國立臺灣大學電機資訊學院電信工程學研究所 碩士論文
Graduate Institute of Communication Engineering College of Electrical Engineering and Computer Science
National Taiwan University Master Thesis
多天線車載資通訊智能車之實現―結合低功耗藍牙系 統、無線射頻辨識系統與無線區域網路系統
Multi-Antenna Smart Automotive System Using Bluetooth Low-Energy, Radio-Frequency Identification and Wireless
Fidelity Techniques
甯國駿 Kuo-Jiun Ning
指導教授：毛紹綱 博士 Advisor: Shau-Gang Mao, Ph.D.
中華民國 105 年 8 月
口試委員會審定書
中文摘要
本論文提出了一套應用於購物商場之智能車系統，使得此系統亦可搭載於實 際汽車上，實現 Keyless Entry 車載系統。智慧商場系統包含手機應用程式與貨架 藍牙裝置、無線網路技術、無線射頻辨識技術與新穎性之多天線車載資通訊技術。
多天線車載資通訊技術主要是透過低功耗藍牙 4.0 來實現，並整合了自行設計高指 向型圓極化天線、天線開關、射頻放大器、藍牙模組與微控制器。無線網路技術則 透過無線網路模組與商場雲端伺服器進行資料上載與分析。無線射頻辨識技術則 使用無線射頻辨識模組、900 MHz 圓極化天線與可減少誤判率的增強設備來具體 實現。智能購物車可同時與兩個使用者手機透過藍牙進行連線並共享數據。手機會 掃描在貨架上的小型藍牙裝置，實現室內定位的功能。智能車上高指向型圓極化天 線，搭配演算法，可以使其順暢自動跟隨手機。當商品置入於智能購物車中時，手 機也會同時接收到智能車上的商品資訊，並即時顯示商品資訊。而車上所裝設之特 殊設計的 RFID 增強設備，將使得車內空間電磁場分佈更加均勻且集中，無論使用 者隨意擺放商品到車內皆能順利讀取。賣場伺服器會接收智能車上傳的商品資訊 進行自動結帳並分析消費者購買習慣與商品銷量統計，藉此提升賣場營收。此外，
透過雲端系統進行倉儲管理，可大幅減少人力成本。Keyless Entry 車載系統則沿用 智慧商場智能車系統的天線開關、射頻放大器、藍牙模組與微控制器。考慮實際車 體淨空區的限制，將改以傳導波形式的天線設計。並實現兩位車主在汽車內與外的 定位功能，搭配藍牙白名單功能，讓車主在不用拿出手機的情況下，也可以自動偵 測手機位置以開啟車主所在位置對應的車門。另外，系統中搭載了 10.5 GHz 的都 普勒雷達模組，避免車主不當開車門造成車禍。期盼有朝一日這兩套系統能融入人 們日常生活中，增加生活便利性與行車安全性的同時，也實踐萬物連網之精神。
ABSTRACT
This thesis presents a multi-antenna smart automotive system for use in shopping mall and the keyless entry vehicle systems, in which the smart automotive system consists of mobile App, Bluetooth module, Wireless Fidelity (Wi-Fi) module, radio-frequency identification (RFID) module, and the beam-scanning multi-antenna module. The beam- scanning multi-antenna module is consisting of the six circularly-polarization antenna with high efficiency and gain, a double-pole six-throw antenna switch module, RF amplifier, Bluetooth module, and microcontroller.
The mobile phone App is established to integrate with the smart automotive system and indoor localization system in the shopping mall application by using the received signal strength indicator (RSSI) in Bluetooth low energy technique. The six high-gain and high-efficiency circularly-polarization antenna is installed on the side walls of shopping cart, in which the enjoyable target-tracking scenario is obtained by switching the antenna.
The product information in the shopping mall is displayed in the mobile App instantaneously, such as the product price and the food calorie. To reduce the read error rate in RFID, the metamaterial surface is proposed and constructed with a 915-MHz circularly-polarization antenna and RFID module to form an energy booster without any active device. A warehouse management server of shopping mall is established and constructed with a Wi-Fi module. In the shopping scenario, when user takes the product into the shopping cart, the tag on the product will be detected by the transponder in RFID.
Then MCU will arrange the product information and send to mobile App and server via the Bluetooth and Wi-Fi module to do the self-checkout and warehouse management by the customer and operator.
The beam-scanning multi-antenna technique can further apply to form the keyless entry vehicle system. Comparing with the presented keyless entry vehicle system using the non-radiative techniques, the proposed system using the Bluetooth low energy technique exhibits the more convenience due to the transmission distance. In the keyless entry scenario, the door lock and power lock are automatically unlocked by using RSSI, in which the determination is based on the indoor or outdoor regions. To increase the automotive safety, the radar module is further utilized to construct with the proposed multi-antenna smart automotive system.
Keywords: Bluetooth, beam-scanning antenna technique, smart automotive system, keyless entry system.
目 錄
口試委員會審定書 ... I 中文摘要 ... II ABSTRACT ... III 目 錄 ... V 表目錄 ... XIII
第一章 緒論 ...1
1.1 概論 ...1
1.2 研究動機與目的 ...6
1.3 章節介紹 ...7
第二章 無線通訊技術簡介與使用模組介紹 ...8
2.1 低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy ; BLE) ...8
2.1.1 低功耗藍牙協議簡介 ...9
2.1.2 CC2540 低功耗藍牙模組簡介 ...18
2.2 無線射頻辨識(Radio Frequency IDentification ; RFID) ...24
2.2.1 無線射頻辨識技術簡介 ...24
2.2.2 EPC UHF G2 標準之被動 RFID 標籤內部架構 ...25
2.2.3 AS3992 RFID 模組簡介...26
2.3 CC3200 Wi-Fi 模組簡介...28
2.4 MSP430F5438A 微控制器模組簡介 ...30
第三章 智慧商城功能介紹與硬體架構設計 ...36
3.1 智慧商場系統預計實現之各項功能 ...37
3.1.1 自動跟隨 ...37
3.1.2 多人購物 ...38
3.1.3 室內定位 ...38
3.1.4 商品識別 ...39
3.1.5 倉儲管理與電子結帳 ...39
3.2 智慧商場系統硬體架構設計與韌體介紹 ...41
3.2.1 兩支手機與貨架微型藍牙裝置 ...43
3.2.2 2.4 GHz 高指向性圓極化天線 ...53
3.2.3 單刀雙擲開關與單刀六擲開關 ...57
3.2.4 低功耗藍牙模組 ...61
3.2.5 微控制器模組 ...66
3.2.6 Wi-Fi 模組與雲端伺服器 ...69
3.2.7 RFID 模組 ...74
3.2.8 RFID 天線與增強設備 ...75
3.2.9 馬達控制器與馬達 ...80
第四章 智能車系統內各硬體量測結果 ...83
4.1 智能車頭與車身天線設計與量測結果 ...83
4.2 雙刀六擲天線開關模組量測結果 ...92
4.3 2.4GHz 射頻放大器模組量測結果 ...93
4.4 RFID 天線量測結果 ...101
4.5 RFID 強化設備量測結果 ...102
第五章 多天線車載藍牙系統之實車應用 ...104
5.1 Keyless Entry 車載系統硬體架構 ...106
5.2 Keyless Entry 車載系統說明 ...108
5.2.1 手機與天線 ...108
5.2.2 射頻功率放大器與藍牙模組 ...123
5.2.3 雷達模組、天線開關與微控制器 ...126
5.2.4 Keyless Entry 車載系統的區域判別功能 ...128
5.2.5 Keyless Entry 車載系統的 Master/Slave 切換功能 ...129
5.2.6 Keyless Entry 車載系統的雷達功能 ...131
5.2.7 Keyless Entry 車載系統的耗電流量測 ...134
第六章 結論與未來展望 ...139
圖目錄
圖 1. 1、無線網路的層級架構示意圖 ... 2
圖 1. 2、夢時代智慧商城定位系統、GOMORE 體能感測計與聲寶智慧電冰箱 ... 2
圖 1. 3、汽車無線通訊示意圖 ... 3
圖 1. 4、車用雷達系統 ... 4
圖 1. 5、雷達分類圖 ... 5
圖 2. 1、低功耗藍牙協議堆疊層結構圖 ... 9
圖 2. 2、低功耗藍牙操作頻帶通道圖 ... 10
圖 2. 3、低功耗藍牙鏈結層的狀態流程圖 ... 11
圖 2. 4、低功耗藍牙星型通訊網路架構示意圖 ... 12
圖 2. 5、低功耗藍牙設備建立連線過程圖 ... 13
圖 2. 6、低功耗藍牙通用屬性規範圖 ... 16
圖 2. 7、低功耗藍牙通用存取規範層角色定義示意圖 ... 18
圖 2. 8、TI SMARTRF05 開發板與 TI CC2540 EM 開發板正反面之實體圖 ... 18
圖 2. 9、CC2540 電路圖 ... 19
圖 2. 10、CC2540 系統功能方塊圖 ... 21
圖 2. 11、RFID 標籤內部儲存結構 ... 26
圖 2. 12、(A)AS3992 RFID 模組與(B)RFID 電子標籤實體圖 ... 27
圖 2. 13、AS3992 RFID 模組硬體結構圖 ... 28
圖 2. 14、WI-FI 模組實體圖 ... 29
圖 2. 15、WI-FI 模組硬體架構圖 ... 29
圖 2. 16、WI-FI 網路處理器韌體架構圖 ... 30
圖 2. 17、MSP430F5438A 單晶片與開發板實體圖 ... 31
圖 2. 18、MSP430F5438A 單晶片內部架構圖 ... 32
圖 2. 19、MSP430F5438A 單晶片接腳圖 ... 32
圖 2. 20、MSP430F5438A 單晶片 CPU 結構圖 ... 34
圖 3. 1、智慧購物商場系統與萬物聯網智能車之使用情境圖 ... 37
圖 3. 2、智慧購物商場系統之功能簡表 ... 40
圖 3. 3、智能車上模組實體圖 ... 41
圖 3. 4、萬物聯網智能車-硬體架構圖 ... 42
圖 3. 5、手機 APP 入口頁介面圖 ... 44
圖 3. 6、商品購物頁介面圖 ... 45
圖 3. 7、室內地圖頁介面圖 ... 45
圖 3. 8、手機 APP 商品資訊與結帳頁面 ... 46
圖 3. 9、手機、智能車及貨架微型藍牙裝置訊號傳輸示意圖 ... 47
圖 3. 10、室內定位演算法示意圖 ... 48
圖 3. 11、車外天線配置圖 ... 53
圖 3. 12、(A)車頭天線場型側視構想圖(B)天線場型俯視構想圖 ... 55
圖 3. 13、車頭天線感測範圍、車頭與左右兩車身天線場型比較圖 ... 56
圖 3. 14、車身高增益指向性圓極化天線實體圖 ... 56
圖 3. 15、車頭圓極化天線實體圖 ... 57
圖 3. 16、天線開關的上層圖與角位定義 ... 58
圖 3. 17、天線開關上層 GERBER 圖 ... 58
圖 3. 18、天線開關底層實體圖 ... 59
圖 3. 19、天線開關底層 GERBER 圖 ... 59
圖 3. 20、切換天線廣播示意圖 ... 62
圖 3. 21、藍牙模組廣播時與 MCU 和天線開關之關係圖 ... 63
圖 3. 22、NOTIFICATION 封包位元分配圖 ... 63
圖 3. 23、藍牙模組運作時的詳細流程圖 ... 65
圖 3. 25、在不同藍牙模組模式之下，MCU 的詳細運作流程圖 ... 69
圖 3. 26、CC3200 WI-FI 模組 ... 70
圖 3. 27、WI-FI 聯網架構圖(雲端資料庫) ... 71
圖 3. 28、WI-FI 模組程式流程圖 ... 71
圖 3. 29、遠端 HTTP 伺服器 ... 72
圖 3. 30、賣場伺服器網站 ... 73
圖 3. 31、AS3992 RFID 模組架構圖 ... 74
圖 3. 32、RFID 天線實體 ... 76
圖 3. 33、將 RFID 天線放入購物車的柵欄結構之電場強度模擬結果 ... 77
圖 3. 34、雙層金屬板結構實體圖 ... 78
圖 3. 35、雙層金屬板結構等效電路示意圖 ... 78
圖 3. 36、智能車之 RFID 強化表面腔體 ... 79
圖 3. 37、一般購物車與搭載 RFID 強化設備之車內電場強度模擬結果 ... 79
圖 3. 38、馬達控制器與輪鼓馬達裝設實體圖 ... 81
圖 3. 39、馬達控制器、輪鼓馬達與 MCU 電路架構圖 ... 81
圖 3. 40、系統資訊傳遞架構圖 ... 82
圖 4. 1、智能車身天線圖 ... 83
圖 4. 2、高增益指向性圓極化天線尺寸圖 ... 84
圖 4. 3、高增益指向性圓極化天線散射參數量測與模擬圖 ... 85
圖 4. 4 高增益指向性圓極化天線圓極化軸比量測與模擬圖 ... 85
圖 4. 5、(A)XZ (B)YZ 平面 高增益指向性圓極化天線輻射場型量測與模擬圖 .... 86
圖 4. 6、高增益指向性圓極化天線最大增益量測圖 ... 87
圖 4. 7、車身天線結構圖 ... 88
圖 4. 8、高增益指向性圓極化天線尺寸圖 ... 89
圖 4. 9、智能車頭高增益指向性圓極化天線散射參數量測與模擬圖 ... 90
圖 4. 10、車頭高增益指向性圓極化天線圓極化軸比量測與模擬圖 ... 90
圖 4. 11、智能車頭高增益指向性圓極化天線 XZ 平面輻射場型量測與模擬圖 .... 91
圖 4. 12、智能車頭高增益指向性圓極化天線最大增益量測圖 ... 91
圖 4. 13、智能車系統天線開關之導通反射損失、插入損失、隔離度量測圖 ... 92
圖 4. 14、CC2592 功能方塊圖 ... 93
圖 4. 15、CC2592 射頻放大器外部電路圖 ... 94
圖 4. 16、FR4 四層板疊構圖 ... 94
圖 4. 17、CC2592 射頻放大器搭配載板之上層實體與 GERBER 圖 ... 95
圖 4. 18、CC2592 射頻放大器搭配載板之下層實體與 GERBER 圖 ... 95
圖 4. 19、(A)小訊號(B)大訊號 CC2592 功率放大器量測結果圖 ... 96
圖 4. 20、CC2540 藍牙模組連接 CC2592 射頻放大器量測環境... 97
圖 4. 21、CC2540 藍牙模組連接 CC2592 射頻放大器量測結果圖... 97
圖 4. 22、CC2592 低雜訊放大器低增益模式小訊號參數量測結果 ... 98
圖 4. 23、CC2592 低雜訊放大器低增益模式功率增益量測結果圖 ... 99
圖 4. 24、CC2592 低雜訊放大器高增益模式小訊號參數量測結果 ... 99
圖 4. 25、CC2592 低雜訊放大器高增益模式功率增益量測結果圖 ... 100
圖 4. 26、CC2592 低雜訊放大器低增益及高增益模式之雜訊指數量測結果圖 ... 100
圖 4. 27、RFID 天線 S11量測結果 ... 101
圖 4. 28、RFID 天線 Y-Z 平面場型量測結果與天線實體圖 ... 101
圖 4. 29、(A)無裝 RFID 強化設備 (B)有裝 RFID 強化設備量測環境圖 ... 102
圖 4. 30、無加裝 RFID 強化設備之購物車的商品讀取情況圖 ... 103
圖 4. 31、加裝 RFID 強化設備之購物車的商品讀取情況圖 ... 103
圖 5. 1、KEYLESS ENTRY 車載系統區域示意圖 ... 105
圖 5. 2、KEYLESS ENTRY 車載系統實體圖 ... 106
圖 5. 4、天線實際擺放位置圖 ... 109
圖 5. 5、KEYLESS ENTRY 車載系統車外各天線幅射場型示意圖 ... 109
圖 5. 6、KEYLESS ENTRY 車載系統車內天線場型示意圖 ... 109
圖 5. 7、車側(B 柱)天線場型示意圖 ... 110
圖 5. 8、前後保險桿天線場型示意圖 ... 110
圖 5. 9、車內天線尺寸圖 ... 111
圖 5. 10、車內天線散射參數模擬與量測圖 ... 112
圖 5. 11、車內天線場型量測結果 ... 112
圖 5. 12、車內天線最大增益量測圖 ... 113
圖 5. 13、車內天線實體圖 ... 113
圖 5. 14、車側(B 柱)天線尺寸圖 ... 115
圖 5. 15、車側(B 柱)天線實體圖 ... 115
圖 5. 16、B 柱天線散射參數量測與模擬圖 ... 116
圖 5. 17、車側(B 柱)天線場型量測圖 ... 116
圖 5. 18、B 柱天線最大增益量測圖 ... 117
圖 5. 19、B 柱天線 RSSI 量測環境圖 ... 117
圖 5. 20、B 柱天線直線距離量測 RSSI 圖 ... 118
圖 5. 21、前後保險桿天線尺寸圖 ... 119
圖 5. 22、前後保險桿天線實體圖 ... 120
圖 5. 23、前後保險桿天線散射參數量測與模擬圖 ... 120
圖 5. 24、前後保險桿天線場型量測圖 ... 121
圖 5. 25、前後保險桿天線最大增益量測圖 ... 121
圖 5. 26、前保險桿天線 RSSI 量測環境圖 ... 122
圖 5. 27、前保險桿天線直線距離量測 RSSI 圖 ... 122 圖 5. 28、KEYLESS ENTRY 車載系統之 BLE1 與 BLE2 切換天線廣播示意圖 . 124
圖 5. 29、KEYLESS ENTRY 車載系統天線配置、區域與邊界 RSSI 值定義圖 .. 125
圖 5. 30、HB100 雷達模組(A)正面(B)反面實體圖 ... 126
圖 5. 31、雷達模組中頻運算放大器電路圖 ... 127
圖 5. 32、KEYLESS ENTRY 車載系統主程式流程圖 ... 130
圖 5. 33、普勒雷達收發系統 ... 131
圖 5. 34、HB100 電路架構圖 ... 132
圖 5. 35、HB100 雷達模組量測架構圖 ... 133
圖 5. 36、HB100 雷達模組量測環境圖 ... 133
圖 5. 37、藍牙模組與 MCU 之 SPI 並聯架構圖 ... 135
圖 5. 38、藍牙模組耗電流量測架設示意圖 ... 136
圖 5. 39、CC2540 藍牙模組耗電流量測結果 ... 136
圖 5. 40、CC2592 射頻放大器耗電流量測結果 ... 137
圖 5. 41、MSP430F5438A 微控制器耗電流量測結果 ... 137
表目錄
表 2. 1、各通訊技術發展與傳輸速率比較表 ... 8
表 2. 2、CC2540 電源模式組合表 ... 20
表 2. 3、RFID 各國通訊標準 ... 25
表 2. 4、MSP430F5438A 記憶體空間分配表 ... 34
表 3. 1、天線開關邏輯控制表 ... 60
表 3. 2、輸入輸出引腳、串列通訊介面與計時器配置表 ... 67
表 3. 3、藍牙模組透過 SPI 介面傳送給 MCU 之訊息表 ... 66
表 4. 1、高增益指向性圓極化天線設計尺寸表 ... 84
表 4. 2、高增益指向性圓極化天線設計尺寸表 ... 89
表 4. 3、CC2592 控制邏輯表 ... 91
表 5. 1、車內天線設計尺寸表 ... 111
表 5. 2、車側(B 柱)天線設計尺寸表 ... 115
表 5. 3、前後保險桿天線設計尺寸表 ... 120
表 5. 4、輸入輸出引腳、串列通訊介面與計時器配置表 ... 127
表 5. 5、LED 顯示車主位置方位及區域表 ... 129
表 5. 6、雷達模組量測結果 ... 134
表 5. 7、無省電機制下不同切換天線間隔內之停止廣播時間的耗電流比較 ... 138
表 5. 8、廣播狀態下有無省電機制之架構與韌體設定比較表 ... 138
表 5. 9、KEYLESS ENTRY 系統廣播狀態平均耗電流計算結果表 ... 138
第一章 緒論
1.1 概論
生活中總有許多事情與我們息息相關，中國西周朝透過烽火台在幅員廣闊的 土地上傳遞訊息，可見得訊息的傳遞對於人們生活的影響深遠而不可忽略。21 世 紀的今日，科技改變我們的生活，電腦、手機不斷的革新，日異飛快的發展，無線 網路應用已深入在人們的日常生活中，其應用包括居家環境、辦公場所、消費場所、
甚至使用者在戶外移動對於數據和多媒體資訊的無線通訊需求。正因如此，為滿足 多樣化的網路環境與使用者需求，電機電子工程學會(Institute of Electrical and Electronic Engineers ,IEEE)，分別制定了 802.15、802.11、802.16、以及 802.20 系 列 的 通 訊 標 準 以 因 應 個 人 化 的 短 距 離 無 線 網 路 (Wireless Personal Area Network ,WPAN)[1] 、 區 域 性 的 中 距 離 無 線 網 路 (Wireless Local Area Network ,WLAN)[2] 、 都 會 型 的 長 距 離 無 線 網 路 (Wireless Metropolitan Area Network ,WMAN)[3] 以 及 廣 域 的 行 動 通 訊 無 線 網 路 (Wireless Wide Area Network ,WWAN)[4]，示意圖如圖 1.1 所示。在 WPAN 之中又以使用者對傳輸速 率、省電以及多媒體的應用需求分別制定了，針對 Bluetooth 通訊系列的 IEEE 802.15.1、對短距離高速頻寬要求的 IEEE 802.15.3-UWB(Ultra Wide Band)以及低功 率消耗和低速率應用的 IEEE 802.15.4-Zigbee。
今日新連網時代來臨，人們希望所有的設備與物品都可以連網進行溝通。因此，物 聯網 [5] (Internet of Things ; IOT)已儼然成為了最火紅的名詞之一，預估在 2020 年 將有 100 億個以上的連網設備，潛藏商機超過 1 兆美元。為了創造更便利的生活，
它將掀起下一陣科技旋風，撼動人類的生活!不論在食衣住行各方面，都將徹底改
Communication ; NFC)的 Citygo 電子錢包、智慧社區警衛系統、運用低功耗藍牙技 術(Bluetooth Low Energy ; BLE)， 圖 1.2 的 GoMore 體能感測計、圖 1.2 中高雄夢 時代 aruba ibeacon 智慧商城定位系統與輕量車況紀錄器、結合無線區域網路技術 (Wi-Fi)，圖 1.2 中的聲寶智慧電冰箱等，還有結合 ZigBee、Wi-Fi 、BLE 等技術的 系統例如 ECTUARY 企業能源管理與 In-Snergy 智慧家庭[6]等。
圖 1. 1、無線網路的層級架構示意圖
圖 1. 2、(a)夢時代智慧定位系統、(b)GoMore 體能感測計與(c)聲寶智慧電冰箱
圖 1. 3、汽車無線通訊示意圖
現今的車載無線通訊技術發展上也結合了短距無線通訊技術(Dedicated Short- Range Communications, DSRC) [7]、RFID 與 BLE 等技術來實現車內通訊與車外的 無線通訊，示意圖如圖 1.3 所示。在車內通訊應用中，主要透過藍牙通訊介面連結 車載裝置(On-Board Uint ; OBU)與行動通訊裝置，進行免持電話、音樂下載以及電 子導航等等應用。車外通訊中又可分為短、中、長距離，短距離應用上通常以數公 尺為界定，包含可透過 RFID 辨認車主接近的 I-Key 技術或者是透過行動裝置結合 藍牙進行操控汽車的短距離應用。以目前廣受矚目的 I-Key 為例，國內外許多車 廠，包括德國大廠 Mercedes Benz、BMW 的 Keyless Go 系統，在近幾年的車款都 已搭載這樣的全新車用電子技術，車主僅需要攜帶 I-Key 便可以開啟車門或電門。
當攜帶著 I-Key 的車主要開啟中控門鎖時，僅需按下車門把手上的開鎖按鍵，此時 安裝在汽車內的 RFID 讀取器將發射訊號，啟動 I-Key 內的 RFID 電路，並要求 I- Key 傳回識別資料。I-Key 在接收訊號後，將會自動將記憶體內的識別資料以電波 方式回傳至汽車內的 RFID 讀取器。當汽車內的 RFID 讀取器接收回傳的識別資料 後，將與系統內部的資料庫進行比對，確定此 I-Key 是否為授權可管理此輛汽車的 I-Key。當資料比對無誤時，系統便會發出訊號，要求門鎖解除鎖定，而車主便可
料，在確認了所有資料無誤之後，即開放引擎點火系統的控制，使得汽車得以順利 發動，但是 I-Key 卻有通訊距離短、車主需主動按下車門上的解鎖按鈕才能運作、
需多帶 I-Key 出門等缺點。
而在中距離的應用上，又可分車間通訊(Vehicle to Vehicle, V2V)與車路通訊 (Vehicle to Roadside, V2R)，通訊距離大約介於數十公尺以上的範圍，車路通訊通常 以 RFID 、 Wi-Fi 還 有 發 展 中 的 短 距 無 線 通 訊 技 術 (Dedicated Short-Range Communications ; DSRC)為主，可應用於自動電子收費、自動取得前方交通路況、
停車場資訊、影音資訊上傳及下載等；而在車間通訊應用下屬於多動點之間的雙向 傳輸，主要用於高速下的車輛安全防撞訊息交換，以各汽車以及資通訊產業正所聚 焦的 DSRC 通訊介面為主。長距離的通訊是指車輛與遠方通訊設備進行資料交換 的應用，其所覆蓋的通訊範圍是最廣的，通訊距離約達數公里，其包含 2G、3G、
4G 行動通訊系統和全球定位系統等，皆歸屬於此類，共同特點除了傳輸距離長外，
還能夠應付高速移動，主要被應用於行動通訊、定位導航以及行動上網等。
此外，近年來的車用雷達系統則主要朝增加行車安全性以及行車便利性兩方 面發展，包含先進駕駛輔助系統和相關的主動車距控制巡航系統(Autonomous Cruise Control system ; ACC)[8]、前方碰撞警示、車道偏移(Lane departure warning system)、盲點偵測及停車輔助系統等，如下圖 1.4 所示。
圖 1. 4、車用雷達系統
電磁波雷達依偵測波之操作種類來分，大致可分為為連續波(continuous wave；
CW)和脈波調變(Pulse modulation)兩種[9]，如下圖 1.5 所示。未調變過的連續波雷 達可以計算目標物反射訊號和發射訊號的頻率偏移來推算相對速度，或者利用接 收訊號強度推算目標物相對距離，但是利用接收訊號強度來推算很容易受到環境 變因或目標物本身的雷達截面積(Radar Cross-Section ; RCS)影響，所以準確度不佳。
若需要較精準的目標物距離資訊，可利用頻率調變連續波雷達(frequency modulated continuous wave radar；FMCW)，但是其精準度取決於頻率和操作頻寬，在應用上 需和成本作出取捨。本論文將利用簡單且極具成本優勢的未調變連續波雷達來防 止不當開車門導致車禍。
透過物聯網以及雷達技術，我們可以更輕鬆的消費與購物，擁有更安心的居家 生活，更安全與便利的交通環境以及更穩定的醫療協助。物聯網將這些食衣住行全 部以無線方式串連在一起，並將各項資訊彙整後在後端平台或雲端伺服器進行有 效的分析與管理，藉此實現智慧城市、輕鬆生活的概念!
1.2 研究動機與目的
一個美好的物聯網智慧城市中，街道上裝有各式的感應裝置，如天氣感測、車 流量紀錄與交通號誌控制等等，透過車對人(Vehicle to Pedestrian ; V2P)、車對車 (Vehicle to Vehicle ; V2V)或車對物(Vehicle to Infrastructure ; V2I)等方式，將資訊提 供給路上的行人或是移動中的車子。有了這些資訊，智慧車便能自動駕駛，同時根 據流量及交通號誌來更改車行路線。對於路邊的店家，可以透過藍牙廣播等方式推 播優惠訊息吸引顧客。而對於行人及車子都可以即早收到資訊後判斷是否要進入 店家購物，亦可了解餐館是否還有桌位可供用餐。另一方面，移動中的車子也可以 自動的偵測方向進行自動導航，並同時將路況資訊上傳雲端伺服器，使居民們可以 即時了解道路情況。當車子進入停車場或是人們於超商消費時，則可以透過無線射 頻辨識技術結合金融科技來進行電子付費。
本論文希望可以將物聯網與智慧城市的概念具體且全方面完整的呈現出來，
並且實現在一個智慧購物商場裡，希望能夠改善目前市面上紅外線掃描智慧購物 車需要一個個掃描商品的麻煩、幫助顧客快速找到欲買商品並進行快速電子結帳 以節省時間與收銀人力、減輕年長顧客需要推著沉重購物車購物的困難、讓賣場管 理者可以透過雲端分析進行倉儲管理、分析雲端資料庫得到消費者習慣並使用配 套促銷活動以增加賣場營收。本論文將透過低功耗藍牙[10]、 Wi-Fi [11]與 RFID 技 術，結合自行設計的 2.4 GHz 高指向性圓極化天線、915 MHz RFID 圓極化天線與 能量增強設備、射頻放大器、BLE 室內定位演算法、手機 App、自動跟隨演算法及 雲端伺服系統來解決上述問題。這個商場就好比一座充滿智慧的城市，它有自己的 賣場雲端系統，可以接收、統計及處理各種資訊。商場內的每一個出入口、每一個 貨架、每一台購物車、每一個收銀台與每一個消費者可能駐足的地方，都可以視為 智慧城市內的智慧店家，道路號誌和周邊的雲端設備。而賣場內的購物車，就好比 城市內搭載自動化駕駛系統的汽車。到賣場購物的消費者，只要拿出手機即可和任
一台購物車建立連線，之後消費者就可擁有全自動無人駕駛的自動跟隨智能車，透 過 V2P 及 V2I 的架構，消費者可以透過手機接收到貨架、賣場及購物車所發出的 訊息，賣場業者也可以透過雲端伺服器了解所有賣場內消費者的購物情況。結合金 融科技，消費者可於手機端進行電子結帳，並且結帳內容會同時與賣場伺服器進行 重複確認以增加準確性。有了這些物聯網功能，未來的消費者便能進入這個智慧網 域裡面，體驗一場輕鬆且愉快的購物之旅，消費者在智慧商場中所跨出的每一小步，
也都是啟動智慧城市的關鍵一大步。
為了更加貼近實際的智慧城市，本論文也希望能在實車上真正實現 V2P 及 V2I 的概念，在本論文提出的 Keyless Entry 車載系統中，採用 WPAN 技術中安全性較 高，功耗較小的 BLE 技術作為主體並嵌入到車上系統內，希望能利用人手一支的 手機當作不需要拿出包包或口袋的車鑰匙以取代一般鑰匙或 I-key，甚至可以在車 主進入車內前預先針對不同車主調整合適的車內環境，透過藍牙技術，也能在低功 耗的前提下串連整個智慧家庭連結智慧交通以及智慧城市。此外，近年來不當開車 門導致車禍事件數量居高不下，本論文也希望能利用簡單且低成本的雷達模組嵌 入在車上系統內來解決此問題，在邁進智慧城市的同時，也增加行車安全性。
1.3 章節介紹
本論文共有六個章節，第一章緒論說明了研究動機。第二章針對本論文所使用 技術，包含低功耗藍牙通訊協議與無線射頻辨識技術作介紹。第三章說明智慧商城 的情境架構設計、簡介智能車系統預計實現的功能以及說明整個系統各部分所使 用到的軟硬體與它們的運作方式。第四章說明硬體的模擬與量測結果，第五章說明 Keyless Entry 車載系統架構、功能及量測結果，最後在第六章為本論文做總結。
第二章 無線通訊技術簡介與使用模組介紹
2.1 低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy ; BLE)
BLE 是一種新穎的低功耗無線通訊技術，主要針對低成本、高可靠性以及高 安全性的 WPAN 作設計，其中最大特點之一就是單靠鈕扣電池(CR2032，3V，
220mAh)即可為低功耗藍牙晶片供電，結合微型感測器建構出各種嵌入式或者可穿 戴式感測器的感測網路應用[12]-[13]。
大部分的有線和無線通訊技術的發展過程，都以提升資料傳輸速率為優先考 量，如表 2.1 所示。但藍牙協議發展過程，藍牙技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group ; SIG)為低功耗藍牙選擇了完全不同的方向，他們不以提高數據傳輸速率為 目標，而是盡可能的從中降低功率消耗。這意味著，在低功耗藍牙中，或許無法得 到很高的傳輸速率，但是在進行低功耗藍牙通訊時，可保持連接數小時或者數天的 時間，在藍牙裝置處於廣播者(Broadcaster)的狀態時，甚至可以調整廣播時間間隔 來使得藍牙裝置可以單靠鈕扣電池持續工作數月之久。因此低功耗藍牙非常適合 於需要長時間進行少量資料傳輸的應用，例如家電控制、醫護監控、物件辨識與 iBeacon[14]-[15]等。
表 2. 1、各通訊技術發展與傳輸速率比較表
乙太網 行動通訊技術 Wi-Fi 藍牙
802.3i 10Mbps 1G 9.6kbps 802.11 2Mbps V1.1 1Mbps 802.3u 100Mbps 2G 64kbps 802.11b 11Mbps V2.0 3Mbps 802.3ab 1000Mbps 3G 2Mkbps 802.11g 54Mbps V3.0 24Mbps 802.3an 10000Mbps 4G 100Mbps 802.11n 135Mbps V4.0 0.3Mbps
2.1.1 低功耗藍牙協議簡介
低功耗藍牙的協議架構十分單純，如圖 2.1 所示，可分為三個基本部分：控制 器(Controller)、主機(Host)和應用層(Application)。控制器部分通常是整合藍牙射頻 模塊的 SOC(System on Chip)設備，用以運行下層協議，處理發射和接收無線電訊 號，並且解讀這些訊號封包帶有的資料訊息。主機部分用以執行上層協議，透過軟 體操作管理兩台或多台藍牙裝置之間的無線通訊參數以及提供不同應用服務。應 用層位在主機和控制層之上，使建立低功耗藍牙的通訊應用程序。後續子節將分別 詳細介紹各個低功耗藍牙協議層。
圖 2. 1、低功耗藍牙協議堆疊層結構圖
2.1.1.1 實體層(Physical Layer ; PHY)
低功耗藍牙實體層是操作在 2.4 GHz 的 ISM(Industrial Scientific Medical Band) 頻段，用以傳送和接收藍牙無線訊號。其中 ISM 頻段是一個不需要授權的免費使 用頻帶，所以在同一區域中，可能會有許多裝置在此頻帶上進行資料傳送，因而造 成彼此的訊號互相干擾。因此為了應付複雜且多干擾的環境，在低功耗藍牙的 2402
~ 2480 MHz 操作頻寬之中，將被劃分為 40 個通道，各通道的寬度為 2 MHz。如圖 2.2 所示，其中 37、38 及 39 通道為避免 Wi-Fi 干擾的固定廣告通道 (Channel)；其 餘 37 個為可動態跳頻(Frequency Hopping)的數據通道[16]，其跳頻技術根據通道映 射表可在 37 個頻帶內映射到好的通道進行傳遞資料，以避免同頻訊號的干擾。而 低功耗藍牙在進行無線傳輸時採用 GFSK(Gauss Frequency Shift Keying)調變方式 改變無線電波訊號的頻率，以各通道之中心頻負偏移 185kHz 代表傳送 0 的訊息，
正偏移 185kHz 代表傳送 1 的訊息。
圖 2. 2、低功耗藍牙操作頻帶通道圖
2.1.1.2 鏈結層(Link Layer ; LL)
鏈結層定義兩個藍牙裝置如何透過無線方式傳輸訊息。包含了封包、廣告、數 據通道的詳細規定，也規範了發現其它設備的流程、廣告的數據、連線的建立、連 線的管理以及連線中的數據傳輸。鏈結層可分為 5 個狀態來描述低功耗藍牙裝置，
分別為藍牙裝置在沒有進行接收和傳送資料以及沒有和其它裝置連線的待命 (Standby)狀態、週期性發送廣告數據等待連線的廣告(Advertising)狀態、主動掃描 周邊廣告數據的掃描(Scanning)狀態、主動發送連線請求的發起(Initiating)狀態以及 建立連線後的連線(Connection)狀態。鏈結層的狀態流程如圖 2.3 所示，其中連線 狀態之下分為兩種角色，分別為從發起連線狀態成為的主(Master)設備及發送並廣 告等待連線請求的從(Slave)設備。而低功耗藍牙的資料通訊網路為星型網路結構，
以主裝置為中央節點可與多個從裝置通訊，但從裝置只能與一個主裝置做連線，示 意圖如圖 2.4 所示。
圖 2. 4、低功耗藍牙星型通訊網路架構示意圖
低功耗藍牙規範之中，有兩種封包：廣告封包和數據封包。兩種封包有兩種完 全不同的用途，掃描設備透過掃描廣告封包得以發現和連線設備。一旦進行連線之 後，則開始使用數據封包。兩者的差別在於數據封包只能被連線中的主裝置及從裝 置裝置所理解，廣告封包則可以廣告給多個掃描設備或者只發送給某個特定設備。
但以廣告封包傳遞數據是一種不可靠的通訊方式，因廣告設備無法得知是否 有設備接收到廣告數據，或者是否有設備試圖監聽其數據，為應付更可靠及安全的 資料傳輸還是得依賴連線後的數據封包傳輸。以設備建立連線的最簡單過程為例，
如圖 2.5 所示，由上到下，首先廣告設備透過發送廣告封包，讓其它設備掃描並接 收到之後，掃描設備會發出掃描請求，廣播設備接收後會進行回應，接著掃描設備 即可發起連線請求給掃描設備，便可建立連線進行可靠的數據通訊。
圖 2. 5、低功耗藍牙設備建立連線過程圖
在上述過程之中，有幾個重要參數直接影響著低功耗藍牙的性能及功耗，包含 廣告狀態的廣告間隔(Advertising Interval)參數，還有在連線後的連線間隔(Connect Interval)、監控超時(Supervision Timeout)、從設備延遲(Slave Latency)等參數。其中，
廣告間隔為廣告裝置在每次發送廣告封包而後進入低功耗狀態的時間間隔可為 20 毫秒至 10.24 秒的範圍；連線間隔為週期性連線事件發生的時間間隔，其主(Master) 和從(Slave)裝置之間的資料通訊皆建立在連接事件之中，因此連線的時間間隔直接 影響到兩裝置的資料通訊速度，連線時間間隔可以在 7.5 毫秒至 4 秒之內的 1.25 毫秒的整數倍數；監控超時為設定當兩設備未建立連線事件多久即判定兩裝置斷
線事件，以節省從裝置的電源，參數可為 0 至 499 的任意數值，但必須滿足(2.1) 式，防止不正常斷線。而以上廣告參數及連線參數可根據使用者的應用需求進行設 定調整。
Slave Latency < ((Supervision Timeout
Connect Interval ) − 1) (2.1) 此外，在充滿廣告封包的密集環境之中，可藉由鏈結層所儲存的設備地址列表 用來掃描發現已知的裝置，此設備地址的列表稱為白名單(Whitelist)。並可透過白 名單的添加使其藍牙裝置，只會與名單內的裝置進行連線及傳輸數據，使得在管理 私人的藍牙通訊網路時更為安全且有效。
2.1.1.3 主機與控制器介面層(Host Controller Interface ; HCI)
主機與控制器介面層為主機和控制器之間的溝通介面，主要用來發送命令給 控制器或是接收來自控制器的事件。藍牙規範中對主機與控制器介面層定義了四 種通訊介面，其包含通用非同步收發傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/
Transmitter ; UART)、通用序列匯流排(Universal Serial Bus ,USB)或安全數位輸入輸 出(Secure Digital Input /Output ,SDIO)等通訊介面，每種介面皆對應著不同用途，比 如 USB 可用於電腦設備提供高速且通用的傳輸方式。並且透過主機與控制器介面 層可使控制器與主機分離，以根據使用者需求可自由選擇不同廠商的控制器和主 機進行配對。
2.1.1.4 邏 輯 鏈 路 控 制 和 適 配 協 議 層 (Logical Link Control and Adaptation Protocol ; L2CAP)
邏輯鏈路控制和適配協議層用來處理上下層之間的封包格式，意即當上層的 安全管理層、屬性協議層等協議傳送來的封包過大時，它負責將封包分割成較適當
的大小，以利於下層鏈結層可以處理。反之，在接收來自鏈結層的數據封包時，將 組裝成上層可處理封包的格式。
2.1.1.5 安全管理層(Security Manager ; SM)
安全管理層定義了配對(Pairing)和密鑰(Passkey)生成的規範。兩藍牙裝置在進 行連線之前，配對是讓對方設備獲取信任的過程，通常採用輸入 PIN 碼的認證方 式。配對之後，兩裝置將透過暫時性的密鑰生成，進行加密的資料傳輸。而後當兩 個藍牙裝置再次連線，將透過先前配對的暫時性密鑰進行加密，從而迅速認證彼此 的身分。
2.1.1.6 屬性協議層(Attribute Protocol ; ATT)
屬性協議層定義了兩裝置之間的數據存取規則，包含屬性的讀、寫和發現。其 中，提供數據服務的稱為服務端(Server)，使用數據的稱為客戶端(Client)。客戶端 將請求發送至服務端，而後者回應請求後，客戶端將可對存放在屬性(Attribute)表 之中的數據進行讀寫操作。
屬性是被編址以及被標籤的一塊數據，每個屬性均包含用來標識該數據位址 的 Handle、識別數據類型的通用唯一識別碼(Universally Unique Identifier ,UUID)還 有一個屬性值。例如，一個類型為溫度、屬性値為 20.5 oC 被放在 Handle 為 0x01CE 的屬性之中。屬性協議層還定義了屬性的權限，如果客戶端驗證了自己的身分或得 到服務端的授權，客戶端將可根據權限讀寫或只允許讀服務端的屬性値。
2.1.1.7 通用屬性規範層(Generic Attribute Profile ; GATT)
通用屬性規範層位於屬性協議層之上，定義屬性的類型和使用方式。通用屬性 規範層和屬性協議層相同有服務端和客戶端兩個角色，並且不受主或從的角色限
務(Service)和特性(Characteristics)的兩種格式。其中，服務可以包含多個特性，特 性中則包含數值以及用來描述該特性値的多個描述符(Descriptor)，規範如圖 2.6 所 示。通用屬性規範層客戶端可透過 UUID 搜尋通用屬性規範層服務端的所有符合 類型的屬性，進而從中根據權限訊息進行讀寫該 Handle 之下的特性値。又或者是 在觸發某事件時，通用屬性規範層服務端不需要透過通用屬性規範層客戶端的服 務請求，直接向通用屬性規範層客戶端以發送指示(Indication)或是通知(Notification) 的方式傳送特性値。
圖 2. 6、低功耗藍牙通用屬性規範圖
2.1.1.8 通用存取規範層(Generic Access Profile ; GAP)
通用存取規範層是低功耗藍牙的核心規範中最後一部分，規定了所有藍牙設 備必須包含無線電(Radio)、基頻(Baseband)、連結管理器(Link Manager)、邏輯鏈路 控制和適配協議層以及服務特性發現的功能，並且將實體層、鏈結層、邏輯鏈路控 制和適配協議層、安全管理層、屬性協議層和通用屬性規範層等協議結合在一起，
形成藍牙設備的基本需求。同時，通用存取規範層也定義了設備發現、連線建立、
安全認證和服務特性發現等行為和方法，以及設備之間如何以綁定(Bonding)建立 兩者的長期關係。
在這之中，通用存取規範層定義了 4 個藍牙規範角色：廣播者(Broadcaster)、
觀察者(Observer)、周邊設備(Peripheral)和中央設備(Central)角色。一個藍牙設備可 以是其中的一種角色或是多個角色組成。廣播者是不具連線功能，以發送廣告封包 方式對外界傳輸訊息的設備；觀察者也是不具連線功能，以掃描廣告封包方式接收 外界傳輸訊息的設備；周邊設備是可接收連線請求的廣播者，操作和鏈結層連線狀 態下的(Slave)裝置相同；中央設備是可發起連線請求的觀察者，操作和鏈結層連線 狀態下的主(Master)裝置相同，各角色示意圖如圖 2.7 所示。
在多個角色組成下，一個藍牙設備可以是周邊設備與廣播者、周邊設備與觀察 者或是中央設備與廣播者等角色所組成。在周邊設備與廣播者角色的組合中，操作 如同鏈結層中的從裝置，可發送廣告封包以及接收連線請求，並且在連線狀態下同 時可向外界發送不可連線的廣告封包；周邊設備與觀察者角色的組合中，操作如同 鏈結層中的從裝置，可發送廣告封包以及接收連線請求，並且同時可掃描外界的廣 告封包，但不可發起連線請求；中央設備與廣播者角色的組合中，操作同鏈結層中 的主裝置可掃描廣告封包以及發起連線請求，並且可同時向外界發送不可連線的 廣告封包。
圖 2. 7、低功耗藍牙通用存取規範層角色定義示意圖
2.1.2 CC2540 低功耗藍牙模組簡介
CC2540 是一顆整合 2.4 GHz 射頻收發器以及兼容 8051 內核的系統單晶片，
其內含 256 kB 快閃記憶體(Flash Memory)以及 8 kB 靜態隨機存取記憶體(Static Random Access Memory ,SRAM)。開發階段使用 TI CC2540 EM 搭配 TI SmartRF05 開發板進行應用測試[17]，開發板上的測試接口可供使用者進行功能測試，以便提 升開發效率。整個模組包含 TI CC2540 EM 搭配 TI SmartRF05 開發板如下圖 2.8 所示。
圖 2. 8、TI SmartRF05 開發板與 TI CC2540 EM 開發板正反面之實體圖
如下圖 2.9 所示，在 CC2540 電路設計中，天線及巴倫匹配電路的設計由其重 要，這涉及到射頻通訊是否優良，對通訊距離、系統應用都有很大的影響。此外，
振盪器的選用對系統穩定也是影響甚大，CC2540 使用兩個外部石英振盪器提供穩 定時脈，分別為 32 kHz 及 32 MHz 石英震盪器，其中，32 kHz 應用於 CC2540 低 功耗休眠模式，32 MHz 則是提供高速且穩定的系統時脈應用。
圖 2. 9、CC2540 電路圖
CC2540 有 5 種的電源控制模式，分別為工作模式(Active Mode)、閒置模式(Idle Mode)、電源模式 1(PM 1)、電源模式 2(PM 2)以及電源模式 3(PM 3)，其中工作模 式是一般運行狀態，而 PM1、PM2、PM3 則是處於低功耗的休眠狀態，其 PM3 有
的損耗，以及使用時脈閘控(Clock Gating)控制時脈輸入或關閉振盪器來減少低功 耗模式運行時的動態功率損耗。詳細說明如下:
(1) 工作模式(Active Mode): 為全功能的狀態，其穩壓器正常提供電源至數位模塊，
16 MHz RC 或 32 MHz 石英之高頻振盪器為運行狀態，或兩者皆為運行狀態，
而 32 kHz RC 或 32 kHz 石英之低頻振盪器為運行狀態。
(2) 閒置模式(Idle Mode): 除了 CPU 為閒置狀態，操作狀態與工作模式相同。
(3) 電源模式 1(PM1): 穩壓器正常提供電源至數位模塊，16 MHz RC 或 32 MHz 石英之高頻振盪器皆非運行狀態，而 32 kHz RC 或 32 kHz 石英之低頻振盪器 為運行狀態。當外部產生中斷訊號或休眠計時器到時，系統將由 PM1 回到工 作模式。
(4) 電源模式 2(PM2): 穩壓器不提供電源至數位模塊，16 MHz RC 或 32 MHz 石 英之高頻振盪器皆非運行狀態，而 32 kHz RC 或 32 kHz 石英之低頻振盪器為 運行狀態。當外部產生中斷訊號或休眠計時器到時，系統將由 PM2 回到工作 模式。
(5) 電源模式 3(PM3):穩壓器不提供電壓至數位模塊，並且所有振盪器時脈為關閉 狀態。
下表 2.2 為系統在不同電源模式下的振盪器配置與穩壓器開關的組合。
表 2. 2、CC2540 電源模式組合表
電源模式 高頻振盪器 低頻振盪器 數位模塊電源供
應 Active or Idle
mode
32MHz XOSC or 16MHz RCOSC
32 kHz XOSC
or 32kHz RCOSC ON PM1 None 32 kHz XOSC
or 32kHz RCOSC ON PM2 None 32 kHz XOSC
or 32kHz RCOSC OFF
PM3 None None OFF
CC2540 的系統功能方塊圖如下圖 2.10，大致可分為三個部分: CPU(Central Processing Unit)相關模塊;電源、測試、時脈相關模塊;無線射頻相關模塊。
1. CPU 與記憶體:
CPU 使用 single cycle 8051 核心，有著三種不同的記憶體存取通道分別為 SFR、
DATA 及 CODE/XDATA，以及除錯介面和 18 個擴充輸入中斷單元。位於系統核心 的記憶體仲裁器(Memory Arbiter)透過 SFR 連接 CPU、DMA 控制器與實體記憶體 以及所有週邊(Peripherals)。SFR 匯流排是讓所有硬體週邊裝置連接記憶體仲裁器 的通道，並且亦可存取無線射頻暫存器。CC2540 的 256 kB 的 Flash 作為程式記憶 體可重複寫入儲存程式，8 kB SRAM 作為資料記憶體儲存程式相關數據變數。
2. 週邊裝置:
硬體週邊可由 DMA(Direct Memory Access)控制器透過 SFR 或 XREG 位址與 Flash/SRAM 之間做資料傳輸。中斷控制器(Interrupt Controller)可分為 6 個中斷群 組共有 18 個中斷來源，其中每個群組有 4 種中斷優先權可設定;I/O 以及休眠計時 器(Sleep Timer)可經由中斷要求讓裝置由休眠狀態(PM 1、2)喚醒至工作狀態。在除 錯介面上使用兩線式串列介面實現電路除錯，透過此介面可以清除或編程全部的 Flash 記憶體、啟動振盪器、啟動或停止使用者程式、在 CPU 核心上設置程式斷點 (Code Break Points)以及可單步執行程式。I/O 控制器負責控制所有通用型輸入輸出 腳位(General Purpose I/O)，由 CPU 配置週邊模塊的功能以及該腳位為輸出或輸入、
上拉(Pull up)或下拉(Pull down)電阻連接，並且每個週邊模塊都可選擇兩組不同的 輸出引腳。休眠計時器具有超低功耗的特性，持續運行於 PM 1、2，其時脈源可以 選擇外部 32.768 kHz 石英振盪器或是內部 32.753 kHz RC 振盪器，通常此計時器 用於即時的計數器或是作為喚醒裝置至工作狀態的計時器。內建的看門狗計時器 (Watchdog Timer)，用於韌體當機時可自行執行系統重置。TIMER 1 是一個 16 位元 的計時器，具有計時、計數、脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation ,PWM)的功能，
其內部有可編程 1/8/32/128 的分頻器、5 組比較/抓取(Compare/Capture)暫存器。
TIMER 2 是一個 40 位元計時器，用於執行低功耗藍牙堆疊協議，其分為兩個部分，
一部分為可設定計時週期的 16 位元計數器，另一部分為 24 位元計數器用來追蹤
溢位發生的週期次數，以提供準確的時間點控制射頻端發送及接收訊號或是其它 中斷訊號。TIMER 3 和 TIMER 4 是 8 位元的計時器，具有計數、計數、脈衝寬度 調變的功能，其內部有可編程 1/2/4/8/16/32/64/128 的分頻器、2 個比較/抓取通道。
USART 0 和 USART 1 可以被設置為 SPI 主(Master)/從(Slave)裝置或 UART 其中一 種功能，並提供兩個數據緩衝區可供 TX/RX 使用，以及可由硬體腳位控制數據流 量；此外，每個 USART 內部都擁有高精準的鮑率產生器，因此非常適合高速全雙 工資料傳輸應用。內建 AES(Advanced Encryption Standard)加解密核心提供使用者 運用 128 位元密鑰之 AES 演算進行加密及解密資料。ADC 具有 7~12 位元解析度，
頻寬為 4 kHz 至 30 kHz 範圍，其數位和類比訊號的轉換可從 8 個引腳輸入訊號，
並且可選擇單端或差動訊號輸入；在參考電壓上，可以使用內部 AVDD 或單端、
差動外部輸入訊號來當作內部參考電壓；此外，ADC 也有溫度感測的輸入通道，
以及可自動在每個通道週期性的採樣和轉換輸入訊號；而運算放大器(Operational Amplifier ,OPA)用於差動輸入提供增益及訊號緩衝至 ADC。
3. 無線射頻核心:
無線射頻核心是由好幾個子模塊來組成，用以處理藍牙的封包訊號，並具有與 CPU 連接之介面，可根據使用者應用透過 SFR 下達控制命令，改變射頻模塊的行 為模式以達到使用者需求。其 LLE(Link Layer Engine)控制著無線電收發機的狀態 以及大部分的類比訊號，如輸出訊號的功率大小。LLE 亦用於正確處理事件發生 的程序，如啟用接收機之前會先校正頻率合成器(Frequency Synthesizer)，以及處理 封包的組成和解碼，其中包括自動處理封包長度、CRC(Cyclic Redundancy Check) 的生成及檢查。
2.2 無線射頻辨識(Radio Frequency IDentification ; RFID)
2.2.1 無線射頻辨識技術簡介
RFID 無線射頻識別是一種非接觸自動識別技術，其基本原理是透過讀寫器 (Reader)發出調變信號，標籤就能憑藉感應電流所獲得的能量發送出存儲在晶元中 的產品信息(即 Passive Tag，被動標簽)，或者主動發送某一頻率的信號(即 Active Tag，主動標簽)，讀寫器讀取信息並解碼後，送至中央信息系統進行有關數據處理。
RFID 識別系統由三個部分組成：硬體部分、軟體部分以及 RFID 資料格式的標準 與通信協議。其中的硬體部份主要包括：RFID 讀寫器(Reader)、電子標籤(Tag)以 及天線。在系統運作時，RFID 讀寫器將掃描(輪詢)讀取電子標籤資料，一旦標籤 進入讀寫器的天線有效範圍內，讀寫器就可以讀取 RFID 標籤中的資料，從而完成 對產品的信息收集。讀寫器可將資料通過通信介面傳到主控制器或主機上，以作進 一步的資料處理。RFID 系統的工作頻率有許多種，目前應用較為廣泛的為 125KHz、
13.56MHz、920MHz。其中，125KHz、13.56MHz 兩種工作頻率的 RFID 系統主要 是利用電磁場耦合的方式傳遞訊息，因此應用距離只能侷限在 RFID 標籤天線與 RFID 讀取器天線的近場(near field)範圍內，常見的應用為捷運悠遊卡、門禁卡等。
然而在長距離應用領域使用較多的是 EPC UHF G2 標準，它是應用 900MHz 的 UHF 頻段作為無線傳輸媒介，標準頻率範圍為 860MHz~960 MHz。相較於其它兩 種工作頻率，其傳輸距離不只侷限於天線近場，搭配適當的功率放大器，傳輸距離 可達 10 米以上，且標籤價格更低，因此 900MHz 的 RFID 技術非常適合應用於倉 儲管理、高速公路收費系統等。此外不同國家的 RFID 系統在 900MHz 應用頻段下 也會有不同的標準，如下表 2.2 所示。如同藍牙協議一樣，為了降低干擾，RFID 讀 寫器會將應用頻段切割成許多不同的頻道，並採用跳頻展頻(Frequency-hopping spread spectrum ; FHSS)技術來進行動態跳頻，以避免使用被外界訊號所干擾的頻
道。學生所設計的智慧商城系統因為需要在為接觸商品的情況下，完整讀取出購物 車內任意擺放的所有商品，因此選用 900MHz 頻段的 RFID 系統。
表 2. 3、RFID 各國通訊標準
歐洲 日本 美國 中國(1) 中國(2) 韓國 台灣 起始頻率(MHz) 865.7 952.4 902.7 920.625 840.125 917.3 922 終止頻率(MHz) 867.5 952.6 927.2 924.375 844.875 920.3 928
2.2.2 EPC UHF G2 標準之被動 RFID 標籤內部架構
為了符合實際賣場的成本，學生設計的智慧商城系統是採用價格較低，沒有內 建電池的 EPC UHF G2 標準之被動 RFID 標籤，其內部架構如下圖 2.8 所示，包含 了以下四個部分，用戶儲存器、標籤識別號(Tag Identification ; TID)儲存器、電子 產品電子碼(Electronic Product Code ; EPC)儲存器與保留內存。其中用戶儲存器可 以提供使用者儲存任何資料，並且可對該區域進行讀取、寫入的相關操作[18]，不 同廠商所製造的 RFID 標籤內的用戶儲存器容量都有所不同。標籤識別號(Tag Identification ; TID)儲存器則是用來存放 RFID 標籤本身的產品識別號碼，每一個 RFID 標籤出廠時都有其唯一的標籤識別號，且無法被使用者修改。電子產品碼 (Electronic Product Code ; EPC)儲存器主要是用來存放電子產品碼、代表 RFID 標 籤本身控制訊息協議控制碼(Protocol Code ; PC)與循環冗餘校驗(Cyclic Redundancy Check ; CRC)碼，使用者可以依需求自行設定電子產品碼來代表系統內不同種類的 物品，例如購物商場裡的鮮奶、可樂等，本論文也是透過設定電子產品碼來分類智 慧商城內不同商品。最後，保留內存是用來存放與隱私相關的密碼，包括寫入資料 進 RFID 標籤時會用到的訪問命令密碼(Access Password)以及令標籤失去功能的破
壞命令密碼(kill Password)，標籤一旦招破壞，便無法再度使用，此功能主要是在貼 有 RFID 標籤的商品賣出時使用，可防止商場的機密資訊外洩。
圖 2. 11、RFID 標籤內部儲存結構
2.2.3 AS3992 RFID 模組簡介
AS3992 RFID 模組支援 ISO18000-6C(EPC GEN2)、ISO18000-6A/B 協議，可 透過外部 MCU 設定工作頻率從 840 MHz 到 960MHz 與發射端輸出功率 1dBm 到 20dBm，並採用 FHSS(Frequency-Hopping Spread Spectrum)自動跳頻技術。AS3992 RFID 模組的核心部分包括一個 MCU(C8051F340)和一個 RFID 晶片(AS3992)。它 能接收外部系統的命令，例如 MCU 或電腦，並進行 RFID 電子標籤的輪詢、喚醒、
讀寫標籤資料、滅活、鎖定、休眠等功能，模組上提供了 USB 與 UART 通訊介面。
硬體部分主要由 C8051F340 中央微處理器、RFID 晶片、高頻電路、模組天線、
LED 狀態顯示電路等組成。AS3992 RFID 模組與 RFID 電子標籤實體圖如下圖 2.12 所示，硬體結構圖如下圖 2.13 所示。
(a)
(b)
圖 2. 12、(a)AS3992 RFID 模組與(b)RFID 電子標籤實體圖
圖 2. 13、AS3992 RFID 模組硬體結構圖
2.3 CC3200 Wi-Fi 模組簡介
本論文選用 TI CC3200 Wi-Fi 模組作為智能車與雲端系統的橋梁。開發板實體 如下圖所示，CC3200 Wi-Fi 模組內包含 ARM Cortex M4 微處理器以及 Wi-Fi 網路 處理器，ARM Cortex M4 中包含了 GPIO (General-purpose input/output)、UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 、 SPI (Serial Peripheral Interface)、
I2C(Inter-Integrated Circuit) 、 I2S/PCM (Integrated Interchip Sound/ Pulse-code modulation)、PWM (Pulse Width Modulation)和 ADC (Analog-to-digital converter)等 多種模塊，硬體架構如下圖 2.14 所示。Wi-Fi 網路處理器包含 802.11 b/g/n 射頻模 塊、基頻模塊和具有強大加密引擎的 MAC(Media Access Control Address)，可實現 支援 256 bit 加密的快速、安全的連網。CC3200 Wi-Fi 模組支援基站、熱點和 Wi- Fi 直接連接模式。也支援 WPA2 和 WPS2.0。並且支援 TCP/IP(Transmission Control Protocol/ Internet Protocol) 和 TLS/SSL(Transport Layer Security/ Secure Sockets Layer)、HTTP(HyperText Transfer Protocol)伺服器等協議，Wi-Fi 網路處理器韌體 架構如圖 2.16 所示。
圖 2. 14、Wi-Fi 模組實體圖
圖 2. 16、Wi-Fi 網路處理器韌體架構圖
2.4 MSP430F5438A 微控制器模組簡介
本論文選用 TI MSP430F5438A 超低功耗混合信號處理器作為系統微控制器[19]，
其搭載的 MSP-TS430PZ5x100 開發板如下圖 2.17 所示。載板上提供 JTAG 程式除 錯介面、100 個腳位的晶片座、100 個輸入/輸出引腳，以便使用者進行系統開發。
而如圖 2.18 所示，MSP430F5438A 採用馮紐曼架構的位址記憶體匯流排(Memory Address Bus ,MAB)與資料記憶體匯流排(Memory Data Bus ,MDB)來連接周邊模組 和核心處理器，其內部主要包含(1)16-bit 的精簡指令集電腦(Reduced Instruction Set Computer ,RISC)CPU、(2)JTAG 實體模擬模組、(3)256 KB 的 Flash 程式記憶體 (4)16KB 的 RAM 資料記憶體(5)多個週邊裝置(包含 P1~P10、USCI_A0~USCI_A3、
USCI_B0~USCI_B3 、 TA0~TA1 、 TB0 、 ADC 及 看 門 狗 計 時 器 等 ) 。 其 中 使 用 MSP430F5438A 本身的內建模擬電路，可以透過 JTAG 來連接而不需要用到額外 的系統資源，可以支援全速執行、設置斷點或單步執行程式。
MSP430F5438A 的主要特色如下:
1. 低工作電壓:1.8 ~ 3.6V。
2. 1 種工作模式，6 種的省電模式，從待機模式下喚醒時間在 3.5µs 內。
3. 16 位元的 RISC 架構，可工作於高達 25 MHz 的系統時脈。
4. 靈活的電源供應管理系統，內部整合可編程調整電壓的低壓差線性穩壓器(Low Dropout Linear Regulator)。
5. 彈性的時脈系統，具有 5 個時脈來源，3 個時脈訊號 MCLK、ACLK、SMCLK 可供 CPU 或周邊裝置使用。
6. 計時器 TA0、TA1、TB0 可做 16 位元計時/計數器，分別包含 5、3、7 組抓取/
比較暫存器。
7. 四組通用串列通訊介面(Universal Serial Communication Interface ,USCI)，其中 USCI_A0~USCIA_3 可用於 UART、SPI 通訊，而 USCI_B0~USCI_B3 用於 I2C、
SPI 通訊。
8. 12 位元的類比/數位轉換器(Analog to Digital Converter ,ADC)
內建獨立的 32 位元硬體乘法器(Hardware Multiplier)，提供高速的乘加運算以支援 數位訊號處理的需求。
圖 2. 17、MSP430F5438A 單晶片與開發板實體圖
圖 2. 18、MSP430F5438A 單晶片內部架構圖
圖 2. 19、MSP430F5438A 單晶片接腳圖
MSP430F5438A 單晶片具有 100 個接腳，採用 LQFP 封裝，其接腳分佈如圖 2.19 所示。由於 MSP430 功能豐富，因此需要眾多的接腳實現功能，但受於引腳數 量的限制，故 MSP430F5438A 在同一接腳上有不同的功能。
MSP430F5438A 內部有著 16 位元 RISC 高速應用的 CPU，圖 2.20 是處理器的 結構圖，由資料路徑及控制單元兩個主要部分組成。資料路徑(Data Path)由暫存器 組(Register Set)和算術邏輯運算單元(Arithmetic Logic Unit ,ALU)構成，以內部匯流 排連結彼此。暫存器是 CPU 的重要組成部分，暫存器組由一個或多個暫存器組成，
如圖 2.20 中的 R0~R3 為特殊暫存器分別為程式計數器(Program Counter ,PC)、堆 疊指標(Stack Pointer ,SP)、狀態暫存器(Status Register ,SR)、常數產生器(Constant Generator ,CG)，而 R4~R15 為ㄧ般功能暫存器，用來儲存運算的數據以及運算結 果，也可以用來儲存資料位址。
MSP430 採用馮紐曼記憶體架構，意即程式記憶體、資料記憶體及晶片內部周 邊模組等，都在同一個記憶體定址空間內。MSP430F5438A 單晶片具有 256 kB 的 Flash 程式記憶體以及 16kB 的 RAM 資料記憶體，其記憶體架構如下表 2.4 所示。
Flash 記憶體可分為兩個部分，分別為中斷向量表以及使用者程式碼儲存空間，中 斷向量表內含相應中斷服務程序的 16 位元地址，而使用者程式碼ㄧ般用來儲存程 式及常數。RAM 資料記憶體用於儲存程式中經常改變的數據，如輸入變數、運算 過程的數值等。資訊記憶體的儲存型態為 Flash，可用於系統關機後需要保存的重 要數據，等系統再次開機時，可通過讀取資訊記憶體的內容以獲得斷電前保存的數 據，使系統按照先前狀態運行。啟動程式記憶體的型態為 Flash，使用者可以藉由 UART 介面存取啟動程式記憶體空間，實現程式碼的讀/寫操作，為系統軟體升級 提供了一種便利的方式。
圖 2. 20、MSP430F5438A 單晶片 CPU 結構圖
表 2. 4、MSP430F5438A 記憶體空間分配表
位址(Hex) 記憶體 型態及大小
45BFFH ↔ 10000H
程式記憶體 (Code memory)
Flash 256 KBytes 0FFFFH ↔ 0FF80H
中斷向量表 (Interruot vector)
0FF7FH ↔ 05C00H
程式記憶體 (Code memory)
05BFFH ↔ 01C00H
資料記憶體 (Data memory)
RAM 16 KBytes
019FFH ↔ 0187FH
資訊記憶體 (Information memory)
Flash 526 Bytes
017FFH ↔ 01000H
啟動程式記憶體 (Boot loader memory)
Flash 2 KBytes
00FFFH ↔ 00000H
周邊模組 (Peripherals)
TIMER、I/O、USCI、ADC...
4 KBytes
第三章 智慧商城功能介紹與硬體架構設計
物聯網時代來臨，智慧城市(Smart City)打造人類新生活模式。在智慧城市中，
人們可以享有無人車自動駕駛的技術，而萬物聯網的情況下，車與車(Vehicle to Vehicle ; V2V)、車與人(Vehicle to Pedestrian ; V2P)、車與物(Vehicle to Infrastructure ; V2I)彼此緊密聯繫，透過金融科技，人們可以輕鬆地使用電子結帳，多了安全性也 多了方便性。
本論文所設計智慧商場系統就如同智慧城市的縮影。「智」動車就好比智慧城 市中的無人自動駕駛車，可以順暢的悠遊於智慧城市中。而「BLE 室內定位」功能 則像是全球定位系統 (Global Positioning System ; GPS) 結合 Google Map 的功能，
透過藍牙演算法使用者即使在室內也可以精準定位，同時智慧城市中的每一個角 落擁有哪些不一樣的服務或商店，都能輕鬆掌握。「RFID 商品辨識系統」又與未來 的 RFID 一卡通的概念不謀而合，能夠清楚掌握商品資訊。「一鍵買單」與金融科 技的結合可以實現更加安全與便利的結帳體驗。智慧商城中的每項技術將來皆能 更進一步的改良後應用於智慧城市之中。
本論文所構思的智慧商場系統是以顧客的便利性為主軸，利用智慧購物車所 搭載的各項無線通訊技術與識別技術來與商場系統、使用者、或商品貨架進行溝通。
顧客只要進到購物賣場中，就可以透過智慧型手機與智能購物車進行連線，同時智 能購物車能夠利用藍牙、Wi-Fi 與 RFID 技術和手機、伺服器或商品進行溝通，不 但映射出車聯網的雛形，也可以從中看見萬物聯網的新時代。接下來將一一介紹本 系統預計實現之各項功能以及硬體架構設計與介紹。智慧商城情境架構如圖 3.1 所 示。
圖 3. 1、智慧購物商場系統與萬物聯網智能車之使用情境圖
3.1 智慧商場系統預計實現之各項功能
3.1.1 自動跟隨
以往，只有在無障礙物干擾的環境下才能夠實現自動駕駛的技術，如無人飛機 或是 GPS 無人空拍機。但 GPS 技術僅可適用大範圍且空曠環境的定位，因其往往 會有數公尺的誤差，且僅限於應用在能接收到 GPS 衛星訊號的室外空曠環境[20]。
近幾年，自動駕駛及人工智慧的技術越發蓬勃。我們也希望把「智」動車的概念引 進我們的室內商場系統。使用者無需像過往一般推著笨重的購物車進行購物，有了 智能購物車，只需透過手機藍牙與之進行連線，便會自行切換天線來判斷使用者位
3.1.2 多人購物
為能將設計更貼近於實際情況，並考慮到一般消費情況通常為多人一起進行 消費，如情侶購物、夫妻購物或是朋友購物等情況。傳統多人購物的情況中，若當 父親正在推購物車進行購物時，母親或是小孩在遠離購物車的地方進行購物，當母 親或小孩拿取購買商品後，便得走相當長的一段路回來找購物車，甚至還會因為不 知道購物車的位置而迷路。為了改善這樣的購物窘境，我們自行設計電路板並將單 刀雙擲及單刀六擲開關整合於其中，整合開關電路不僅能切換智能車之車外天線，
還可以於不同的藍牙模組間切換。即使有兩個以上的使用者，也能夠透過不同手機 跟購物車連線，共享一切購物資訊。因此透過萬物聯網的智能車，即使消費者分別 走到不同貨架拿取商品，都可以使用自動跟隨功能，讓購物車在兩個車主之間來回 裝取貨物。可以省去消費者尋車與來回往返行走的時間，能夠自在的在任意貨架進 行購物，過往賣場中人在貨架與購物車間來回的窘境，將不復見。
3.1.3 室內定位
現今人手一機的時代，只需打開手機就能擁有 Google 地圖，透過 Google 導航 我們可以輕鬆的到達任何地方。Google Map 儼然成為我們生活中的一部分，完全 取代了傳統的紙製地圖。然而，GPS 技術透過接收戶外衛星訊號來辨別位置資訊，
如果在室內，則無法準確的透過 GPS 定位。為此，我們利用低功耗藍牙裝置 (Bluetooth Low Energy ; BLE)，並自行開發了一套室內定位演算系統，僅需知道商 場的環境，並在適當的貨架放置低功耗藍牙裝置就可以做出精準的室內定位。藍牙 裝置只需要用一個小小的鋰電池，就可以連續廣播半年以上，在實際使用上更可以 免除電量的困擾。當消費者進入商場後，手機便會透過藍牙裝置掃描周遭的低功耗 藍牙裝置，並計算使用者的準確位置。除了能夠知道自己的位置外，消費者還可以
點擊地圖上的商店圖示來觀看熱賣商品及最新的促銷。未來若商場已經有藍牙室 內定位的功能，如 iBeacon 等設備，智能車也可以直接與其連結。
3.1.4 商品識別
本論文透過 RFID (Radio Frequency IDentification ; RFID)技術來識別商品。當 使用者將商品放置入購物車中，購物車內的 RFID 天線便會辨識出該商品上的 RFID 標籤，在此同時讀取到商品資訊便會透過 BLE 回傳至手機，由 App 顯示出購買的 商品名稱與數量，並計算出商品總金額以及食品類的總卡路里。更進一步，還能協 助使用者將不同型態的食品分類，以達到健康管理的功能。如果使用者點擊商品名 稱，便可以看到商品的詳細資訊，包括保存期限、金額等等，方便使用者瀏覽自己 拿過的商品資訊。
然而，如果只使用單一 RFID 天線而沒有其他輔助設備，常常會有商品漏讀或 誤判的情況，因此，學生在智能購物車上搭載自行設計的 RFID 增強設備，無論使 用者將商品放置於購物車內哪個角落，RFID 模組都能順利讀取，且不會因為同時 存在多樣商品而有誤判的情況。
3.1.5 倉儲管理與電子結帳
消費者將商品放置入購物車內時，商品資料不只會透過藍牙模組傳送給手機，
也同時透過 WiFi 模組傳送給賣場雲端系統。賣場雲端系統收到 WiFi 模組傳來的 商品資訊後，便會刷新伺服器端的資料庫，即時更新消費者的購買項目，賣場業者 可以透過伺服雲端系統進行即時監控。當消費者進行結帳時，賣場系統將透過雲端 伺服器讀取消費者購買清單，並且顯示在收銀台的螢幕上，消費者可自行比對無誤 後，即可點擊手機 App 結帳按鈕，進行金融科技電子支付 (VISA、Paypal、支付 寶…等)，達到一鍵結帳與輕鬆消費的理念。為了避免消費者偷渡商品的可能性，
