Circuit Cellar嵌入式科技 國際中文版No.10

本期專欄內容大致延續上期內容，包括位移/位置感測器、免電源顯示技術，以及物聯網面面觀等。若要認真找出本期不同文章的共通點，那麼「無線」兩個字會是本期文章的主軸，就以封面故事虛擬鍵盤設計大法來說，即介紹人們如何從擺脫有線鍵盤的束縛之外，更進一步完全擺脫實體鍵盤的拘束，而直接將鍵盤帶在手上。至於，特報2打造iPad紅外線遙控器、特報3打造無線身分認證機制、完美工程師專欄的非接式位移/距離測量法攻略及科技大未來專欄的無線技術的未來莫不是從技術面、協定面與應用面來探索不同無線應用的實作文章。

本期封面故事《任何表面都能打字 - 手指即鍵盤！ 親手打造手套式虛擬鍵盤》中，作者打造一個虛擬手套，讓使用者可在硬表面上打字，就好像有個常見的QWERTY鍵盤存在一樣。藉由PIC微控制器及彎曲感測器，手套能在指尖碰觸到硬表面時辨識其為按鍵事件，所以使用者可拿它來打各種文件。

特報1《進化式機器人學(1) -神經網路與基因演算法》為探討時下熱門進化式機器人學之專欄的第一篇文章，在這系列文章中，作者Walter將介紹進化式機器人學的基本觀念，同時也會探討並解釋基因演算法怎麼用來訓練神經網路。同樣的特報2《打造iPad紅外線遙控器(1) -遙控器原始設計及IR編碼協定》也準備長期探討如何製作iPad遙控器的竅訣，在本系列文章的第一部分裡，作者將展示原始的設計概念，並探討IR編碼協定後面的一些理論。特報3《打造無線身分認證機制 - RFID結帳系統設計實戰》一文旨在教導讀者如何設計一個RFID系統，以作為取代數十年前通用商品碼條碼系統的可行替代品，此外本文亦將詳細介紹無線射頻識別標籤結構與天線調諧元件。

再者，本期共有兩篇「社群人物」，其中一篇是專訪西門子數位工廠事業部/製程工業暨驅動科技事業部總經理席德塱，他會透過自家MindSpere雲端物聯網作業平台的介紹，進而探討該公司如何串聯所有工業裝置、資料與App，進而打造開放式IoT作業與分析平台的雄圖大舉。第二篇是專訪Pi創客Eben Upton，他除了會分享過去參與樹莓派一路走來的心路歷程外，同時也會為讀者分析樹莓派的未來，並看好其無遠弗屆且與日俱增的影響力。

本期「完美工程師」專欄延續上期《位移/位置感測器》而進入第二篇文章《距離/位置相關之電子輸出量測技術》，作者會進一步探討當前非接觸式的一些選擇，包括超音波、無線電與雷射測距。同樣的「創客工作台」系列專欄《免電源顯示技術》也會接著展開第二部分，並報導《將圖像與字元更新至e-Ink螢幕上》，並詳述溫度是如何對寫入顯示器造成影響等注意要點。至於本期「疑難終結者」專欄中作者將以《LinkIt 7697技術發展歷程觀察》一文來與讀者分享其觀察的點點滴滴。

本期「悠遊物聯網」專欄一為延續上期主題而將進入第四部分的《物聯網面面觀(4) -蜂巢式數據機認證》，作者將與讀者一同研究嵌入式系統蜂巢式數據機認證的規格需求、成本與其他要注意的問題。另一篇「悠遊物聯網」專欄將探討《能源物聯網 - 居家電力監控系統》，作者將實作出能協助使用者即時監控各種環境之電器設備，進而蒐集各項電器之能源使用數據的EMS系統。本期「科技大未來」專欄中，將特別為讀者報導《無線技術的未來》，本文中我們將介紹一些工程師和創新專家們對於無線技術之未來的一些看法。


本書特色
《Circuit Cellar嵌入式科技國際中文版》主題涵蓋嵌入式軟硬體、電子工程及電腦應用等領域。《Circuit Cellar》英文版不但擁有多元化的國際性讀者群，包括長年從事嵌入式及微控制器(MCU)相關技術領域的專業人士、學者及電子專家，旗下作者群也來自世界各地，包括美、英、加、比利時等地。本雜誌的編輯宗旨在於協助讀者成為全方位跨領域的從業人員，進而能充滿自信地將創新與尖端前瞻的工程構想運用在各種相關任務、問題及技術上。
《Circuit Cellar嵌入式科技國際中文版》是當前台灣乃至亞太地區唯一一本藉由專案實作報導形式，兼顧理論與實際、趨勢與實作地從專案主題背後的市場趨勢、技術要點，到元件準備，更擴及設定調校、程式設計規劃等各個面向的注意重點與訣竅，企業可以從中了解各種新興嵌入式技術靈活搭配與整合的技巧，長此以往，並能培養出開發各種實用智慧應用的能耐與實力。
本書專案主題涵蓋領域包括：
1. 類比技術：涵蓋降低EMI/RF問題、高速訊號完整性、訊號調節、A/D或D/A轉換器、類比可程式邏輯，以及低功耗、單供電及混合電壓設計等熱門主題。
2. 通訊：涵蓋網路協定、乙太網路、USB、I2C（Inter-Integrated Circuit）協定、同步序列資料協定( Serial Peripheral Interface, SPI)及Firewire等熱門主題。
3. 資料擷取：周邊介面、感測器、感測器網路、訊號調節、A/D或D/A轉換器、資料分析及後置處理等熱門主題。
4. 嵌入式應用：車用、測試設備、模擬器（Simulator）、消費性電子、即時控制及低功耗技術等熱門主題。
5. 嵌入式開發：原型及模擬、仿真器（Emulator）、開發工具、程式語言、硬體描述語言（HDL）、即時作業系統、除錯工具及有用技巧與訣竅等熱門主題。
6. 嵌入式程式設計：程式語言、即時作業系統、嵌入式Linux、檔案系統、驅動程式、網路協定、演算法及最佳化等熱門主題。
7. 網際網路與連接：網路晶片、協定堆疊、裝置伺服器與實體層介面等熱門主題。
8. 測量與感測器：環境感測器、智慧感測器、單線感測器（1-wire sensor）、微機電系統（MEMS）感測器及感測器介面技術等熱門主題。
9. 可程式邏輯：直接進行設計（Design-in）的技巧與竅門；核心智財Core-IP(例如處理器、DSP、週邊等)；針對傳統設計挑戰的創新解決方案（例如初始化、動態可重組dynamic reconfiguration及安全等）；即時發揮作用之軟硬體工具等熱門主題。
10. 機器人：馬達驅動器、近接感測（Proximity Sensing）、電源控制、電池技術／管理、電子羅盤及加速計等熱門主題。
11. 訊號處理：DSP晶片及演算法、類比可程式邏輯、訊號調節、A/D或D/A轉換器、濾波器、訊號壓縮技術，以及RISC、DSP及VLIW之比較等。
12. 無線通訊：無線數據機、Wi-Fi/IEEE 802.11x、藍牙、ZigBee/IEEE 802.15.4、蜂巢、紅外線/IrDA，以及安全應用。

Circuit Cellar

Circuit Cellar Inc.是一家專門提供國際嵌入式設計社群相關產品與服務的媒體，為了扮演專業工程師與程式設計師所信賴的內容提供者，該公司除了發行Circuit Cellar雜誌外，亦推出許多工程/程式開發相關書籍、網站及新聞發佈。Circuit Cellar亦負責舉辦嵌入式設計與程式規劃/燒錄方面的國際性設計競賽。

Circuit Cellar長年進行嵌入式軟硬體與電腦應用方面必知訊息的蒐集、篩選與傳播，並融合實體印刷刊物與電子內容交付平台，來接觸更多元化的國際性讀者群，尤其是長期從事嵌入式及微控制器（MCU）相關技術領域的專業人士、學者及電子專家，進而共同為嵌入式領域相關的創新突破貢獻心力。

譯者簡介
林斯睿：嘗經歷IT雜誌編輯、主編與多家產業分析師之職，現為某IT公司內部產業分析師，並兼職各IT雜誌翻譯工作。
郭復誠：嘗經歷IT雜誌編輯、主編與產業PM等職務，現為產業分析師，並兼職各IT雜誌翻譯工作。
林泰宇：長久從事產業分析師工作，並兼職各IT雜誌翻譯工作。
李書安：萬能技術學院電機系畢業，現任某半導體公司Presale，並兼職各IT雜誌翻譯及企業英文白皮書製作等工作。
IRIS：現就讀成功大學資工系博士班，並從事各類外文書及雜誌專職翻譯工作。

編輯札記

People
社群人物1
專訪西門子數位工廠事業部/製程工業暨驅動科技事業部總經理席德塱
串聯所有工業裝置、資料與App 打造開放式IoT作業與分析平台

社群人物2
專訪Pi創客Eben Upton
影響力無遠弗屆且與日俱增的樹莓派

CoverStory
任何表面都能打字 - 手指即鍵盤！ 親手打造手套式虛擬鍵盤

Features
特報1：進化式機器人學(1) - 神經網路與基因演算法

特報2：打造iPad紅外線遙控器(1) - 遙控器原始設計及IR編碼協定

特報3：打造無線身分認證機制 - RFID結帳系統設計實戰

Columns專欄
完美工程師：位移/位置感測器(2) - 非接觸式位移/距離測量法攻略

創客工作台：免電源顯示技術(2) - 將圖像與字元更新至e-Ink螢幕上

疑難終結者：LinkIt 7697技術發展歷程觀察

悠遊物聯網：物聯網面面觀(4) - 蜂巢式數據機認證

悠遊物聯網：能源物聯網 - 居家電力監控系統

Future
無線技術的未來

Industry
會後報導：未來科技展會後大直擊 - 挖掘未來十年台灣產業決勝關鍵

<封面做事>任何表面都能打字 - 手指即鍵盤！ 親手打造手套式虛擬鍵盤
我們設計的手套讓使用者可以在硬表面上打字，就好像有個QWERTY鍵盤（如圖1所示）存在一樣。當手套辨識出指尖碰觸到表面的時候，藉由手指彎曲的程度便可判定哪個鍵被按下。手套還能辨識左手食指與中指是否分開，以區分按下的是「t-g-b」或是「r-f-v」鍵。右手手套也有相對應的類似功能。目前手套只能辨識三個主要的鍵盤列，從左上角的「q」到右下角的「?」。除了這些限制，手套基本上跟正常鍵盤一樣，也就是可以拿來打任何程式。
 
圖1 系統全圖，包含USB接線及PICkit 3

本篇文章將討論如何設計、打造虛擬鍵盤系統，同時涵蓋軟體及硬體的相關細節。

設計概觀
觸控螢幕雖然可以替代攜帶型電腦的滑鼠設備，但是觸控螢幕鍵盤沒甚麼觸感回饋，而且也太小。所以對習慣用正常鍵盤工作的人來說，觸控螢幕並不好用。有些專案也嘗試用手套作為人機介面（例如CyberGlove、KeyGlove），但是大部分都是針對手勢、並使用一般感測器的手套，或只是未完成的雛形設計而已。此專案乍看之下跟Carsten Mehring的KITTY專案(http://gram.eng.uci.edu/~cmehring/KITTY/about-kitty.html)有點像，不過此專案的獨特性在於它產出了可充當QWERTY鍵盤的手套，而不是一般的輸入感測裝置。

專案的鍵盤手套有一些功能限制。例如，有些功能鍵像SHIFT、CTRL不能用，數字鍵也不行。因為倒退鍵比較常用，所以分號跟前斜線鍵都被倒退鍵取代。不過手套與電腦間的接線可能會讓使用者無法四處移動。

硬體有10個按鈕，每個手指一個。除了拇指以外，其它手指還有一個彎曲感測器。兩隻手的食指跟中指之間也有銅片接觸點，這些銅片接觸點可協助判斷食指是敲在鍵盤的哪一行。有兩個8對1的類比多工器(MUX)以減少讀取彎曲感測器及按鈕電壓所需的輸入信號數目。前述的每個輸入端還有一個分壓器。彎曲感測器的MUX輸出端，還有一個非反相放大器電路。它讓電壓的動態範圍變大，這樣才能辨識手指到底是敲打在三列中的哪一列。

軟體會把感測器資料轉換成UART訊息，以指示壓下了哪個按鍵。專案中可用的按鍵包含小寫字母、逗點、句點、及倒退鍵。軟體會掃描每個按鈕，檢查是否有按鈕事件發生。如果有的話，便選定該手指（選擇的優先順序是從右到左），並將類比MUX的輸入選擇信號作相對應的改變。Microchip PIC32上面的ADC（類比數位轉換器）將讀取跨在彎曲感測器的電壓，此值隨手指彎曲程度而改變。從讀取值及事先設定的臨界值，就能判斷手指敲打在第一列（從「q」到「p」）、中間列（從「a」到「;」）、或是第三列（從「z」到「/」）。這些資訊再包裝成UART訊息，然後由Python程式處理。Python程式讀取串列埠的輸入，然後把它轉成按鍵事件—其效果就跟在真正的鍵盤上敲鍵一樣。

<完美工程師>位移/位置感測器(2) - 非接觸式位移/距離測量法攻略
上期我們探討了採用接觸式方法的測量位移主流技術。這次我們將討論非接觸式方法。經常使用在機器人、控制迴路、過程控制、診斷、測距和其他應用中的三個最為人所知的原理就是：超音波(Ultrasonic)、無線電(Radio)和雷射測距(Laser Ranging)。

超音波、無線電和雷射
超音波距離測量是透過超音波能量脈衝的發射，同時計算回波(Echo)到達時間來運作的。然後，透過已知的聲音速度，便可以計算出該脈衝到達目標並返回的距離。空氣中的標準音速是每秒343.2公尺（1,125.9英尺）。然而，其速度會因空氣壓力、溫度、濕度，以及承載媒介的類型而有所不同。例如在水中，聲音的傳播速度會比在空氣中快4.3倍。在鐵中，它比在空氣中更快上15倍。

一個眾所周知的超音波測距例子就是寶麗來(Polaroid)One Step拍立得相機。當前，超音波位移測量被用於物體和換能器機械耦合之系統中是不切實際的。典型的應用莫過於海軍聲吶、魚類探測器，以及測量容器中所含材料（例如液體、晶粒和沙子）含量等等。

超音波頻率廣泛應用於醫療應用中，例如超音波檢查(Sonography)。不幸的是，在露天所進行的超音波測量可能受到許多因素的負面影響，例如空氣流動，所以系統設計人員必須牢記這一缺點。為了降低對環境因素的相依性，多半會採用所謂「啁啾」（亦即與單個頻率突波相反的調變突波之傳輸）來解決。用於測距的超音波頻率所支援工作範疇從一些聲納中的數千赫(Kilohertz)到數百千赫都有，全依應用而定。在所有非接觸式位移測量技術中，頻率愈高，所達解析度也會隨愈好，但信號衰減的加大導致範圍的縮減。

當絕對距離不重要時而其相對變化便會採用都卜勒效應（Doppler Effect，例如在超音波或微波入侵偵測器中）。當物體相對於其來源移動時，無論是聲波、無線電還是光線，其效應會是反射信號的頻率偏移(Frequency Shift)。頻率偏移回波通常會與發射頻率(Transmitted Frequency)相結合，並產生一個會進一步處理的拍頻(Beat Frequency)。

光波和無線電波以每秒299,792,450公尺(mps)的速度傳播，通常會調高成整數每秒3億公尺或每秒186,411.4英里來表示。雷達是最普遍的無線電射頻測距應用。由於光波和無線電波的高速度，所以短距離測距需要次奈秒級(Sub-nanosecond)的精細複雜電子裝置。然而，雖然電磁波的速度極高，但已有一些已經支援解析度與精準度達到毫米級(Millimeter)的裝置了。

在研究雷射測距時，使用者可能會遇到「LiDAR」這個英文字，它是「Light Detection and Ranging」的首字縮寫，代表「光偵測與測距」的意思，中文譯為「光達」，其運作方式甚至與雷達類似。透過旋轉鏡，光達系統藉由雷射光束來掃描特定區域，再評估其反射。這項技術被用於製作高解析度地圖和其他應用，其中有許多是屬於軍事應用。所謂非相干光達(Incoherent LiDAR)之較老舊方法，會評估由極強大雷射所發射的反射光束振幅。新的相干(Coherent)法會判定反射光束的相位移(Phase Shift)，其需要較少的功率，同時該雷射通常被認為是對人眼安全的。