr P2 = 0xA0;

sfr PWMCON = 0xA9;

sfr PWMDUTY = 0xAA;

sfr REGX_MSB = 0xAB;

sfr REGX_LSB = 0xAC;

sfr REGX_CTRL = 0xAD;

sfr RSTREAS = 0xB1;

sfr SPI_DATA = 0xB2;

sfr SPI_CTRL = 0xB3;

sfr SPICLK = 0xB4;

sfr TICK_DV = 0xB5;

sfr CK_CTRL = 0xB6;

sfr CKLFCON = 0xBF;

/* BIT Registers */

/* PSW */

sbit CY = PSW^7;

sbit AC = PSW^6;

sbit F0 = PSW^5;

sbit RS1 = PSW^4;

sbit RS0 = PSW^3;

sbit OV = PSW^2;

sbit F1 = PSW^1;

sbit P = PSW^0;

/* TCON */

sbit TF1 = TCON^7;

sbit TR1 = TCON^6;

sbit TF0 = TCON^5;

sbit TR0 = TCON^4;

sbit IE1 = TCON^3;

sbit IT1 = TCON^2;

sbit IE0 = TCON^1;

sbit IT0 = TCON^0;

/* IE */

sbit EA = IE^7;

sbit ET2 = IE^5;

sbit ES = IE^4;

sbit ET1 = IE^3;

sbit EX1 = IE^2;

sbit ET0 = IE^1;

sbit EX0 = IE^0;

/* IP */

sbit PT2 = IP^5;

sbit PS = IP^4;

sbit PT1 = IP^3;

sbit PX1 = IP^2;

sbit PT0 = IP^1;

sbit PX0 = IP^0;

/* P0 */

sbit T1 = P0^6;

sbit T0 = P0^5;

sbit INT1 = P0^4;

sbit INT0 = P0^3;

/* P1 */

sbit T2 = P1^0;

sbit EECSN = P1^3;

/* SCON */

sbit SM0 = SCON^7;

sbit SM1 = SCON^6;

sbit SM2 = SCON^5;

sbit REN = SCON^4;

sbit TB8 = SCON^3;

sbit RB8 = SCON^2;

sbit TI = SCON^1;

sbit RI = SCON^0;

/* T2CON */

sbit TF2 = T2CON^7;

sbit EXF2 = T2CON^6;

sbit RCLK = T2CON^5;

sbit TCLK = T2CON^4;

sbit EXEN2 = T2CON^3;

sbit TR2 = T2CON^2;

sbit C_T2 = T2CON^1;

sbit CP_RL2 = T2CON^0;

/* EICON */

sbit SMOD1 = EICON^7;

sbit WDTI = EICON^3;

/* EIE */

sbit EWDI = EIE^4;

sbit EX5 = EIE^3;

sbit EX4 = EIE^2;

sbit EX3 = EIE^1;

sbit EX2 = EIE^0;

/* EIP */

sbit PWDI = EIP^4;

sbit PX5 = EIP^3;

sbit PX4 = EIP^2;

sbit PX3 = EIP^1;

sbit PX2 = EIP^0;

/* RADIO Port (P2) */

sbit SPI_SCK = P2^0;

sbit SPI_MOSI = P2^1;

sbit RACSN = P2^3;

sbit TXEN = P2^4;

sbit TRX_CE = P2^5;

sbit SPI_MISO = P2^2;

sbit EOC = P2^4;

sbit DR = P2^5;

sbit CD = P2^6;

sbit AM = P2^7;

sbit P00 = P0^0;

sbit P01 = P0^1;