未來(lái)電視有極多的可能性，能結(jié)合上網(wǎng)、游戲與多媒體數(shù)字內(nèi)容等，甚至取代一部計(jì)算機(jī)；“時(shí)代華納”的執(zhí)行官Bewkes認(rèn)為，遙控器是影響用戶與電視內(nèi)容最重要的關(guān)鍵。然而，現(xiàn)有的遙控器太過(guò)復(fù)雜，更別提智能電視(Smart TV)問(wèn)世后，遙控器將從音量、轉(zhuǎn)臺(tái)這類(lèi)基本的按鍵變成一堆字母的鍵盤(pán)，如果加上游戲功能，遙控器就更加復(fù)雜。

內(nèi)建體感控制和RFID　電視遙控器設(shè)計(jì)更多元

隨著數(shù)字多媒體與三維(3D)影像顯示的發(fā)展，電視結(jié)合上網(wǎng)、游戲與多媒體影音功能已成未來(lái)趨勢(shì)。臺(tái)灣虎尾科技大學(xué)師生所設(shè)計(jì)的遙控器，通過(guò)內(nèi)建體感式控制與無(wú)線射頻識(shí)別系統(tǒng)(RFID)，結(jié)合一般電視遙控、多媒體播放器遙控及游戲手柄，并增加實(shí)用性與娛樂(lè)性，使用者僅需一組體感搖控器便可輕松操作。

在動(dòng)態(tài)傳感的部分，體感搖控器上以單晶微處理器連接一個(gè)三軸重力傳感儀(G-Sensor)傳感器，并利用其所輸出的X、Y與Z軸信號(hào)，來(lái)知道目前游戲手柄的揮動(dòng)方向。通過(guò)游戲手柄內(nèi)所嵌入的RFID來(lái)判斷操作者所切換的模式，或者進(jìn)行特殊的游戲情境切換，而接收端則是以單芯片為控制器連接通用串行總線(USB)芯片組，將接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)與鼠標(biāo)信號(hào)來(lái)進(jìn)行操控。

該遙控器設(shè)計(jì)可任意切換為鼠標(biāo)或鍵盤(pán)等，符合USB人機(jī)接口設(shè)備(Human Interface Device, HID)群組的設(shè)備進(jìn)行輸入，也可利用動(dòng)態(tài)傳感進(jìn)行選臺(tái)及音量調(diào)整，并可使用RFID切換最?lèi)?ài)頻道、游戲情境或多媒體播放器等特殊功能。

同時(shí)，該遙控器結(jié)合一般遙控器、多媒體播放控制器與游戲游戲手柄功能，利用體感控制聯(lián)網(wǎng)電視播放、上網(wǎng)等一般功能與進(jìn)行游戲；而結(jié)合RFID切換不同使用模式、頻道、游戲情境等，讓使用者能有另一種更直覺(jué)的操控方式。該遙控器設(shè)計(jì)結(jié)合電視、多媒體播放及游戲功能于一身，并能仿真鍵盤(pán)鼠標(biāo)，方便聯(lián)網(wǎng)電視的操作性。

遙控器設(shè)計(jì)包含兩部分，分別為體感遙控器與通用串行總線連接設(shè)備(USB Dongle)無(wú)線收發(fā)器。體感遙控器上的單芯片微控制器連接紅外線IC、三維(3D)G-Sensor、RFID讀取器及無(wú)線傳感模塊；而其功能在負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換G-Sensor的X、Y與Z軸的變化量，以及判斷RFID讀取器讀取的數(shù)據(jù)，然后再將相關(guān)的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳感模塊傳輸出去。而USB Dongle中，微控制器(MCU)連接一USB接口芯片組及無(wú)線傳感模塊，通過(guò)無(wú)線傳感模塊接收體感遙控器的各種信號(hào)，并與USB接口芯片組實(shí)現(xiàn)一USB HID設(shè)備群組的功能，仿真出完全兼容的USB鍵盤(pán)鼠標(biāo)信號(hào)，傳送鼠標(biāo)的軌跡數(shù)值與按鍵動(dòng)作，至多媒體聯(lián)網(wǎng)電視主機(jī)以進(jìn)行控制。

G-Sensor可偵測(cè)3D空間變動(dòng)

G-Sensor又稱(chēng)為三軸重力傳感器，Wii的互動(dòng)游戲設(shè)備，即是使用此概念來(lái)做把手，可純粹以移動(dòng)控制器的方式，來(lái)達(dá)到遙控的效果；現(xiàn)在許多智能型手機(jī)為支持此特殊功能，已開(kāi)始搭載此一芯片。G-Sensor傳感器的應(yīng)用，大幅改變?nèi)藗兊氖褂煤筒僮髁?xí)慣，從原本鍵盤(pán)的操作，改為直覺(jué)性重力傳感(Motion Sensing)來(lái)達(dá)到體感的模擬效果。

基本上，周遭空間即屬于3D世界，而G-Sensor原理即是偵測(cè)這3D空間的變動(dòng)，來(lái)得到實(shí)際的數(shù)值，并加以應(yīng)用。以圖1的四面體作為重力測(cè)量為例，水平平放時(shí)，X、Y、Z軸之變化值皆為0；直立時(shí)，Y值為0-90，反之為090；水平平放，朝向往左旋轉(zhuǎn)時(shí)，X值為0-90，往右旋轉(zhuǎn)時(shí)，X值為090；水平平放，機(jī)身向左水平傾斜時(shí)，Z值為0-90，往右傾斜時(shí)，Z值為090。依據(jù)這些值的組合，即可拿來(lái)做軟件上或硬件上的應(yīng)用。

圖1 四面體X、Y、Z 軸變化

標(biāo)簽采用ISO-15693高頻RFID標(biāo)準(zhǔn)

RFID系利用無(wú)線傳輸?shù)淖R(shí)別系統(tǒng)，RFID分成兩部分，其一為標(biāo)簽(Tag)，其內(nèi)主要包含收發(fā)天線與內(nèi)存IC；其二為讀取器(Reader)部分，其內(nèi)主要包含收發(fā)天線、收發(fā)模塊及控制電路。運(yùn)作原理是利用傳感器發(fā)射無(wú)線電波，觸動(dòng)感應(yīng)范圍內(nèi)的RFID標(biāo)簽，藉由電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流，供應(yīng)RFID卷標(biāo)上的芯片運(yùn)作并發(fā)出電磁波回應(yīng)傳感器。

若以驅(qū)動(dòng)能量來(lái)源區(qū)別，RFID標(biāo)簽可分為主動(dòng)式及被動(dòng)式兩種。被動(dòng)式的卷標(biāo)本身沒(méi)有電池的設(shè)備，所需電流全靠傳感器的無(wú)線電波電磁感應(yīng)產(chǎn)生，所以只有在接收到傳感器發(fā)出的信號(hào)才會(huì)被動(dòng)的響應(yīng)傳感器；而主動(dòng)式的標(biāo)簽內(nèi)置有電池，可主動(dòng)傳送信號(hào)供傳感器讀取，信號(hào)傳送范圍相對(duì)也比被動(dòng)式廣。

至于RFID技術(shù)的主要特色，首先是體積小，日立(Hitachi)的被動(dòng)式RFID芯片僅0.4毫米(mm)×0.4毫米大小，與一顆沙粒相仿，可貼附在任何大小的商品上；其次是成本低廉，若RFID芯片組被大量應(yīng)用時(shí)，成本降至5分美元以下；第三是不易被仿制，RFID可隱藏于物品內(nèi)，除非是大型IC制造廠，否則無(wú)法被仿制；第四項(xiàng)RFID的技術(shù)特色是可儲(chǔ)存大量數(shù)據(jù)，芯片內(nèi)有96位容量，換算后可辨識(shí)一千六百萬(wàn)種產(chǎn)品，六百八十億個(gè)不同序號(hào)，可避免條形碼方式常遇到的序號(hào)重復(fù)問(wèn)題；第五是快速非接觸式數(shù)據(jù)讀取，接受器和芯片的間隔在4公尺內(nèi)即可感應(yīng)，每秒可讀取兩百五十個(gè)標(biāo)簽，比條形碼辨識(shí)快數(shù)十倍，也無(wú)須人工手持條形碼機(jī)逐個(gè)掃描。其他特色包括可減少人工手動(dòng)操作的錯(cuò)誤，確保質(zhì)量并降低成本，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。

目前RFID規(guī)畫(huà)使用的頻率，較普遍有五種，分別是135KHz以下、13.56MHz、860M960MHz(超高頻帶)、2.45GHz(微波)以及5.8GHz，而不同工作頻率有不同的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用范圍。上述頻帶傳輸距離約為數(shù)公分到數(shù)公尺，傳輸速率約為數(shù)十到數(shù)百Kbit/s。

一般而言，低頻率的RFID特性為架構(gòu)簡(jiǎn)單與成本便宜，而高頻率的RFID特性為傳輸距離較長(zhǎng)，且抗干擾性較佳，相較下成本也較高。該遙控器設(shè)計(jì)使用的標(biāo)簽為高頻帶下其中一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，ISO組織定義為ISO-15693，即近距型智能卡(Vicinity Coupling Smart Cards)標(biāo)準(zhǔn)。如表1所示，ISO 15693規(guī)定讀取距離為長(zhǎng)達(dá)1公尺的運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)，一般之門(mén)禁卡即為此類(lèi)規(guī)格之產(chǎn)品，十分容易取得。

ZigBee無(wú)線模塊具高通信效率 

該遙控器設(shè)計(jì)的ZigBee模塊，使用XBee無(wú)線傳輸模塊；ZigBee是一種相當(dāng)新型的短距離傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是從家用無(wú)線通信規(guī)格HomeRF聯(lián)盟中所分出來(lái)的HomeRF Lite或FireFly無(wú)線技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線連接，亦常用于收集傳感信號(hào)，因此一般也稱(chēng)為ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee有特定的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需很少能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們之間的通信效率非常高，這些所收集到的數(shù)據(jù)如溫度信號(hào)，就可進(jìn)入最終端的計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。

至于ZigBee技術(shù)的特色，其一是省電，ZigBee的傳輸速率低，所以信號(hào)的收發(fā)時(shí)間短，在非工作模式時(shí)ZigBee處于睡眠模式，而在工作與睡眠模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間，一般睡眠啟動(dòng)時(shí)間只有15毫秒(ms)，而設(shè)備搜尋時(shí)間為30毫秒，電池可支持ZigBee長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月至2年左右的使用時(shí)間。

其二是可靠度高，ZigBee的媒體訪問(wèn)控制(MAC)層，采用Talk-When-Ready的碰撞避免機(jī)制，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時(shí)則立即傳送，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)封包都由接收方確認(rèn)收到，并進(jìn)行確認(rèn)信息回復(fù)；若沒(méi)有得到確認(rèn)信期的回復(fù)，就表示發(fā)生碰撞，將再傳一次。ZigBee以此方式大幅提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽慷取?/p>

其三是高度擴(kuò)充性，一個(gè)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其余則是Slave設(shè)備。若是通過(guò)Network Coordinator則整體網(wǎng)絡(luò)最多可擴(kuò)充到65535個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，再加上各個(gè)Network Coordinator可互相連接，使整體ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目將十分可觀。

此外，ZigBee在網(wǎng)絡(luò)層中支持三種拓?fù)?圖2)，分別是星狀、樹(shù)狀與網(wǎng)狀，依功能不同可分為全功能設(shè)備(FFD)與精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)兩種設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者只能是FFD設(shè)備；端點(diǎn)則由RFD構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者與端點(diǎn)互相溝通后，達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸功能。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

利用紅外線傳輸　遙控器連結(jié)TV與PC

該遙控器的系統(tǒng)架構(gòu)圖如下圖3所示，使用者可利用體感遙控器進(jìn)行動(dòng)作辨識(shí)，并將辨識(shí)的動(dòng)作數(shù)據(jù)通過(guò)紅外線傳至多媒體聯(lián)網(wǎng)電視，來(lái)傳達(dá)選臺(tái)或調(diào)整音量的動(dòng)作。此外，也可用相同的方法，將動(dòng)作數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳給具備USB HID群組規(guī)格的USB Dongle無(wú)線收發(fā)器，以對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)主機(jī)進(jìn)行控制。

圖3 遙控器系統(tǒng)架構(gòu)圖

該遙控器的硬件架構(gòu)示意圖如下圖4所示，可分為體感遙控器及USB Dongle無(wú)線收發(fā)器兩部分。遙控器的體感搖控器是利用串行周邊接口(SPI)將G-Sensor的X、Y、Z軸傾斜角度傳送數(shù)據(jù)給微控制器，再利用其可程序化輸入/輸出(GPIO)接腳推動(dòng)電子開(kāi)關(guān)，讓紅外線控制器發(fā)射出紅外線信號(hào)，達(dá)到遙控電視的目的。

圖4 遙控器系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意圖

另外，遙控器為以無(wú)線傳輸方式與USB Dongle溝通，利用體感搖控器的微控制芯片GPIO接腳仿真出通用異步收發(fā)器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, UART)信號(hào)，并由Zigbee無(wú)線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到USB Dongle。

該遙控器的USB Dongle系利用微控制器的GPIO接腳仿真出UART信號(hào)，并由Zigbee無(wú)線模塊接收體感搖控器所發(fā)送的數(shù)據(jù)，并通過(guò)微控制器內(nèi)建的I2C接口，將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄邆銲2C的USB芯片組，藉此讓計(jì)算機(jī)作相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。例如，體感搖控器前傾時(shí)，通過(guò)Zigbee無(wú)線模塊傳送數(shù)值0×14給USB Dongle，之后由微控制器仿真USB鼠標(biāo)向上移動(dòng)的數(shù)據(jù)，并傳送給計(jì)算機(jī)，達(dá)到此功能。

此遙控器結(jié)合一般遙控器、多媒體播放控制器與游戲游戲手柄功能，因此享受以體感方式控制聯(lián)網(wǎng)電視、上網(wǎng)瀏覽網(wǎng)頁(yè)及進(jìn)行游戲等功能，就不再只是虛構(gòu)，更能讓使用者能有一種更直覺(jué)的操控方式。

除現(xiàn)有的電視機(jī)、計(jì)算機(jī)功能外，未來(lái)可進(jìn)一步利用RFID的特性，增加許多家電的控制，例如冷氣、錄放機(jī)、音響和燈具等，將所有家電的遙控功能集于一身，更能增加實(shí)用性。

作者：臺(tái)灣虎尾科技大學(xué)資信工程系 許永和（教授），廖欽建/汪庭鋒/劉佑賓（學(xué)生）