打造無所不在RFID通訊生活 多頻無線識別傳控初問世

人類科技進步及電腦網路應用普及，大大提升生活的便利性，為使人們有更便利及自動化的生活環境，智慧門禁、無線射頻識別系統(RFID)、居家安全感測通報、遠端監控、電子識別門鎖、居家看護、家電控制、物流追蹤、工廠自動控制、社區安全監控、旅館門禁安全管控、定位導覽及環境監測等各式應用技術一一出現，也帶來寬廣應用的想像空間。 ZigBee發展未臻成熟 為能使各應用產品有共通標準，降低製造及使用成本並廣為應用，部分業界人士於2000年時提出共建標準技術平台的意見，也造成各廠支持的ZigBee聯盟成立。但迄今只看到零星的ZigBee試用產品，並未能如預期大量應用。ZigBee未能大量應用，或與其網路協議過於複雜，無線電波頻率易受干擾或被阻隔有關，而使得相關產品開發不易且不穩定。 至於ZigBee技術只聞樓梯響、未見人下來之因，在於所使用的802.15.4通訊協議，主要是提供點對點低速率訊號的路徑轉送網路能力。雖然該協議路徑轉送機制彈性大，卻過於複雜，並不適用於一般須中央處理各裝置訊息及須快速反應之識別傳控系統中。 針對上述問題，筆者自行開發了多頻無線識別傳控技術(MFID)，以簡單直接的系統參數編輯及多頻轉送機制，達成可彈性多樣應用、安全、低耗電及穩定的應用要求，盼能廣為大眾接受，應用於前述各自動化無線識別傳控的生活環境中。以下將就此技術的系統架構、系統組件、運作機制及功能等進行介紹。 MFID可望突破既有瓶頸 為了打造無所不在(Ubiquitous)的無線射頻辨別系統，多頻無線識別傳控技術進行了以下數項設計：為了避開相互干擾，並可持續擴增無線射頻辨識系統的應用範圍及容量，設計了多頻轉送機制；為方便廣泛應用，設計了學習編輯機制，使系統內各裝置可因時因地的彈性安裝設定以配合各式動靜態應用環境；另設計了精簡4鍵的小遙控器，可同時應用於十餘個以此技術建立的各種無線射頻辨識系統中，成為精簡版的萬能電子識別鑰匙；為了阻絕任何藉電波掃瞄、側錄及破解序號軟體破解侵入的可能，也設計了4位元組(Bytes)群組識別鎖碼通訊、8位元組金鑰及序號混碼、配合9位元(Bits)系統頻率選用及私密學習程序的安全識別機制。 同時側重頻率干擾與安全的MFID 依系統建置及應用上的需求，此系統的組件依功能可分為控管中心主機(Control Host)、網路延伸器(Extender)、可為定位終端裝置(Beacon Device)的終端裝置(End Device)、可移動裝置(Mobile Device)及系統參數學習編輯器(Learning Editor)等5種不同裝置。 在架構建置(圖1)上，控管中心主機為網路的起始建立點，並用以監控整個系統內隨後加入的各裝置狀態，控管中心主機先選定工作頻率供鄰近無線射頻(RF)終端裝置及網路延伸器等加入，以形成最上層叢集(Cluster)。此時電腦便可藉由控管中心主機直接對此叢集內各無線射頻裝置監控，當有網路延伸器加入其叢集後，又可以網路延伸器為中心，選定另一頻率建立新叢集，讓較遠及更多的無線射頻裝置加入系統。 加入此新叢集的所有裝置便可經由網路延伸器轉送其無線射頻訊號，讓控管中心主機亦能監控此新叢集內所有的裝置，同時也可在此新叢集內再加入網路延伸器擴增新叢集，持續擴伸系統建置。 另外，為避免鄰近叢集的同頻率互相干擾，此系統採用7頻率供鄰近叢集區隔使用，並讓較遠的叢集可重覆使用此7頻率，雖然系統設計可容納255個網路延伸器，但若不以空間距離來區隔並重覆使用頻率，一個有限的無線射頻通訊區域內仍無法加入超過7個網路延伸器。 另在安全設計考量上，系統內各裝置必須有共同的系統通訊參數，始可為系統辨識而在系統中運作，並以控管中心主機或系統參數學習編輯器編輯設定系統通訊及學習參數，供系統內各裝置學習取得或更新其共同的系統通訊參數。 至於其中各組件的在系統中的應用方式，分別簡述如下: ‧控管中心主機： 控管中心主機主要是使用一部電腦，以RS232或USB連接一個或多個無線射頻收發信模組，並藉由無線射頻收發信模組，以特定的無線通訊參數對系統內各裝置做無線的通訊監控。電腦主要用來顯示、編輯與監控系統內各裝置之參數與狀態，並以資料庫方式儲存系統內各裝置之參數與狀態。 控管中心主機除提供網路延伸器及終端裝置加入其下直接與其通訊，成為最上層的叢組，並藉由網路延伸器與其後的網路延伸器及終端裝置通訊外，更被用來顯示、儲存、編輯及監控系統內各裝置之參數及狀態。若控管中心主機具備兩個或多個無線射頻模組，則可讓系統具備雙向多工的監控能力。 ‧網路延伸器： 網路延伸器在系統中的功能，主要是用來擴伸原有網路，供更多更遠的裝置加入系統，當一些無線射頻裝置集合在此網路延伸器附近，使用網路延伸器所選用頻率加入系統時，便在此網路延伸器下形成叢集，如此網路延伸器便成了控管中心主機或上層網路延伸器與其叢集下所有無線射頻裝置間的通訊橋樑，並為叢集下所有裝置建立上下轉送之路徑。當在叢集邊另加入網路延伸器後，便可另建立新的叢集，使控管中心主機可與更多更遠的無線射頻裝置通訊。 而為避免相鄰網路延伸器所建叢集間傳送的無線射頻訊號相互干擾，各網路延伸器將依系統所設計7頻率重用機制，選用適用之通訊頻率以供其叢集使用。 ‧終端裝置及定位終端裝置： 終端裝置為應用於系統中之各終端裝置，如燈光控制器、無線遙控家電、門窗開啟偵測器、警報器及溫濕度偵測器等各式可被遙控或環境感測之裝置。若此無線感測控制網路須做定址應用，則亦可為定位終端裝置，所有裝置必須具有無線射頻收發信器，當終端裝置經由控管中心主機或系統參數學習編輯器學習取得系統通訊參數並加入系統後，控管中心主機可編輯其名稱，並將其序號(SN)、叢集編號(EID)、叢集層級(Cluster Level)及轉送頻道(FC)等存入PC的表內，供日後顯示監控使用。 另若為定位終端裝置，可依系統規畫，在確定欲安裝位置加入系統後，以控管中心主機或系統參數學習編輯器編輯其座標、收送定位終端裝置之頻率及無線射頻接收靈敏度，並依所設定之無線射頻接收條件，偵測是否有移動裝置到其附近向其詢問座標，將所在座標及無線射頻接收靈敏度告知詢問座標的移動裝置，供其推算所在位置。 ‧移動裝置： 移動裝置可為狀態回報徽章(Badge)、遙控裝置或系統通訊參數提供器(Parameter Provider)等，當然亦都具有無線射頻收發信器來與系統通訊，移動裝置與一般裝置主要不同處，在於移動裝置僅須學習取得系統通訊參數及移動裝置之識別參數，即可進入系統中運作，不像一般終端裝置必須加入系統中特定的叢集，由控管中心主機監控。 當為位置狀態回報徽章時，可在描掃頻率後取得附近數個定位終端裝置之座標後，計算出自身所在約略位置，並搜尋附近可通訊之網路延伸器，藉以回報徽章之型態、序號、座標及狀態編碼，直接在控管中心主機上顯示記錄此徽章之狀態資訊，並供後續處理。 當為遙控裝置時，除可直接對鄰近可控制終端裝置設定關連，直接遙控該終端裝置，或依系統設定以特定指令編碼直接對鄰近特定裝置遙控，亦可藉附近可通訊之網路延伸器，送出對系統或特定裝置之警告或控制訊號。 當為系統通訊參數提供器時，只須由控管中心主機或系統參數學習編輯器取得系統參數後，便可在一些須經常更新系統通訊參數之應用環境為各裝置做系統通訊參數之近距離更新。 ‧參數學習編輯裝置： 此裝置基本上是以電腦經RS232或USB控制有通用非同步接收及傳送器(UART)介面的無線射頻模組，除可直接編輯系統通訊參數或各裝置之特有參數、提供所有裝置一般系統通訊參數的學習與更新外，並可利用不同的學習群組識別證明(Group ID)，提供各裝置特有參數的編輯功能，讓系統內各處的裝置可在任意地點學習取得共同的系統通訊參數或編輯各裝置之特有參數。另外亦可直接編輯遊牧射頻傳輸接收器(Nordic RF Transceiver)各無線射頻傳收參數，分析所在空間所傳送的無線射頻資料及各頻率干擾情形，成為系統建置維護的除錯(Debug)工具。 MFID功能運用多元 多頻無線識別傳控技術在前述架構下所設計的運作機制及功能分述如下： ‧頻率重用轉送機制： 具有7頻率重用轉送功能，由於無線射頻訊號傳送距離有限，且同一空間內同頻率的無線射頻訊號會互相干擾，為能使本系統控管更大的範圍及更多的裝置，讓各鄰近叢集內傳送的無線射頻訊號不會互相干擾，且能依空間區隔而重覆使用頻率，便模仿傳統7細胞無線系統頻率分布考量，利用隨後介紹的自動頻率選用機制，設定7個不同的頻率供系統轉接擴展使用。 ‧叢集頻率自動選用機制： 為讓新建立之叢集能自動選取合用之頻率，網路延伸器或控制主機將掃描鄰近可直接通訊範圍內系統7頻率中已被占用之頻率，並利用「可用頻率參數」記錄其頻率占用狀態，供其後加入之網路延伸器選用系統7頻率中未被占用之頻率與其通訊，若該區域內無適當可加入之系統頻率，代表已在區域內加入過多網路延伸器，此處將自動無法加入新的網路延伸器，應將距離過近的網路延伸器擴大距離放置，區域週遭才會有空餘的頻率供後續網路延伸器加入使用。另欲新加入的網路延伸器會自動依所搜尋到鄰近已建置網路延伸器的層級(Level)參數，判讀那一叢集最接近控管中心主機，做為優先加入叢集。 ‧減少訊號碰撞機制： 各裝置在送無線射頻訊號前，將先偵測是否有載波感應(Carrier Sense)訊息，並使用CSMA/CA機制減少碰撞干擾之機會。 ‧兩組群組識別證明的參數學習及編輯機制： 各裝置以按鈕起動學習要求時，便會以兩組學習群組識別證明，嘗試向控管中心主機或系統參數學習編輯器要求下載裝置參數或系統通訊參數，並依控管中心主機或系統參數學習編輯器所使用的學習群組識別證明，自動判定是下載那一組參數，其中用來做裝置參數下載的學習群組識別證明為出廠程式燒入的預設值，不會被誤編寫入；而用來做系統通訊參數下載的學習群組識別證明，則會更新為前一次下載所取得的群組識別證明。 此機制優點頗多，如以不同的學習群組識別證明提供裝置了兩組參數下載的功能，其中裝置參數的下載功能，除可讓各裝置有更多樣化的應用參數編輯能力外，並可在某些裝置的系統通訊參數不幸被誤寫或遺忘時，仍可藉由裝置參數下載的學習群組識別證明取得系統通訊參數下載的學習群組識別證明，以恢復系統通訊參數下載功能；由於系統建置完成後，大量的系統內裝置，都具有共同的系統通訊參數，若須更新系統通訊參數，則可將統一的系統通訊參數及學習群組識別證明載入移動式系統參數提供器，以輕小的系統參數提供器為系統內各裝置更新系統通訊參數。 ‧加密防駭安全機制： 在通訊安全方面，系統則利用遊牧射頻傳輸接收器4位元組群組通訊識別碼，配合軟體控制的4位元組金鑰碼及4位元組序號碼混合編碼傳送，另加上9位元頻率編碼選用，發展出軟硬體相互混合鎖碼的安全通訊機制，非掃瞄、側錄及破解序號軟體可破解侵入。 除構建21位元組系統通訊參數提供系統各裝置學習、辨識及頻率選用依據，使各裝置若無此參數將無法加入系統，並可利用控管中心主機或通訊參數提供器，隨時更新系統內各裝置的21位元組系統通訊參數，強化系統安全性。 21位元組系統通訊參數包括4位元組無線射頻通訊群組識別證明參數、4位元組聯結鍵(Join Key)參數、4位元組序號參數、1位元組學習頻率參數、1位元組裝置型態參數及7位元組的系統頻率參數。此外，為避免參數被多次試碼偷學，控管中心主機或系統參數學習編輯器，在按鍵啟動提供學習後，除僅以最小功率傳收無線射頻訊號做近距離學習，並在裝置取得參數後即刻關閉學習模態。 另以類似保護密碼機制，在各裝置出廠時，先以預設之參數學習一次以先取得特定的學習群組識別證明及序號，並在裝置上刻印此特有的學習群組識別證明及序號，依此編輯學習參數，則僅擁有此學習群組識別證明參數之裝置，可要求系統參數學習編輯器送出系統通訊參數，並為避免參數在學習回報參數時被側錄，回報時所使用通訊群組識別證明將以該裝置之特有4位元組序號加密設定傳送，讓無此相同序號之裝置將無法接收訊息，避免其他暗中裝置搶先偷學此系統通訊參數的可能。 ‧網路延伸器轉傳送機制： 各網路延伸器除具有裝置序號參數表以記錄並提供其叢集內裝置之序號，並具有路徑頻率表以記錄並提供其下網路延伸器之序號及路徑頻率做為其下叢集轉送之依據。 另各網路延伸器平常以固定的頻率被動接收送其處理的無線射頻訊號，使此系統具備以下優點:讓部分需低耗電裝置，在傳送訊息時才開啟電源，大大延長電池的使用時限；迅速反應其他裝置之要求；減少空間電磁波污染及防止日後通訊參數因被大量取樣而被破解之機會。 ‧防轉傳送訊號干擾機制： 在各叢集下各裝置所使用接收之頻率與叢集網路延伸器的接收頻率須隔開，以避免叢集內各裝置因同時收到上層要求網路延伸器轉送之訊號，而延遲或遺漏後續轉送訊號之處理。 ‧系統多工運作機制： 系統內各裝置之安裝狀態等參數，皆以資料庫方式儲存於電腦中，可利用遠端電腦經網路直接對系統監控，另外，控管中心主機可使用數個無線射頻接收器工作，在不同的收送條件上對系統進行多工監控，網路延伸器也可使用二組無線射頻接收器在不同的上下轉送頻率上工作，以提升加速上下轉送的能力。 ‧自癒機制： 當有網路延伸器故障時，原在其下的裝置可掃描其他頻率，嘗試藉由其他網路延伸器將訊號上送到控管中心主機。當控管中心主機無法收到欲通訊裝置之回報訊息時，亦可以廣播(Broadcast)訊息方式，嘗試以鄰近未故障之網路延伸器送訊號至該裝置，建立新的通訊路徑，待網路延伸器恢復正常，再回復原先通訊路徑。 ‧定位偵測回報機制： 定位裝置使用額外的21個固定頻率做為收送定位終端裝置之頻率，供須被定位移動裝置掃描搜尋，定位裝置在加入系統後，由控管中心主機編輯其座標及適當之定位終端裝置頻率，如此便可在須被定位移動裝置掃描到時，傳送其座標位置。當須被定位移動裝置取得附近數個定位終端裝置之座標，計算出自身所在約略位置後，便搜尋附近可通訊之網路延伸器，藉以回報移動裝置之型態、序號、座標及狀態編碼等，並在控管中心主機上顯示記錄此移動裝置送回之座標等資訊。 ‧系統除錯機制: 控管中心主機及系統參數學習編輯器均提供頻率干擾偵測分析功能，同時監測所選取的7頻率，判別是否易受干擾，做為系統頻率建置或更新之依據。 萬能遙控鑰匙為衍生應用 設想若能僅以一精小的遙控鑰匙，遊走於生活週遭各無線射頻辨識系統中，如轎車無線遙控鎖、社區停車鐵捲門遙控、住家遙控門鎖、旅館門禁、社區及辦公場所無線識別門禁系統、路口紅綠燈遙控及家庭電器燈光遙控等，皆讓同一遙控器做識別控制，省卻攜帶一大串遙控器之麻煩，大大簡化未來無所不在的各電子化生活所須攜帶裝置，也將是讓大眾樂於接受此技術的重要誘因。 此4鍵萬能遙控鑰匙基本上是利用前述本系統彈性的參數編輯能力，及安全可靠的系統通訊參數學習機制，讓一遙控器可取得各無線射頻辨識系統的系統通訊參數，進而對系統內各裝置做關連及控制。另以循序四鍵操控組合，提供12組遙控功能的切換，每一組遙控功能皆有完整的2組學習群組 識別證明以取得系統通訊參數，並可對系統內裝置做關連、開啟、關閉及切換等動作。如此這一四鍵萬能遙控鑰匙，便可同時設定成對12種系統內裝置的識別控制器。 試驗系統之使用控制介面 為讓大家更貼切了解本系統之操控運作，以下將以目前實驗階段所使用操作介面實例介紹解說。 此管控主畫面(圖2)在最上端主要提供File、Control and Display Devices及Database三個Menu Bar，其中File提供新、舊參數檔的載入及儲存功能，Control and Display Device提供系統內各式裝置之控制、狀態設定及各狀態回報顯示之功能，Data Base則提供系統內各類裝置資料庫之顯示及編輯功能。 而畫面左半部如圖示所提供的介面控制功能有Check for Ports提供連接Com Port檢查功能、Check for Modems提供連接數據裝置查核功能、Start Module Talk提供讀取連接電腦之無線射頻模組所載入之新舊參數功能、Interference Detector提供系統7頻率干擾分析功能、Edit Group ID、Edit Join Key、Edit SN and DN Code和Edit Frequency Channel則提供直接個別編輯群組識別碼、鑰匙碼、序號裝置名稱碼和系統7頻率之功能、Start Tracking:提供啟動系統定位裝置定位追蹤模式功能、Start Working提供啟動系統正常監控工作模式功能、Start the learning mode提供系統內各裝置系統參數及裝置參數之學習功能、Start the learning W/O SN提供系統內各裝置之系統參數更新功能、Co_Channel Monitor提供同頻率空中傳送數碼之監測顯示功能。 而畫面右半部視窗則提供前述各功能使用時傳收數碼資料及控制資訊顯示，提供系統運作除錯監看使用。 Menu Bar之File頁面(圖3)如畫面顯示分別提供新舊參數的載入及儲存功能。 Menu Bar之Control and Display Devices頁面(圖4)其中Display Devices’Status(圖5)及Control Devices(圖6)以及Menu Bar之Data Base頁面(圖7)如圖。 其他包括Show or Edit Network Devices Table(圖8)視窗及Show Badge Table or Edit Beacon Table(圖9)之實例頁面亦如圖示。 RFID無所不在漸落實 對於須中央監控各裝置訊息及快速反應之無線射頻辨識系統，ZigBee網路技術並不適用，遂另外發展多頻無線識別傳控技術。 在加入7頻率轉送擴展機制、軟硬體多層次的混合編碼安全機制、兩組群組識別證明彈性安全的學習編輯機制及精簡4鍵萬能遙控鑰匙之設計等技術後，即可建構出擁有彈性多樣應用、高度安全及穩定的無線識別傳控系統，並期待其中種種安全、彈性、低耗電及便利的應用考量設計，再加上日後技術的精進，讓各相關應用領域皆樂於使用此技術來建構各式無線識別傳控系統，且無所不在的應用於大眾生活中。 (詳細圖表請見新通訊元件雜誌72期2月號) 資料來源: 新通訊元件雜誌72期2月號