微型生醫感測系統暨供電技術開發

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

微型生醫感測系統暨供電技術開發 研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 96-2623-7-011-002-ET

執 行 期 間 ： 96 年 01 月 01 日至 96 年 12 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學電機工程系

計 畫 主 持 人 ： 劉益華

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理：胡賀鈞、廖益昌

處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 97 年 02 月 21 日

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一、前言

為因應高齡化社會的來臨，世界各國對於生醫技術發展可說是不 遺餘力，不可諱言生技與醫藥儼然已成為廿一世紀最重要且最具發展 性的科技之ㄧ。以如圖 1 所示之 BioWorld Financial Watch 資料庫的統 計資料為例，2005 年上半年全球生技產業增資概況總計約為 95 億美 元。與 2004 下半年 94 億美元相較，雖無法發現明顯成長，但是與 2004 年同期的 114 億美元增資相比則為下滑 17%；但可以看出自 2003 上 半年來逐漸復甦增溫的生技產業投資狀況，在 2005 上半年又有反轉降 溫的跡象。觀察 2005 年 6 月全球生技產業的增資概況，共計為 28.4 億美元，為 2005 年的增資總額新高點，也與 2004 年最高點的 2 月份 表現相當，可見全球對生物科技仍在持續發燒，亦是目前科技發展的 重點。現代人對於生活品質與衛生保健的日趨重視，觀念已不像是從 前有病才就醫，而是更積極地做到預防勝於治療的概念。

未來個人的健康管理將不只是生病時才看醫生，還包括平時定期 測量監控各項健康指數，基本的如體溫、脈搏，更進一步的如血壓、

血糖、血氧含量、眼壓、呼吸率及肺功能等，加上半導體以及 IC 製程

技術上已相當成熟，電子、電機及通訊等產品均已朝輕量化發展的同

時，生醫器材也朝個人可攜式的趨勢前進，配合無線傳輸的技術，藉

由電腦與通訊網路，可以讓白天出門在外的上班族，隨時了解家中小

朋友和長輩目前的生理狀態，或是醫生可以利用相同的方式來監控需

長期觀察之病患的身體狀況，此項技術除了可以應用在個人居家或是

外出時的健康管理，在發生意外事故的時候，亦可讓熟悉個人身體狀

況的醫生利用遠距醫療系統做遠端協助緊急救護，保障生命安全。

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圖 1 2003 至 2005 上半年全球生技產業增資狀況

*資料來源：BioWorld Financial Watch 資料庫；工研院 IEK-ITIS 計畫（2005/07）

本文所開發的可攜式生醫感測器，其電能來源為微發電機，供給 溫度、脈搏感測器以及無線傳輸模組工作，使用微發電機的優點在於 能隨時隨地發電，讓感測系統的使用地點與使用時間不受到限制，加 上無線傳輸模組定時發送感測到的溫度資訊，再由遠端電腦接收，方 便於遠距的醫生或是家人能即時的監控病患或是家人的情況。

二、研究目的

目前的攜帶式設備如手機、隨身聽、個人數位助理（PDA）或是

生醫用產品等，由於名為可攜式產品，所以大多是使用電池為其電能

來源，電池的使用情形大致可分為一次電池和二次電池（即俗稱的充

電電池） 。當科技發展的同時，可攜式產品的市佔率也逐年倍增，相對

在電池的使用量上也會隨之增加，但電池的使用壽命有限，當電池不

堪使用時即成為廢電池，對環境會造成極大的污染。由於電池有使用

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時間的限制，使用電池的廢棄問題是無可避免的，因此本計畫提出一 個使用可攜型微小發電機作為電能來源的構想，短期內是以微發電機 與電池交互使用來提供系統正常運作，而中長期的概念是以微發電機 完全取代電池的功能，以期達成大幅減少電池用量的理想，來對地球 環境的保護盡一份心力。

雖然微發電機所發出的電隨其使用形式而有所不同，但其發電之 電壓電流範圍多半相當低。微發電機所產生之電能如同一般發電機為 一個交流電源，無法直接提供一般普遍 IC 所需的直流電源，必須要做 適當且穩定地轉換方可使用。因此，在考慮到實際的應用場合時，必 須提供一能量轉換介面將電壓等級轉換成實際 IC 所適用者。

綜合以上所言，本計畫擬針對微發電機為標的開發微型生醫感測 系統暨供電技術，主要目標為開發一以微發電機為基礎之微型生醫訊 號量測系統，並據其需求開發適用於微發電機並可提供此微型生醫訊 號量測系統所需電源之供電系統能量轉換介面。本計畫期待可達到提 昇我國生醫感測系統應用層面以及培育電力電子電路設計與應用人才 之目的，並期在推廣微發電機應用的成果下達成節省電池使用量與節 能的終極目標。

本計畫預計可達到下列成果：

‧完成生醫訊號量測電路雛形

‧開發生醫感測訊號無線傳輸技術

‧建立生醫感測訊號監控人機介面

‧開發微發電機供電技術

‧開發微型生醫感測系統雛形

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三、文獻探討

由於微發電機目前在產業的應用上尚未普及，因此國內外學者在 本技術上的研究成果仍比較傾向於發電機本身發電技術之研究，對搭 配應用的供電系統方面上的研究成果仍付之闕如。本段將針對國內外 產業在微發電機方面上發展的進行一簡單之介紹，並針對國外在本技 術上之研究做一簡介：

‧國內相關研究

目前國內針對微小型發電機方面的研究以工研院機械所所開發之

"電磁式微小發電機技術"為最成熟。該所以所內專長的平面線圈技術 及碟型馬達設計為核心技術，開發出體積小、發電效率高的多種電磁 式發電機，該發電機能自主、即時發電以供給可攜式產品所需的電力，

也可以當作環境中剩餘能源回收的工具。此外，中山大學黃永茂教授 以微機電技術中「體型微細加工」及「精密機械加工」之技術，製作 微發電機系統之主要振動結構。中山大學潘正堂博士針對垂直場高磁 能積電磁式微發電機以及振動式自主性微發電機系統進行開發。高雄 第一科技大學機械系劉永田教授曾針對壓電式微發電機技術進行探 討。高雄海洋科技大學輪機工程系楊春陵教授則針對微發電機微系統 散熱技術加以研究。國科會中區微機電系統研究中心也成功開發出電 磁感應之微發電機。中興大學精密工程研究所楊錫杭則針對壓電型微 發電機設計與製程研究。

在生醫感測器方面，由於生技科技的蓬勃發展，國內進行此類相

關產品開發的廠商相當的多，在此便不一一列舉。舉例而言，以微機

電技術所開發之生醫感測系統來說，大同公司所投資之坤德公司自

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2000 年起便積極投入微機電技術之研發，近年來已有初步之成果與基 礎，主要為 Bio sensor 及 RF components ，這些感測器與技術將逐 步應用於現今代工之醫療器材及汽車類產品上。

‧國外相關研究

在國外相關學術研究方面， Stark 教授等人曾針對微發電機之電能 轉換技術進行研究， Geffrey 教授等人則針對壓電式電磁發電機之降壓 轉換電路最佳化技術進行開發，Williams 教授等人針對電磁式微發電 機進行研究， Mitcheson 教授等人則針對微小型發電機所使用之電能轉 換器之電路設計以及元件選擇技術進行探討。 Cote 教授等人針對新式 生醫感測器及其應用場合進行研究， Moh 教授等人則針對體內生醫感 測器資料收集技術進行探討，Mundt 教授等人針對微小型生醫感測器 之 SPICE 電路模型進行開發，Dietterle 教授等人則針對長時間健康狀 態偵測用之無線通訊技術進行探討。

在研究團隊方面，麻省理工大學所開發的微發電機擁有最大的輸 出功率 100 μW，且將其設計之微發電機與低耗電的積體電路元件結 合。香港大學 Wen J. Li 在 2000 年針對震動式微小發電機設計與製作 做完整討論；以雷射加工製作彈簧結構搭配感應線圈製作微發電機，

發電功率可達 10μW。加州大學 Aman Kansal 教授等人針對感測器用 之分散式微發電技術進行研究，蘇黎世大學的 Julian Randall 教授等人 則針對微能量擷取技術進行探討，匹茲堡大學的 Thomas J. Johnson 教 授等人針對壓電微發電機所用之材料進行研究。

在國外產業界方面，荷蘭飛利浦公司參與歐盟第六期研究架構計

畫之振動能源回收利用計畫，其目標為開發一微型發電模組。深圳市

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博銳恒科技有限公司，從事微電機，微發電機及其相關產品的設計，

開發，生產。產品主要適用於音響，保健，醫療器械，自動化設備；

手搖手電筒，手搖充電器，應急充電器，手搖收音機等多個方面。英 國 Perpetuum 公 司 推 出 一 種 微 型 發 電 機 (energy harvesting microgenerator)，號稱可為準確監控發電設備和機械工作狀態的感測 器、微處理器和發射器供電，而不需要電池、昂貴的纜線或者維修。

Motorola 也在 2002 年推出可供行動電話充電用的手搖電磁發電機。從 市場需求角度及研究發表文件日益增加來看，未來電磁式微小發電機 的研發成果是可以期待的。

本計畫擬針對微發電機為標的開發微型生醫感測系統暨供電技 術，主要目標為開發一以微發電機為基礎之微型生醫訊號量測系統，

並根據其需求開發適用於微發電機並可提供此微型生醫訊號量測系統 所需電源之供電系統能量轉換介面。期待在完成本研究後，能完成符 合微發電機供電需求之微型生醫感測系統，以對本國能源產業以及生 醫產業盡一份心力。

四、研究方法

本計畫之主要工作可分為五個部分：(I) 開發生醫訊號量測電路、

(II) 建立生醫感測訊號無線傳輸技術、(III) 建立生醫感測訊號監控人 機介面、(IV) 開發微發電機供電技術以及(V) 根據前四步驟成果完成 微型生醫感測系統雛形，茲分述如下：

開發生醫訊號量測電路：

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根據英國皇家大學的研究，心血管疾病是英國的最主要死因，占 總死亡原因的 39 %，超過一百二十萬的英國國民曾經發生過心臟病，

同時大約有兩百萬的英國國民有心血管類的疾病。同時根據美國 2002 年的統計資料，心血管疾病占美國總死亡原因的 38 %。預估在 2005 年時，心血管疾病所造成的直接或間接成本將高達 393.5 百億美元。

由此可知，開發適當的預防措施以降低心血管疾病的發生機率，可以 替國家省下大筆的健康保險經費。對心血管之類的疾病而言，有效的 監控人體的生醫資訊將有助於醫生判讀病患的目前狀況，同時可盡早 做出對應之措施。圖 2 為人體生醫訊號量測電路之示意圖，由圖 2 可 以看出，有效的人體生醫訊號包括體溫，脈搏，血壓，血氧含量等等。

由於本計畫開發目標是以微發電機供電之生醫感測系統為主，因此並

無法針對所有生醫感測技術之量測技術進行開發，綜觀目前商業界已

有成品且技術較成熟之感測器，與生醫量測有關的有溫度感測器以及

壓力感測器等。同時這兩個感測器也是非侵入式的感測器，因此較容

易為使用者所接受。因此，在本步驟中，本計畫將針對兩種基本的生

醫訊號-體溫以及脈搏數進行量測電路之開發。

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圖 2 人體生醫訊號量測示意圖

*資料來源：http://ubimon.doc.ic.ac.uk/bsn/index.php?m=185

建立生醫感測訊號無線傳輸技術：

為了建構在任何時間、任何地點，都能傳遞訊息並處理任何工作 的高度資訊化環境，世界各資訊先進國家都積極開發一個無所不在

（Ubiquitous）的網路架構，希望藉由各種不同網路通訊技術的發展與 應用，交織成一個綿密的通訊網絡，可以為日常生活帶來更多的安全 性與便利性。目前包括日本政府的「U-Japan」、韓國政府的「U-Korea」

與台灣政府的「 U-Taiwan」等，都是為了要實現無所不在的社會 --Ubiquitous Society 擬訂計畫，作為國家科技發展政策的一環，其中 無線感測網路即為一個關鍵的技術。

無線感測網路大多應用於數位家庭控制、安全監控、物流追蹤與

居家照護等領域，而為了達到大量佈建的目的，無線感測網路必須具

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備低成本、低耗電、小體積、容易佈建，並具備可程式化、可動態組 成等特性。802.15.4/ZigBee 正符合以上種種需求。ZigBee 一詞源自於 蜜蜂（Bee），係因蜜蜂看似隨意在跳的字形舞，實際是將有花和蜂 蜜的地方，正確傳達給其他蜜蜂，而 ZigBee 正是採用這種通訊方式。

表 1 與圖 3 為 802.11b、Bluetooth 與 ZigBee 的比較，此三者是目 前 在 無 線 傳 輸 技 術 中 ， 最 常 拿 來 做 比 較 的 三 種 技 術 ， 其 中 又 以 Bluetooth 與 ZigBee 為著，由於都是用於短距離無線傳輸，因此最易 處於競爭地位。由圖 3 中可知，ZigBee 在功率消耗、網路複雜度以及 節點數等方面大都表現突出；除了在資料傳輸速率部分只有 250 Kbps 為其不足，不適用於大量的資料傳輸，如多媒體檔案傳輸，因此 ZigBee 大多使用於工業環境自動化、家庭自動化與商業大樓自動化等工業控 制應用。另外在安全（Security）方面，ZigBee 在標準中定義以 128bitAES 作為加/解密演算法，在安全考量而言，ZigBee 可提供使用者最安全的 使用環境。

由於本計畫之目標為微型生醫感測系統，此一系統必須將所量得

之生醫訊號傳輸到外界，為顧及使用者的方便性因此必須採用無線傳

輸的形式。在選擇無線傳輸模式之時，以本計畫而言，由於微發電機

的發電量有限，因此選擇能夠節省耗電量的無線傳輸通訊方式應為首

要考量。圖 4 為 ZigBee 與 Bluetooth 消耗功率之比較。圖 4 中，橫軸

為兩次傳輸資料之間的時間間隔，縱軸則為各技術採用鹼性電池供電

時，預計的供電時間。由圖 4 可以看出，ZigBee 無線傳輸技術的消耗

功率遠較 Bluetooth 為低，符合本計畫之需求。因此，本計畫擬採用

ZigBee 作為無線傳輸技術之標的。

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表 1 三種不同無線傳輸技術之比較

*資料來源：freescale semiconductor

圖 3 人體生醫訊號量測示意圖

*資料來源：freescale semiconductor

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圖 4 ZigBee 與 Bluetooth 消耗功率比較

*資料來源：freescale semiconductor

從應用面而言，因受限於頻寬之故，ZigBee 大部分都是作為控制

之用，如家電控制、監控設備控制、保全設備控制等，以小資料量傳

輸為主的應用。圖 5 為 ZigBee Alliance 公布的 ZigBee 應用範疇，很明

顯可看出主要是以建築物自動化、工業控制、家電控制為主，另外

ZigBee 亦可取代傳統的控制傳輸方式，如紅外線遙控即可以 ZigBee

來取代，加上 ZigBee 低成本、低耗電的特性更適合用來設計需要大量

佈建的設備。

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圖 5 ZigBee 無線通訊技術應用場合

*資料來源：ZigBee 聯盟

建立生醫感測訊號監控人機介面：

在完成前兩項技術之後，本計畫擬利用所開發之量測電路與無線 傳輸技術開發一人機介面。圖 6 為一典型生醫訊號量測系統示意圖，

由圖 6 可以看出，在成功量測生醫訊號之後，必須將所有量測到之資 訊傳輸到一資料庫中心，如此方能有效進行長時間之紀錄並提供專業 人員作為判斷之依據。因此，本計畫擬針對所欲開發之生醫量測系統 開發一人機介面，此一人機介面位於個人電腦上，必須具備有 ZigBee 無線通訊能力，同時能夠提供一友善之圖形介面以供使用者讀取所需 之資訊，同時此一介面也必須具備有基本的波形顯示以及存檔能力，

以供使用者瞭解各生醫訊號之變化趨勢，同時進行資料庫之維護與紀

錄。圖 7 則為工研院生醫所所提出之"遠距居家照護服務系統計畫"所

提出之典型生醫訊號資料庫及其應用。

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圖 6 典型生醫訊號量測系統示意圖

*資料來源：Toumaz Technology Limited

開發微發電機供電技術：

目前 3C 產品都是朝向無線模組化、可攜帶化方向發展，可攜產品

要能帶著走，一定要有一個能量來源使其得以適當地工作，這個能量

來源多半是電池，電池可分為一次電池，也就是使用電能用完就無法

回復能量的電池，與二次電池，即當電能耗盡時可以利用外部的電能

重複地回復其電能的電池，由於上述可攜產品的特性所趨，對於體積

小、重量輕、能量密度高的二次電池需求相當迫切。但是大量生產過

程中也耗損大量的地球資源，並且產生許多環境保護相關及電池回收

的問題，舉例來說一顆廢棄的鎳鎘電池能使一平方公尺的土壤永久失

去利用價值，並造成永久性的汙染；一粒鈕扣電池可使 600 噸水造成

汙染而無法飲用，這相當於一個人一生的飲水量；廢棄的鋰電池相當

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不穩定會有爆炸的危險性；此外，若將廢舊電池混入生活垃圾一起填 埋，滲出的汞及重金屬物質會滲透土壤、污染地下水，進而進入魚類 身體、農作物中，間接威脅到人類的健康。對自然環境威脅最大的五 種物質，電池裡就包含了三種：汞、鉛、鎘。汞是一種毒性很強的重 金屬，對人體中樞神經的破壞力很大；鎘在人體內極易引起慢性中毒，

主要病症是肺氣腫、腎損害、肝病變、骨質疏鬆、貧血，很可能使身 體癱瘓；而鉛進入人體後最難排泄，它會干擾血液系統、神經系統、

腎臟、消化系統及循環系統，具有高危害性，若對於電池沒有做好妥 善的回收機制，在不斷地循環之後，從對於環境最後到對於人類本身，

都是有百害而無益的，又由於多數人對於廢電池造成環境汙染的嚴重

性並不是如此的重視，導致電池回收率並不如預期，不過近年來在政

府推動回收廢電池之下，民眾的環保意識稍有抬頭，比較有回收電池

的觀念了，不過在對電池的需求與日俱增，若相對電池回收量跟不上

腳步，對於環境的危害只會更令人憂心，根據統計全球廢棄電池的量

相當的驚人，每年可達 400 億個，但回收的比例卻是望塵莫及。因此

微小型發電機的開發，可對新世代的儲能產品開創新契機，微小發電

機除了能自主發電以供給微小元件所需的電力；也可以當作能源回收

的工具，配合目前大力發展的二次電池及微燃料電池使用，可以增加

能源的使用效率及延長電池的使用壽命。

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圖 7 典型生醫訊號資料庫及其應用

*資料來源：工研院生醫所

然 而 近 年 來 ， 微 機 電 系 統 （ Micro-Electro-Mechanical Systems,

MEMS）無論是在技術層面上或是市場層面上的成長是一日千里，以

圖 8 所示之 NEXUS Market 的統計與評估資料為例，微機電技術的應

用上如生醫感測器、消費性電子、通訊、軍事器材等方面的成長將從

2004 年的 120 億美元，上看到 2009 年的 250 億美元，有超過一倍的

發展趨勢，可看出微機電技術的前景相當地看好。應用微機電技術其

中的一塊領域就是微發電機，由於可自主發電的特點，亦成為目前省

能的方向之ㄧ，微發電機所發的電量較一般發電機小，其發電量小至

幾微瓦特（μW），多至幾百毫瓦特（mW），因此以「微」發電機稱

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之，目前其主要用途是在一些攜帶式且功率需求較小的產品如手錶 上，使用微發電機的系統或產品不用擔心電池耗盡需更換的問題，可 由微發電機自主發電來達到節省能源、減少環境污染的目標。微發電 機可從許多不同的方面與形式來發電，如空氣中的微量電磁波能利用 設計過的天線接收後儲能；吸收人體身上的熱能或是其他生質能來轉 為電能；人體動作時造成的振動，如手部的運動、呼吸時胸部的起伏、

行走時腳步的動作等均可配合適宜形式的微發電機來發電。雖然微發 電機的發電量並不大，但若以長遠的角度來看，待相關的製程技術更 為先進及成熟，並且有國家層級或是跨國規模有計畫性的推廣與共同 研究，對於省能上應會有不小的貢獻，亦是勢在必行的方向。

圖8 微機電系統市場應用發展

*資料來源：NEXUS Market Analysis for MEMS and Microsystems III 2005 – 2009

以目前所發展的能源來比較如表 2 所示，各種發電形式由大到小

排列，其發電量單位為 W/cm

，其中以μ-combustor 發電密度最大，但

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其缺點為發電時會產生高溫，較具危險性，不適合可攜式系統之使用；

燃料電池與鋰電池之發電密度也算很高，但燃料電池本身無法儲能，

只有發電的功能，除非發電的同時，同時將能量儲存至另一個可充電 式的電池內，因此若需要燃料電池能夠持續發電，則必須不斷地補充 燃料來供應發電時的來源，對可攜式產品來說並不是最好的選擇，而 鋰電池其容量與所供給的產品耗電量大小亦會影響使用時間長短，當 電力耗盡時仍需充電來回復能量才能夠繼續使用；熱感式微發電機雖 不像前述的能量來源會受使用時間上的限制，但由於其發電原理是利 用溫度的差異來產生能量，因此在溫差太小或是溫度太低的環境下使 用並不實際；電磁式與壓電式微發電機雖然發電量不大，但其組裝簡 單、體積較小、機動性高等特性，且從表 2 可看出其可廣泛地應用於 較低耗功率的系統，對於一些小型的可攜式產品來說是個不錯的電能 來源選擇。

表2 能源發電量與應用場合比較表 負載

電形式

手機 μ-speaker LED 手錶 CMOS

sensor

RF sensor

（3 W） （0.3 W） （30 mW）（30 mW）（20 mW） （10 mW）

μ-combustor

（350 W/cm

）

ˇ

燃料電池

（1.2 W/cm

） ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ

鋰電池

（0.3 W/cm

） ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ

熱感式微發電機

（5 mW/cm

） ˇ ˇ ˇ ˇ ˇ

電磁式微發電機

（2 mW/cm

） ˇ ˇ ˇ ˇ

壓電式微發電機

（1 mW/cm

） ˇ ˇ ˇ

18 太陽能電池

（0.1 mW/cm

） ˇ ˇ ˇ

由於微發電機的發電方式較為特別，需要靠某些形式的動作來符 合所設計發電機構的動作，以下針對微發電機在不同類型的應用場合 做簡單的介紹：

‧手錶或攜帶式生理狀態感測器：

此兩種設備都可以利用裝置微發電機取代電池來供給電力，由於 手錶和攜帶式生理狀態感測器都是佩帶在人體上，利用人體的擺動或 是起伏造成微發電機機構的轉動或是擺動磁極與線圈間磁力線切割產 生電流來發電，亦可以搭配一些儲存電能的電路設計，在發電電能供 過於求時將多餘的電能儲存起來，當電能降低時補充微發電機發電的 不足，此種方式可以不用擔心電池更換的問題，不受時間上的限制。

‧無線胎壓計：

根據統計，由於輪胎損壞或是爆胎亦是造成車禍的原因之一，尤 其車輛在高速行駛時，爆胎所造成的危害不只是個人，也可能影響在 附近的路人或是其他的車輛，為了行車安全的考量，胎壓計也成為目 前某些廠牌車輛出廠時的標準配備，由於車輛行駛時所造成的輪胎的 轉動，恰好可以當作微發電機發電的機制，再搭配充電與儲能電路，

車輛行進時微發電機所產生的電能一方面供給胎壓計量測胎壓，胎壓

計並搭載有無線傳輸模組可傳送到儀表板上供駕駛者參考目前的胎壓

是否為正常值，另一方面，多餘的電能可儲存在儲能設備如小型的電

池或是高容量的電容器，讓胎壓計在車輛非行駛時也能繼續正常測量

胎壓並回報數據。

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‧無線滑鼠：

目前相當熱門的無線滑鼠，其電能來源不像一般有線滑鼠利用 PS/2 插頭或是 USB 插頭來供電，需要裝設一至兩顆 AAA 電池，若將 電池的機制改裝成內藏的微發電機，當使用時手移動造成無線滑鼠內 的微發電機動作，將動能轉換成為電能供給無線滑鼠定位與電腦連 結，而且微發電機重量較電池輕許多，也可以同時減輕使用者長時間 使用時手腕的負擔，方便好用且具環保概念。

‧自行車照明設備：

一般的自行車只有後面的反光板，在夜間騎乘時辨識度不高，其 實是相當危險的，所以可以在自行車前可以裝設白光 LED 當作照明 燈，後面裝設紅色 LED 當作警示與煞車燈，其電能來源使用微發電 機，搭載在自行車的後輪或是前輪，在自行車行進時輪軸轉動，亦是 將動能轉化成為電能，提供給 LED 電力而也一樣不需再另外加裝電 池，因此不會有需更換電池的問題。

‧手搖式發電遙控器、手電筒、充電器：

手搖式的微發電機是利用手動的方式再發電機外部加裝一個為固 定軸心的手把，手握持手把對軸心轉動時，造成微發電機的機構發電，

在此應用上也會加上儲能設備如大容量電容器或是充電電池，在設備

不使用時，可以轉動手把來發動微發電機發電儲能，當要使用時只需

開啟開關即可使用，若當使用到一半電力不足時，亦可同時轉動手把

繼續發電來提供電力。

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由於本計畫之目標為微型生醫感測系統，此一系統的電源非一般 可攜式產品常見的電池，而是搭配微發電機來操作，以達到省能與環 保的目標。由於微發電機所產生之電能如同一般發電機為一個交流電 源，無法直接提供一般普遍 IC 所需的直流電源，必須要做適當且穩定 地轉換方可使用，因此本計畫必須針對此一需求開發一供電系統。以 本計畫而言，由於微發電機的發電量為低電壓，低電流。因此，本計 畫擬採用電力電子技術開發一具整流功能，且具低壓轉高壓功能之供 電系統電路。

完成微型生醫感測系統雛形：

在完成前四項技術之後，本計畫擬將所開發之技術加以整合，進

而完成計畫之主要目標：微型生醫感測系統。圖 9 為本計畫所提系統

之示意圖，由圖 9 可以看出，在完成生醫訊號量測電路以及無線傳輸

電路開發之後，本計畫將以市售之微控制器為基礎，將所量測到之訊

號透過 ZigBee 傳輸介面傳輸到資料庫端，人機介面程式則完成於資料

庫端之個人電腦上。由於目前個人電腦無法處理 ZigBee 無線傳輸，因

此在個人電腦端也必須使用微控制器開發一 ZigBee 接收介面。同時由

圖 9 也可以看出，所開發之生醫感測系統雛形乃是採用微發電機作為

其電力來源，因此在發電機與量測電路間必須加上一供電系統電路。

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圖9 微型生醫感測系統雛形機示意圖

五、結果與討論

本計畫之主要目標可以分為兩個部分：無線生醫量測系統以及微 發電機供電系統，資分述如下：

5.1 無線生醫量測系統：

5.1.1 概述

無線感測網路（Wireless Sensor Network；WSN）的概念起源於美國 國防先進技術研究計畫署中的 1 個研究項目，由於無線感測網路結合 了感測、運算以及網路連結的能力，不同感測器在其感測範圍之內監 控與偵測周遭環境與特定目標的狀態，並透過無線網路將這些狀態回 傳到主機，系統管理者在收到這些訊息時，就能夠藉此做出適當的反 應。

MCU 與 RF 模組一般是通用的架構，這些硬體元件的效率就會影響

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到感測與傳輸的效率，至於在通訊介面方面，無線網路具有非常多的 標準，除一般常見的 Wi-Fi、藍牙以外，目前也越來越多針對低功耗 應用設計的無線網路標準，其中，ZigBee 就是目前相當熱門且活躍的 近端低功耗無線傳輸標準之一。

一般來說，無線感測網路的系統是由感測器、MCU、RF 模組等不 同元件所組成，搭配上適當的系統軟體，便能進行特定的監測動作。

ZigBee 主要是由 IE802.15.4 小組與 ZigBee Alliance 組織，分別制定其 軟硬體標準。ZigBee Alliance 是成長快速的非盈利性產業聯盟，成員 包括全球主要半導體廠商、技術供應商、OEM 製造商和最終使用者，

而且任何人皆可申請入會。

圖 10 說明 IEEE 802.15.4 小組與 ZigBee Alliance 制訂 ZigBee 標準 的關係。

圖 10 IEEE 802.15.4 小組與 ZigBee Alliance 之關係

在IEEE 802.15.4 方面，2002 年IEEE 成立IEEE 802.15.4 小組負

責制訂媒體存取控制(medium access control, MAC)層和實體(physical,

23

PHY)層之規範，如圖1所示。2003 年5 月通過IEEE 802.15.4 標準，

接著IEEE 802.15.4 小組著手制定IEEE 802.15.4b 標準，此標準為IEEE 802.15.4 標準改良版，主要是解決原標準有疑義之處、降低複雜度、

提高安全鑰匙使用彈性以及考量新頻帶分配等。

802.15.4b(D6)草案已於2006 年6 月通過，此標準將可有效簡化架構 並改善互通性，進而提高系統穩定度。在ZigBee Alliance 方面，2002 年10 月由Honeywell、Motorola、Mitsubishi、Philips 和Invensys 等公 司共同成立ZigBee 聯盟，ZigBee 聯盟負責制訂網路層、安全管理以 及應用介面等規範，如圖10所示，同時也負責互通性測試，目前ZigBee 產品以1.0 版本為主。

ZigBee 技術的出發點是希望發展一種擴展性強，容易佈建、低耗 電、雙向傳輸、感應網路功能的低成本無線網路，在技術定位上， 「監 控」的角色高於「通訊」的功能。非常適合應用在各類型感應式網路 環境與各類電子週邊產品，包括工業監控、家庭環境日常生活監控應 用。

ZigBee 的命名，是由蜜蜂尋找到花粉時，所要傳達給同伴的訊息，

藉由 ZigZag 空中字型舞的形狀，來正確表達花的位置、方向、距離等 訊息，藉此做為這項短距無線通訊新技術的命名。它具有下列幾項特性:

1. 低傳輸速率(250kbps) 。 2. 低功率消耗。

3. 短傳送距離 (一般約為 50-100m，可依照耗電量之不同，可 提高到 300m) 。

4. 架構簡單。

24 5. 高可靠度

目前制定的頻段為全球的 2.4GHz ISM 頻段、美國的 915MHz 頻 段、歐洲地區的 868MHz 頻段。主要應用範圍在於家庭裝置自動化、

環境安全與控制、及個人醫療照護等方面，逐漸擴展到產業所需短距 離無線通訊技術ㄧ。

5.1.2 ZigBee 的技術特性

‧低耗電：

在 休眠狀態之下的耗電量只有 1μW，而一般短距離通訊工作耗電量 則是 30mW，在待機模式之下，普通鹼性電池可維持 6 個月到 2 年以 上的使用時間。這也是 ZigBee 最引以為傲的優勢之一。

‧低成本：

ZigBee 傳輸速度低，架構單純，且 ZigBee 通道化的規則較簡單、

不跳頻、使用單一收發頻率，在協議堆疊方面僅有 26 個協定元

（Protocol Primitives），相較之下，藍芽則有 131 個，因此在軟硬體設 計上的成本得以降低。

‧網路容量大：

而在無線傳輸感測網路中，可以有將近 6 萬 5000 多個 ZigBee 設 備存在，比起 BlueTooth 的 8 個，或是 BlueTooth Lite 的 256 個，在擴 展性上可以說是高了不少。

‧工作頻段靈活：

ZigBee 所 使 用 的 頻 段 依 照 國 家 開 放 的 情 況 的 不 同 ， 分 別 為

25

2.4GHz、868MHz（歐洲）以及 915MHz（美國），這些頻段皆屬於免 執照頻段，不過依照頻段的不同，在傳輸速度以及距離上也有所差異，

圖 11 為 ZigBee 所使用的頻段。

1. 在 2.45 GHz ISM 頻帶有 16 個通道，資料傳輸速率為 250 kbps。

2. 在 915 MHz 頻帶有 10 個通道，資料傳輸速率為 40 kbps。

3. 在 868 MHz 頻帶有 1 個通道，資料傳輸速率為 20 kbps

圖 11 ZigBee 所使用的頻段

‧安全性：

ZigBee 提供了資料完整性檢查和權限區分功能，硬體本身支援 CRC 和 AES-128 編碼。因此可以應用在具有高規格安全性需求的環境 中。

‧機動網路組態：

ZigBee 所架構的 WSN 網路是能夠隨狀況變化的，節點在取得授 權之後才能進入網路，相對的，系統管理者也可以隨時將某個節點切 離網路，在管理方面具備了相當強的功能。ZigBee 規格定義了三種類 型的設備，每種都有自己的功能要求：ZigBee 協調器是啟動和配置網 路的一種設備。協調器可以保持間接尋址用的固定表格，支援關聯，

同時還能設計信任中心和執行其它活動。一個 ZigBee 網路只允許有一

個 ZigBee 協調器。ZigBee 路由器是一種支援關聯的設備，能夠將消

息轉發到其它設備。ZigBee 網格或樹型網路可以有多個 ZigBee 路由

器。ZigBee 星型網路不支援 ZigBee 路由器。 ZigBee 端終設備可以執

26

行它的相關功能，並使用 ZigBee 網路到達其它需要與其通訊的設備。

它的記憶體容量要求最少。然而需要特別注意的是，網路的特定架構 影響設備所需的資源。 NWK 支援的網路拓樸有星型、樹型和網格型。

在這幾種網路拓樸中，星型網路對資源的要求最低。圖 12 為其示意圖。

圖 12 Star Toplogy

在星狀拓樸中，網路封包資料可於協調者節點感測範圍內的終端節 點之間傳遞而不需透過路由節點。圖 13 則為樹狀拓樸。

圖 13 Tree Toplogy

在樹枝狀的拓樸網路架構中，由於網路架構較大之故，因此導入了

27

路由節點，因此在協調者節點感測範圍外終端節點的資料封包可透過 路由節點傳遞。圖 14 為網狀拓樸。

圖 14 Mesh Toplogy

網狀拓樸則是結合了星狀拓樸與樹枝狀拓樸，終端節點可直接或透 過路由節點與協調者節點相連結，路由節點間彼此也可相互連結。

Binding 型式:

圖 15 為 Zigbee 進行綁定所採取之形式。可分為：

1.在 One-to-one 型式中， 一個 Coordinator 綁定一個 End Device。

2.在 One-to-many 型式中，一個 Coordinator 綁定多個 End Device。

3.在 Many-to-one 型式中，多個 End Device 綁定一個 Coordinator。

28 圖 15 Types of Binding

表 3 Comparison of different standards that using 2.4GHz ISM band

5.1.3 ZigBee 無線通訊協定堆疊

ZigBee 無線通訊協定堆疊如圖 16 所示，以下依序說明其各層協定。

29

圖 16 ZigBee 無線通訊協定堆疊

‧IEEE 802.15.4 實體層

ZigBee 的實體層負責啟動和停止無線電收發器、選擇通道、能量 偵測以及封包的傳送和接收等功能。IEEE802.15.4 所訂的無線傳輸使 用2 個模式，一為2.45 GHz 模式，另一為868/915 MHz 模式。868 MHz、915 MHz 和2450 MHz 這三個頻帶可分別提供20 kbps、40 kbps 和250 kbps 三種資料傳輸速率，其中868MHz 與915 MHz 分別適用歐 洲與美國地區，2.45 GHz ISM 頻帶則適用於全球。

在不同頻段下ZigBee也使用不同的調變技術，在868MHz、915MHz 時是使用BPSK調變，而在2.4GHz則是用Orthohonal（正交）QPSK調 變，使用OQPSK調變可以讓每個傳輸表示符（Symbol）傳遞2bits資料 量。當然！因為QPSK的調變方式較BPQK複雜，難以在長距離傳輸時 仍信號完整性，所以傳輸距離較短。此外在發波的輸出功率上，若就 一般而言，ZigBee的最大發波輸出功率為0 dBn（即1mW，一毫瓦）。

表4為ZigBee 分配使用的頻帶與相關參數以及使用調變技術，整理

如下。

30

表4 ZigBee 分配使用的頻帶與相關參數以及使用調變技術

IEEE 802.15.4 標準設計四種封包結構傳輸資料，稱為物理層協定 資料單元(PHY Protocol Data Unit, PPDU)，這四種封包分別為信標訊框 (beacon frame)、資料訊框(data frame)、回覆訊框(acknowledgement frame)和媒體存取控制層指令訊框(MAC command frame)，基本上訊框 架構相同。PPDU是由同步標頭(synchronization header, SHR)、物理層 標頭(PHY header, PHR)和物理層服務資料單元(PHY service data unit, PSDU)所組成。而同步標頭由前導信號(preamble)和開始位元(start of frame delimiter, SFD)所組成，preamble長度為32個位元，所有的位元 都是0，SFD 長度為8個位元，為{1 1 1 0 0 1 0 1}，PHY 標頭長度為8 個位元，第一個位元是保留位元0，其於7個位元用來表示PSDU的長 度。PSDU的長度範圍是0 byte到127 bytes。

‧IEEE 802.15.4 媒體存取控制

ZigBee 的媒體存取控制層提供MAC 資訊服務和管理服務，負責信

31

標(beacon)管理、通道接取、保障時槽(guaranteed time slots, GTS)管 理 、 訊 框 驗 證 、 回 覆 訊 框 之 傳 輸 及 加 盟 (association) 與 終 止 加 盟 (disassociation)。IEEE 802.15.4支援全功能(full function device, FFD)及 精簡功能(reduced function device, RFD)兩類的裝置，全功能裝置可支 援任何網路拓樸架構，可擔任網路協調者(PAN coordinator)，並可與所 有其他裝置通信。減縮功能裝置只存在於星狀拓樸中，只能與網路協 調者通話，且不能成為網路協調者。減縮功能裝置的好處是易於實現 IEEE 802.15.4 網路主要可以分成兩種拓樸，一種是星狀拓樸，如圖所 示，很多網路裝置圍繞著一全功能裝置，中心之全功能裝置為網路協 調者，它就像個集線器(hub)收集多個全功能或精簡功能裝置當作資料 終端機。另外一種拓墣為點對點(peer-to-peer)配接，如圖所示，網路 裝置不用一定要和網路協調者連接(網路內一定有一個網路協調者)，

點對點配接網路中的全功能裝置可以進行多向通訊鏈結，而精簡功能 裝置只能與全功能裝置進行通訊鏈結。因為有多向的通訊鏈結，點對 點 (peer-to-peer)配接可以升級成多變複雜的網狀(mesh)和叢串樹狀 (cluster tree)等形式網路。圖17為 WPAN(wireless personal area network) 網路拓樸型態。

圖17 WPAN 網路拓樸型態

32

在802.15.4資料傳送模式，分成以下三種類型：

1. 裝置協調者：(說明如圖18)

　 在有信標之網路，裝置須先取得信標與協調者同步，並以slotted CSMA/CA方式傳送資料。

2. 協調者到裝置：(說明如圖19)

　 在有信標之網路，協調者利用信標中的欄位告知欲傳送之裝置有資 料要傳送，而裝置則是週期性的監聽信標，如果自己是協調者要傳送 的對象，則該裝置利用slotted CSMA/CA 將MAC command request 控 制訊息傳會給協調者。

　 在無信標之網路，裝置利用unslotted CSMA/CA 方式傳送MAC command request 控制訊息給協調者，若協調者有資料要傳送，則利 用unslotted CSMA/CA 方式將資料送出。

3. 裝置(協調者)到裝置(協調者)：前面兩種運作方式的結合。

圖18 裝置到協調者之資料傳送模式

33

圖19 協調者到裝置之資料傳送模式

‧ZigBee 網路層

ZigBee 網路層包含加入(join)及離開(leave)網路的機制、訊框安全 機制以及把訊框傳輸到目的地。此外，網路層的任務還包括傳遞路徑 的發掘與維護。為了達到這個目的，網路層必須知道緊臨的裝置，和 儲存這些直接相連裝置的資訊ZigBee 網路中的協調者，負責開始建立 一個的網路和指定位址給其他的裝置。

ZigBee 網路層支援星狀、樹狀和網狀三種拓樸。在星狀拓樸中，

所有裝置只與單一的協調者通信，在樹狀網路中，資料及控制訊息是 透 過 階 層 (hierarchical) 的 方 式 傳 輸 ， 在 網 狀 拓 樸 中 允 許 所 有 的 pear-to-pear 通訊。ZigBee 網路層提供資訊傳輸及網路管理兩種服 務，並維持一個網路資訊庫(network Information Base,NIB)。

‧ZigBee 應用層

ZigBee 應用層包含應用次層(Application Support, APS)、ZigBee

裝置元件 (ZigBee device object, ZDO)和製造商所定義的應用物件

(application objects)。APS次層提供網路層與應用層之間的介面，維持

34

物件之間的連結表(binding table)，並在連結的裝置之間傳遞訊息，它 也維持了一個APS 資訊庫(APS Information Base,AIB)。ZDO 的功能 包括起始應用支援次層、網路層以及安全服務等。ZDO 並負責建構 上層應用所需的資訊、發出或回應連結的要求，發現同一個網路上的 裝置與應用服務、以及在網路上的裝置之間建立安全的關係等。

5.1.4 IEEE80.15.4 網路架構

在 IEEE802.15.4 中的網路設備可分為 Full-function Device(FFD) 與 Reduced-function Device(RFD) 兩種。一個 FFD 具有 Personal Area Network (PAN) Coordinator 、 Coordinator 與 RFD 等功能，它 可以跟其它的 RFD 或是 FFD 進行資料傳輸。 RFD 是一個極其簡 單的網路設備，只具備與 FFD 進行資料傳輸的功能。簡而言之，它 一次只能跟單一 Coordinator 互相結合，同時也沒有大量的資料傳輸 的需要，所以它的系統資源可以降到最低。圖 20 為 Zigbee 網路架構。

圖 20 ZigBee network formations

在 802.15.4 中允許採用一種稱為 Superframe 的架構，一個採用

Superframe 架構的 802.15.4 網路被稱為 Beacon-enabled Network ，

反 之 則 被 稱 為 Non-beacon Network 。 如 圖 21 所 示 ， 所 謂 的

Superframe 是一段由兩個 Coordinator 所發的 Beacon 所限定的時間

35

區段，每個單位都被稱為一個 Slot 。在 Beacon-enabled network 下 發 Beacon 的目的是要作同步化，任何設備想要進行資料傳輸都必須 在屬於 Superframe 內的 Contention Access Period(CAP) 區間內以 slotted CSMA/CA 的方式對傳輸通道進行存取，同時 CAP 區段可被 平均的切割為 16 個 Slot 單位。

圖 21 採用 Superframe 架構時， CAP 、 CFP 、 SD 、 BI 、與 Beacon 之關係圖

在 Beacon-enabled 架構下，Coordinator 亦可針對保留頻寬的需求 來 使 用 Guaranteed Time Slot(GTS) 機 制 形 成 Contention-frees Period(CFP) 區間，在 CFP 區間內只有已於 Coordinator 註冊過要做 頻寬保留的設備才可以進行資料傳輸，在一個 Superframe 中， CFP 會永遠被置於 CAP 的後面。

ZigBee 是一種以低成本、低耗電為考量、可進行雙向通訊的無線

傳輸協定。它使用 IEEE802.15.4 做為實體層與媒體存取控制層的傳

輸標準，其本身則專注於提供上層所需之網路層、應用層、以及加密

機制等功能。其網路架構如圖 22 所示，啟始方法則如圖 23 所示。

36

圖 22 ZigBee's Network Architecture

圖 23 啟始 ZigBee 網路流程圖

37 5.1.5 jennic 微處理器 JN5139

JN5139 是英國 Jennic 最新開發的微處理器，用於處理 ZigBee 的解 決方案，基於 IEEE802.15.4 規範的低功率，低速率(250Kbps) ，短距 離無線網路通訊技術。

JN5139 主要特性:

1. 操作頻率 2.4GHz，符合 IEEE802.15.4 規範。

2. 操作電壓 2.7V-3.6V。

3. 睡眠電流

4. 內建 128 位元 AES 安全層處理器。

5. 內建高效率電源管理器。

6. 內建 32 位元 RISC 處理器。

7. 內建 8KB，16K，32K，96K 容量可選擇靜態 RAM。

8. 內建 192K 動態 ROM。

9. 內建 4 個 12bit ADC，2 個 11bit DAC，2 個比較器及 1 個溫 度感測器。

10.內建 3 個系統 Timer 和兩個應用端 Timer/Counters。

11.內建 2 個 USART。

12.內建 1 個 SPI 埠及 5 個選擇項。

13.內建 1 個 2 線串列界面，兼具 SM-BUS 和 I2C 規範。

14.內建 21 個通用 I/O 端(GPIO) 。

微處理器內部系統方塊圖如圖 24~28 所示：

38

圖 24 系統方塊圖

圖 25 JN5139 實體圖

圖 26 JN5139 外部接腳圖

39

圖 27 外部系統方塊圖

圖 28 應用方塊圖

5.1.6 IN5139-EX010 ZigBee Evalution Kit

JN5139-EK010 Evaluation System with ZigBee(R1)之示意圖及相關

電路如圖 29~圖 34 所示。其系統功能簡述如下：

40

圖 29 Controller Board

圖 30 Controller Board Layout

41

圖 31 Sensor Board

圖 32 Sensor Board Layout

42

圖 33 UART Connectors

圖 34 Expansion connector

表 4 Expansion Connector Pinout:

43

這組系統允許兩個設備端即計劃中的 PC 端控制介面和硬體電路 端 以 無 線 方 式 作 連 結 ， 通 訊 協 定 以 802.15.4 為 規 範 。 個 自 以 RS232(TTL-232R-3V3)傳輸線連接 Jennic EVK。藉由 UART 來做溝通 方式，使用 Baudrate 為 2400。

圖 35 無線 UART 連接方式

44

當JN5139操作在這方面應用時，需假設有恆久不變的電源輸入存 在，以連結無線的兩端。這意味無線通訊永遠存在，傳送及接收的資 料不停更新。

其中一組 sensor board必須擔任PAN Coordinator角色。這個PAN Coordinator 主要功能為啟始網路和允許其他位置的 sensor board(End Device)加入。

WUART_c.c是針對 PAN Coordinator 應用所使用的程式，程式目 的主要包含以下的工作:

1. 探尋可用的 channel。

2. 啟始網路。

3. 允許其他 End Device 去連接 Coordinator。

4. 藉由無線傳輸資料並以UART來傳遞給PC端。

(1) 每間隔10ms，資料以UART連接設備並從無線網路傳送。

(2) 資料接收端藉由UART連接設備來緩衝和傳送。

WUART_e.c是針對 End Device 應用所使用的程式，程式目的主 要包含以下的工作:

(1) 掃描可用的 channel，並尋找 Coordinator 位置。

(2) 一旦找到 Coordinator時，嘗試去加入連結它。

資料藉由無線傳輸也必須包含下列程式作規劃:

(1)uart.c

(2)serialq.c

(3)serial.c

45

這些程式共用於 PAN Coordinator 及 End Device 程式應用中，主 要程式目的在於提供串列通訊使用UART。

config.h 這個程式目的在於設定共同應用中參數設定，例如: baud rate 、PAN ID等。

系統軟體流程圖如下:

圖 36 軟體流程圖

5.1.7 Microchip 微處理器 PIC18f4620

PIC 單晶片是由美國 MICROCHIP 公司所開發生產的 8 位元單 晶片微電腦，他們所開發的晶片正是所謂 RISC 架構的微控制器是不 同於 8051 的 CISC 架構 ，RISC 是指精簡指令集電腦。它採用精簡 指令架構，易學易用、輸入輸出界面功能強的 8 位元單晶片微電腦，

適合新手學習及一般使用者開發使用。

‧PIC 微控制器的介紹

46

基本上 PIC 8 位元微控制器的分類是依據指令位元數的大小去 分，主要可以分成三類，基本型、中階型和高階型三類。基本型的指 令是 12 位元，如 PIC 12Cxx、16 C5x 編號的。中型的指令是 14 位 元，如 PIC 16C6x、16C7x、16F87x。高階型的指令是 16 位元，如 PIC17Cxx、PIC18Cxx、18Fxx2。

‧PIC 微控制器的優點

1. 程式中的記憶體、資料記憶體、堆疊記憶體都是使用獨立的 Harvard 的電腦架構。

2. 指令簡單，採用精簡指令集。

3. 指令讀取和執行是使用 Pipeline 架構，所以每個指令的執行時 間為一個指令的週期時間 。

4. 同一家族系列產品由簡單型到複雜系列都有支援。

5. 記憶體和 IO 部分都內建於 PIC 單晶片內。

6. 省電，消耗功率低，並有睡眠模式可讓功率消耗降到奈瓦左 右 。

研究中有使用到 PIC18 單晶片， PIC18 系列是目前 PIC 微控制 器中屬於高階產品，尚有中階及低階系列的產品。

PIC18FXX2 微控制器內部晶片的輸入和輸出功能有：

1. 4個計時器，有定時器的功能，還包含了捕捉、比較及產生 PWM 訊號等功能。

2. 17 個 外 部 的 中 斷 源 ， 共 用 二 個 中 斷 向 量 位 於 程 式 記 體 之 H＇0008＇（高優先權）及 H＇0018＇（低優先權）。

3. 33個輸入和輸出接腳。

47 4. USART及RS-232串列通訊。

5. 8 個 8-bit 類比數位 AD 轉換通道。

6. 同步串列周邊界面 SPI 或主控與從屬模式 I2C。

7. 8 位元的平行從屬埠 PSP 。

PIC18F4620 為 40 腳的封裝，其每一隻接腳的功能顯示在圖37 中，共有4組的 IO 埠，分別為 Port A , B , C , D , E 及 4組的 計時 器。圖38則顯示 Port A ~ E 對應的單晶片接腳的位置圖。

圖37 PIC18F4620接腳圖

48

圖38微處理器電路圖

5.1.8 溫度量測

LM35 是由 National Semiconductor 所生產的溫度感測器，其輸出電

壓與攝氏溫標呈線性關係，轉換公式如下， 0 時輸出為 0V，每升高 1°，

49

輸出電壓增加 10mV。LM35 有多種不同封裝型式。在常溫下，LM35 不需要額外的校準處理即可達到

4

C°的準確率。其電源供應模式有 單電源與正負雙電源兩種，其接腳如圖 39 所示，正負雙電源的供電模 式可提供負溫度的量測；兩種接法的靜默電流-溫度關係如圖 40 所 示，單電源模式在 25°下靜默電流約 50μA，非常省電。

圖 39 LM35 封裝型式與接腳圖

圖 40 LM35 工作特性圖

50

圖 41 LM35 基本電路圖

LM35 進行體溫量測，測試使用單電源模式，並且將輸出以非反相 放大器放大五倍，如圖 42 的電路。

圖 42 溫度量測電路圖

體溫量測數據，當體溫為 37 度時可得

_ 35

37 10 5 1.85

out LM

V mV

V

=

× ×

=

示波器實際量測訊號如圖 43 所示:

51

圖 43 體溫量測波形

5.1.9 脈搏量測

脈搏感測裝置是利用紅外線發射接收模組做為擷取脈波訊號感測 器。利用反射式紅外線感測器之折射原 理來對人體的手指動脈做非侵 入性之量測，因 940nm 波長之紅外線光遇血液中之紅血球將會產生一 折射反應，並由此一反應中來得到血管容積波，並可產生脈波信號。

本 系 統 採 用 LITE-ON 公 司 的 紅 外 線 收 發 器 (LTM1550-01) 之 940nm 反射式紅外線發射接收模組做為擷取脈波訊號感測器於手指 動脈上進行脈波信號擷取。

電路結構圖 如圖 44 所示：

52

圖 44 脈搏量測電路圖

電路流程方塊圖如圖 45 所示:

圖 45 電路流程方塊圖

圖 46 TC4069UBP 接腳圖

紅外線光 電感測器

放大 濾波電路 放大

53

脈搏量測數據：當脈搏 90 次/分時可得 t=667 ms。示波器實際量 測訊號如圖 47 所示：

圖 47 脈搏量測波形

5.1.10 接(發)收端流程

發送端流程圖如圖 48 所示：

P18F4620數據處理

脈搏擷取 溫度擷取

JN5139 ZigBee 無線發射模組

圖 48 發送端流程圖

接收端流程圖如圖 49 所示：

54

JN5139 ZigBee 無線接收模組

PC

RS232

圖 49 發送端流程圖

5.1.11 PC 端監控系統

PC 端監控系統畫面包含項目:

1. 使用者身份識別 ; 2. 受測人員基本資料輸入;

3. ZigBee 無線通訊接收訊息框;

4. 體溫及脈搏資料數據顯示框;

5. 體溫及脈搏資料數據異常警告指示。

55

圖 50 PC 端監控系統畫面

5.2 微發電機電源轉換系統：

5.2.1 一般交流轉直流轉換器簡介

一般常見的交流轉直流轉換器（AC/DC converter），最簡單的實

現方式是在交流輸入端，利用橋式整流的方式將交流電整流成為直流

電，再將直流電壓利用直流轉直流轉換器(DC/DC converters)轉換成為

後級負載或是系統所需的直流電壓值。一基本橋式整流電路如圖51所

示，通常是利用四個二極體再加上一個濾波電容達到整流的目的，當

輸入交流電在正半週時，二極體D

和D

導通為順偏，而當輸入交流電

在負半週時，二極體D

和D

導通為順偏，而達到全波整流的效果，但

56

由於導通路徑上有兩個二極體，所以全波整流後的電壓峰值會較輸入 電壓峰值減少二倍的二極體導通壓降，再由並聯的濾波電容作用之後 得到一較為穩定的直流輸出。橋式整流中二極體導通壓降對於在一般 市電的整流上影響不大，但若是輸入電壓為較小的交流電壓時，二極 體導通壓降的大小是一個需要考量的問題。另一方面，濾波電容值較 大的優點是可以讓輸出的直流電壓值更為穩定，但是卻會造成二極體 導通的時間更為縮短，輸入交流電的電流波形在電壓波形弦波峰值處 更為尖銳，因而造成諧波成份更大，而功率因數會隨著輸出濾波電容 值的增加而減少[10-13]。

一般直流轉直流轉換器，如降壓式、昇壓式、返馳式或是順向式 等轉換器，利用其功率開關導通與不導通的時間－也就是責任週期

（duty cycle）－來控制能量傳遞，達到系統所需要的輸出電壓值，其 輸出入電壓值的關係在系統為開路的情況下，是和功率開關的責任週 期息息相關，如降壓式的輸出入關係如（式5-1）所示，昇壓式的輸出 入關係如（式5-2）所示，二式中Vin均代表輸入電壓值，V

均代表輸 出電壓值，D均代表開關的責任週期大小。

out in

V = V × D

（式5-1）

out in

V V 1

= × 1 D

−

（式5-2）

所以由關係式得知直流轉直流轉換器的特點是對電壓一對一的轉

換，此外對於輸入電壓值為負值時，轉換器是無法將能量傳送到輸出

負載端，這是直流轉直流轉換器的限制。

57

圖51 交流轉直流轉換器以橋整與DC/DC Converter電路概念 5.2.2 輸入免整流之交流轉直流轉換器優點

輸入免整流之交流轉直流轉換器由於具有降低功率消耗和減少交 越失真的優點，在近年來受到了注意。如5.2.1小節所述，利用橋式整 流將交流電能轉為直流電能，再經由直流轉直流轉換器來達到系統所 需要的輸出電壓值的方式，在橋整部份會有二極體壓降的問題，而直 流轉直流轉換器也會有效率上的問題，因此，若改用輸入免整流的交 流轉直流轉換器來作為交流電能轉直流電能的途徑，可以改善傳統轉 換器的問題。

5.2.3 輸入免整流之交流轉直流轉換器類型

此類的轉換器由於可以將交流電能轉換成為直流電能，因此必須 要有可容許輸入正負電壓值與電流值的特性，而此類的轉換器可以概 分為直接轉換式、雙直流轉直流轉換器式兩種。

5.2.3.1 直接轉換式轉換器

直接轉換式轉換器能將輸入的交流電在正半週期時，利用開關責

58

任週期適當地切換，使輸出能穩定在設定的直流正電壓值；負半週期 時亦能將輸出穩定在相同的設定值，以圖 52 為例可以表示開關責任週 期的大小與輸出入電壓值倍率的關係，其中橫軸的 D 代表責任週期的 大小，範圍從 0 至 1，縱軸的 Gain(D)為輸出入電壓比值隨 D 變化的 值，因此從圖可知當開關的責任週期大小介於 0 至 0.5 時，電壓增益 的大小為負值，此部份適用於當輸入交流電壓在負半週時，在輸出端 可以得到正的輸出電壓值；而當開關責任週期介於 0.5 至 1 時，電壓 增益的大小為正值，此部份適用於當輸入交流電壓在正半週時，在輸 出端可以得到正的輸出電壓值，經由對開關適宜地控制，可以將輸入 的交流電壓值轉換成為系統所需的直流電壓，常見的類型有電流回饋 橋式電路、反向 Watkins-Johnson 式電路等。

圖 52 直接轉換式轉換器示意圖 5.2.3.1.1 電流回饋橋式電路

電流回饋橋式電路如圖 53 所示。

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圖 53 電流回饋橋式電路

對圖 53 之電路做分析，如圖 54 所示，5.4（a）圖表示功率開關 1 導通、開關 2 截止時的等效電路，此時跨於電感兩端的電壓 V

為（V

－V

） ，電感電流線性上升，電感為儲能狀態，流經電感上的電流除 了提供負載所需的電流之外，同時對輸出電容充電，而電感電流在開 關 1 導通時間 t

內變化量為∆i

，則電感兩端跨壓為

L

L ac out

on

V = V V = L i t

− Δ （式 5-3）

此時電感電流變化量為

ac out on

L

(V V ) t i =

L

− ×

Δ （式 5-4）

而 54（b）圖表示功率開關 2 導通、開關 1 截止時的等效電路，

此時輸出電容上的儲能藉由迴路傳遞能量供給負載，此時電感電流於 開關 1 截止時間 t

內變化量亦為∆i

，則電感兩端跨壓為

L

L ac out

off

V = (V + V ) = L i t

− Δ （式 5-5）

此時電感電流變化量為

ac out off

L

(V + V ) t i =

L

− ×

Δ （式 5-6）

60

由於∆i

為電感之峰對峰值漣波電流，在儲能電感上電流的開關導 通時增加與開關截止時減少的∆i

量應該要相同，若功率開關整個切換 週期的時間假設為 T

，而開關導通的時間 t

佔整個切換週期的比率稱 為責任週期 D，責任週期愈長表示儲能時間愈長，且責任週期的大小 介於 0 至 1 之間，將 t

和 t

分別設為 DT

和(1－D) T

代入（式 5-4）

與（式 5-6）中可得到

ac out s ac out s

L

(V V ) DT (V + V ) (1 D)T i = =

L L

− × − × −

Δ （式 5-7）

由（式 5-7）的電感電流上升等於電感電流下降推導得到（式 5-8） ， 可得到平均輸出電壓對於輸入電壓的比值如（式 5-9）所示。

ac out ac out

(V V ) D= (V + V ) (1 D) − × − × − （式 5-8）

out ac

V 1

Gain(D) = =

V (2D − 1) （式 5-9）

由（式 5-9）可繪出開關責任週期 D 的大小與輸出入電壓比值

Gain(D)的關係圖如圖 5.5 所示，此圖形為一對稱的形式，從圖中可得

知當責任週期 D 從 0 漸漸增加至 0.5 時，輸出入電壓比值 Gain 為正值

且小於等於－1，以非線性的曲線變小，在責任週期 D 接近 0.5 時，輸

出入電壓比值 Gain 趨近於負的最大值，此左半邊曲線代表輸入電壓為

負電壓值時，在輸出端可以得到正的電壓值；而當責任週期 D 介於 0.5

至 1 時，輸出入電壓比值 Gain 為正值且大於等於 1，代表輸入電壓為

正電壓值時，可輸出大於或是等於輸入電壓的正電壓值，此電路適合

做交流轉直流轉換的應用。

61

圖 54 電流回饋橋式電路動作分析

圖 55 電流回饋橋式電路之 Gain 與責任週期關係圖 5.2.3.1.2 反向 Watkins-Johnson 式電路

反向 Watkins-Johnson（Inverse Watkins-Johnson）式電路如圖 56

（a）和（b）所示，差異為（b）圖是使用兩個纏繞在同一套鐵心上的

電感，相較於（a）圖的架構可以節省開關的數量。

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圖 56 反向 Watkins-Johnson 式電路

利用圖 56（a）來對電路做分析，如圖 57 所示，57（a）圖表示 功率開關 1 導通、開關 2 截止時的等效電路，此時跨於電感兩端的電 壓 V

為（V

－V

），電感電流線性上升，電感為儲能狀態，流經電 感上的電流除了提供負載所需的電流之外，同時對輸出電容充電，而 電感電流在開關 1 導通時間 t

內變化量為∆i

，則電感兩端跨壓為

L

L ac out

on

V = V V = L i t

− Δ （式 5-10）

電感電流變化量為

ac out on

L

(V V ) t i =

L

− ×

Δ （式 5-11）

而 57（b）圖表示功率開關 2 導通、開關 1 截止時的等效電路，此 時輸出電容上的儲能藉由迴路傳遞能量供給負載，此時電感電流於開 關 1 截止時間 t

內變化量亦為∆i

，則電感兩端跨壓為

L

L out

off

V = V = L i t

− Δ （式 5-12）

此時電感電流變化量為

out off

L

V t i =

L

− ×

Δ （式 5-13）