崑山科技大學電子工程系無線訊息監控系統於安養...

崑山科技大學

電子工程系

學士專題製作報告

無線訊息監控系統於安養院的應用

The application of wireless message

monitoring system for nursing home

指導教授：林俊宏、黃茂育

專題組員：李振榮學號：4980K018

中華民國 102 年 06 月

102

學士專題

製作報告


電

子

工

程

系

崑山科技大

學

李振榮

撰

崑山科技大學

電子工程系

學士專題製作報告


The application of wireless message

monitoring system for nursing home

指導教授：林俊宏、黃茂育

專題組員：李振榮學號：4980K018

中華民國 102 年 06 月

I


李振榮

崑山科技大學電子工程系

摘要

由於人民生活水準提高以及醫療環境進步，使得我國人民平均壽命普遍地延

長，但近年來國人生育率持續下降，使我國人口結構早已邁入「高齡化社會」。當

人類進入老年期時，不管身體的機能、行動能力各方面，皆會逐漸地退化，因此

容易發生跌倒的狀況，所以在老人生活起居方面需要子女隨時在旁邊進行照護的

工作，但為了維持日常生活上的經濟開銷，大部分的子女都必需外出工作，導致

子女沒有空餘的時間去照料家中的年長的父母，因此在這樣的情況下有越來越多

的子女選擇將父母安置在安養院中，使得安養院因收容人數快速地增加，而引發

照護人員不足的問題，造成照護人員必須付出更多的心力來照料。

因此為了減輕照護人員的負擔，本專題規劃出“無線訊息監控系統於安養院的

應用”，針對老人身上所裝置尿袋、點滴，經由重量感測方式偵測其容量，並加

入了跌倒偵測、緊急求救按鈕來判斷是否發生跌倒以及緊急求救等訊息，透過無

線傳輸方式將以上資訊發送至護理站的電腦上顯示。另外，針對可以透過輪椅等

相關輔具移動的老人設計出空間定位系統，監看老人目前位於哪間病房附近，當

老人發生意外時，啟動緊急通報機制，發送簡訊至照護人員的行動裝置上，同時

為了避免照護人員因忙碌而忽略該訊息，我們在護理站上裝設無線廣播系統，提

醒照護人員。

關鍵字：照護、跌倒偵測、空間定位、無線傳輸

II

目錄頁數

中文摘要 ........................................................................................................ I

目錄 .............................................................................................................. II

表目錄 ......................................................................................................... IV

圖目錄 .......................................................................................................... V

一、緒論 ....................................................................................................... 1

1-1 研究動機 ....................................................................................... 2

1-2 研究目的 ....................................................................................... 3

二、原理概述 ............................................................................................... 4

2-1 ZigBee 概述 .................................................................................. 4

2-1-1 IEEE.802.15.4 標準 ............................................................. 5

2-2 GSM 概述 ..................................................................................... 9

2-2-1 GSM 系統組成 .................................................................... 9

2-2-2 GSM 頻段介紹 .................................................................. 11

2-2-3 GSM 網路結構 .................................................................. 12

2-3 荷重元 ......................................................................................... 14

2-3-1 應變概述 ............................................................................ 14

2-3-2 荷重元原理與介紹 ............................................................ 16

2-4 ADXL330 概述........................................................................... 18

2-4-1 ADXL330 結構 .................................................................. 18

2-5 89C2051 概述 ............................................................................. 22

2-6 HT66F50 概述 ............................................................................ 26

三、系統架構 ............................................................................................. 30

3-1 軟體流程 ..................................................................................... 31

3-2 ZigBee 連線測試 ....................................................................... 32 3-3 LabVIEW 介紹 .......................................................................... 35

四、結果 ..................................................................................................... 37

4-1 荷重元穩定性測試 ..................................................................... 37

4-2 加速規擺動測試 ......................................................................... 38

4-3 資訊顯示介面 ............................................................................. 40

4-4 空間定位介面 ............................................................................. 41

五、討論與結論 ......................................................................................... 44

5-1 討論 ............................................................................................. 44

5-2 結論 ............................................................................................. 45

參考文獻 ..................................................................................................... 46

III

附錄一 ......................................................................................................... 48

附錄二 ......................................................................................................... 49

IV

表目錄

頁數

表 2.1 GSM 系統結構名詞定義 ........................................................... 10

表 2.2 GSM 頻率範圍 ........................................................................... 12

表 2.3 89C2051 單晶片接腳功能簡介 ................................................. 24

表 2.4 89C2051 特殊功能 ..................................................................... 25

表 2.5 UART 控制暫存器 ..................................................................... 25

表 2.6 UART 暫存器功能介紹 ............................................................. 25

表 2.7 中斷介紹 ..................................................................................... 28

表 2.8 ADC 暫存器介紹 ....................................................................... 29

V

圖目錄

頁數

圖 2.1 ZigBee 家庭自動化設計應用範圍 .............................................. 5

圖 2.2 IEEE802.15.4 無線通訊協定標準 ............................................... 7

圖 2.3 星狀拓樸 ....................................................................................... 7

圖 2.4 點對點配接拓樸 ........................................................................... 8

圖 2.5 GSM 系統結構圖 ....................................................................... 10

圖 2.6 GSM 網路結構圖 ....................................................................... 13

圖 2.7 應力—應變曲線 ......................................................................... 15

圖 2.8 應變規片 ..................................................................................... 15

圖 2.9 應變規構造圖 ............................................................................. 16

圖 2.10 應變規放置於橋式電路構造圖 ................................................. 16

圖 2.11 荷重元於電子磅秤之應用 ......................................................... 17

圖 2.12 ADXL330 腳位排列圖 ............................................................... 19

圖 2.13 ADXL330 內部構造圖 ............................................................... 19

圖 2.14 X 軸溫度誤差圖 ......................................................................... 20

圖 2.15 Y 軸溫度誤差圖 ......................................................................... 21

圖 2.16 Z 軸溫度誤差圖 ......................................................................... 21

圖 2.17 89C2051 單晶片接腳圖 ............................................................. 23

圖 2.18 HT66F50 接腳圖 ........................................................................ 27

圖 2.19 ADC 轉換結構流程圖 ............................................................... 29

圖 3.1 系統架構圖 ................................................................................. 30 圖 3.2 病床端系統流程圖 ..................................................................... 31 圖 3.3 輪椅端系統流程圖 ..................................................................... 32 圖 3.4 ZigBee 操作流程(1) .................................................................... 33 圖 3.5 ZigBee 操作流程(2) .................................................................... 33 圖 3.6 ZigBee 操作流程(3) .................................................................... 34 圖 3.7 ZigBee 操作流程(4) .................................................................... 34 圖 3.8 LabVIEW 設計方法圖 ............................................................... 35 圖 3.9 LabVIEW 編輯環境 ................................................................... 36 圖 4.1 荷重元量測數據(一) ................................................................... 37 圖 4.2 荷重元量測數據(二) ................................................................... 38 圖 4.3 加速規擺動前的波形圖 .............................................................. 39 圖 4.4 加速規向右擺動後的波形圖 ...................................................... 39 圖 4.5 尿袋、點滴、按鈕、跌倒偵測圖 .............................................. 40

VI

圖 4.6 空間定位偵測圖 .......................................................................... 41 圖 4.7 量測系統電路 .............................................................................. 42 圖 4.8 尿袋量測圖 .................................................................................. 42 圖 4.9 空間定位示意圖 .......................................................................... 43

1

一、緒論

由於國人生活水準提高以及醫療環境進步，使得我國人民平均壽命

普遍地延長，但近年國人生育率持續下降，主要原因包含經濟因素、

社會價值觀、教育政策等改變，其中以經濟因素及教育政策影響最大。

在這樣的狀況下使得我國人口結構進入高齡化[1-4]，根據聯合國世界

衛生組織(Word Health Organization, WHO)認定，國家中 65 歲以上人口

佔總人口數超過 7%，即邁入「高齡化社會」定義，而我國自 82 年起

就已進入高齡化社會[5-6]。

在老年人族群中，身體機能及行動能力會逐漸衰退，而容易發生跌

倒的狀況，根據衛生署統計臺灣 65 歲以上的老人死亡原因，事故傷害

排名第七，則跌倒是事故傷害的第二大原因。對此必需有人時時刻刻

注意老人隨時狀況[7]，但在現今的時代裡，大部分子女都需要外出工

作，而沒有空餘的時間來照料家中年長的父母，所以在這樣的情況下，

有越來越多子女將父母送至安養機構，讓安養人員來進行照護工作。

在 101 年 6 月底的內政部統計報告中，我國老年人長期照顧及安養機

構(不含榮民之家及護理之家)計有 1,057 所，可供給進住人數 57,957

人，實際進住人數 42,898 人。機構內工作人員共計 20,950 人，每位工

作人員平均服務人數為 2.05 人[8]，從這些資料中可得知，照護機構的

2

工作人員人手不足，已經逐漸成為一個問題，且有越來越擴大的現象，

在這樣的狀況下不僅增加照護人員的工作量，對於照護人員所消耗的

體力以及工作負擔上也比以前更加地沉重，因此如何使照護人員減輕

其工作負擔，儼然已成為一項重要議題了[9-11]。

1-1 研究動機

在安養院中有部份老人需要吊點滴來補充一些營養，有些則是喪失

膀胱功能，而需藉由尿袋來維持正常排尿功能。目前我國安養中心或

照護機構對於病床所使用到尿袋、點滴的部分，主要都還是依賴人力

照護方式來進行監控，對於照護人員編制不足、收容人數超過應有上

限的安養機構來說採用這種方法是非常浪費人力資源的。會造成這樣

的原因主要是目前市面上不具有一套尿袋、點滴的監控系統讓照護人

員們使用，此外人類年齡進入老年期，身體機能與體能皆會逐漸衰退，

平衡的能力也會變差，導致容易發生跌倒的危險。然而一位照護人員

要服務安養院內多位老人，無法隨時隨地待在同一位老人身邊照料，

所以在這段空窗期內老人存在高風險會不幸發生跌倒，而照護人員又

察覺過晚的話，很有可能造成更嚴重的傷害，綜合這些因素我們才會

想開發這套系統來解決以上問題。

3

1-2 研究目的

為了減輕照護人員工作上的負擔，本研究設計出一套安養院監控系

統，經由重量感測的方式來偵測老人身上尿袋、點滴的容量，並加入

跌倒偵測與緊急求救按鈕判斷老人是否發生跌倒危險或按壓緊急按鈕

等資訊，之後透過無線傳輸模組結合老人的房號或床號，發送到護理

站的電腦上並顯示資訊，另外當電腦端接收到訊號並判斷出需要照護

人員前往協助時，將會顯示房號資訊並發送簡訊至照護人員的行動裝

置上，同時為了避免照護人員在接收到簡訊的當下處於忙碌狀態導致

忽略該訊息，系統裝設在該樓層護理站上的無線廣播系統，也會同時

撥放音樂來提醒照護人員是該前往處理。

4

二、原理概述

2-1 ZigBee 概述

ZigBee 從 1998 年開始發展，於 2001 年向電機電子工程師學會提

案納入 IEEE 802.15.4 標準規範之中，自此將 ZigBee 技術漸漸成為各業

界共同通用的低速短距無線通訊技術之一。ZigBee 為無線網路通訊協

定的一種，主要由 Honeywell 公司組成的 ZigBee Alliance 所制定，底

層採用 IEEE.802.15.4 標準規範的媒體存取層與實體層，在協定層方面

由下到上分為實體層、媒體存取層、網路層、應用層等。支援網路拓

撲有星型、樹型、網型等三種，具有低耗電、低成本、低複雜度、安

全性高、支援大量網路節點等特色。根據不同的環境，天線及運行頻

段，連接的距離可以達到 10 到 100 米以上。

網路裝置的角色可分為 ZigBee Coordinator、ZigBee Router、ZigBee

End Device 等三種，其應用領域包含家庭自動化、家庭安全、工業與

環境控制與個人醫療照護等，可搭配之應用產品則有家電產品、消費

性電子、PC 周邊產品與感測器等，提供家電感測、無線 PC 周邊控制、

家電遙控等功能，ZigBee 雖與藍芽同為個人區域網路領域的通訊技

術，但兩者在初期設定上有所區隔。ZigBee 的技術提供商業和家庭應

5

用的短距離無線通訊，尤其適合控制商業系統和家用電器。ZigBee 以

低價切入產業自動化控制、能源監控、機電控制、照明系統管控、家

庭安全和 RF 遙控等領域，其設計應用範圍如圖 2.1 所示。

圖 2.1、ZigBee 家庭自動化設計應用範圍[13]

2-1-1 IEEE.802.15.4 標準

如圖 2.2 所示，IEEE.802.15.4 工作組為低速率無線個人區域網制定

的標準，此標準定義了在個人區域網中通過射頻方式在設備間進行互

連的方式與協議，並且使用避免衝突的載波監聽多址接入的方式作為

媒體訪問機制，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 2.3 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

6

功能裝置當作資料終端機。另外一種拓樸為點對點配接，如圖 2.4 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。

在 IEEE.802.15.4 實體層規範中具有三種不同頻率的操作頻帶，當

中包含 27 個無線頻率頻道。而使用頻率分為 868MHz、915MHz，以及

2.4GHz，其中 915MHz 與 2.4GHz 為 ISM 頻帶，所有操作頻帶的實體

層使用直接續列展頻(DSSS)將資訊載於頻道上，868MHz 和 915MHz

的實體層為使封包錯誤率低於 1%以下，硬體接收敏感度要達到或高於

-92dBm，而 2.4GHz 實體層硬體接收敏感度要達到或高於-85dBm，實

體層所負責工作為啟動與關閉無線電收發器、現在頻道之能量偵測、

指出目前接收到封包之連線品質、評估 CSMA-CA 機制下頻道是否清

空、選擇頻道與資料之傳輸接收等。而媒體存取層除了與實體層進行

溝通外所包含的工作為當裝置作為協調者且為有信標模式時產生信

標、與協調者信標同步、支援個人網路的加入與移除、執行資料安全

機制、檢查接收封包的正確性、傳送回覆訊框、利用 CSMA-CA 機制

7

使用頻道進行封包傳送、控制與維護保證時間機等。網路層的部分負

責工作為加入與離開某個網路、將封包做安全性處理、傳送封包到目

標節點、找尋並維護節點間的繞徑路線、找尋鄰節點、儲存相關鄰節

點資訊。應用層工作包含應用程式支援子層(APS)、應用程式框架

(AF)、ZigBee 裝置管控物件 (ZDO)與各廠商定義的應用程式物件

[12-16]。

圖 2.2、IEEE802.15.4 無線通訊協定標準

圖 2.3、星狀拓樸

8

圖 2.4、點對點配接拓樸

9

2-2 GSM 概述

全球行動通訊系統(Global System for Mobile Communications)，即

GSM，是目前應用最為廣泛的行動電話標準。與之前的標準相較，它

的最大不同處是其訊號和語音通道都是數位式，因此 GSM 被看作是第

二代(2G)行動電話系統，GSM 標準目前由 3GPP 組織負責制訂和維護。

此標準在發展的同時(例如數據能力在 Release '97 版本的標準中透過

GPRS 被加入進來)，保持與原始的 GSM 電話向後相容。更高速度的數

據傳輸是用 EDGE 在 Release '99 版標準導入的[17-19]。

2-2-1 GSM 系統組成

一個 GSM 系統可由三個子系統組成，即操作支持子系統(OSS)基

站子系統(BSS)和網絡子系統(NSS)三個部分。其中網絡子系統(NSS)是

整個系統的核心，它對 GSM 移動用戶與其它通信網用戶之間通信起著

交換、連接與管理的功能。基站子系統(BSS)是 GSM 系統中與無線蜂

窩方面關係最直接的基本組成部分，它通過無線接口直接與移動台相

連，負責無線信息的發送接收、無線資源管理及功率控制等，同時它

與 NSS 相連，實現移動用戶與固定網絡用戶之間的通信連接、傳送系

統信息和用戶信息等，操作支持子系統(OSS)負責 NSS 和 BSS 系統維

護、管理工作，系統結構如圖 2.5 所示[20]。

10

圖 2.5、GSM 系統結構圖

表 2.1、GSM 系統結構名詞定義

OSS 操作支持子系統 NSS 網路子系統

MSC 移動交換中心 VLR 拜訪位置寄存器

AUC 鑑權中心 EIR 設備識別寄存器

BTS 基站收發信台 MS 移動台

DDN 數字數據網 LAN 局域網

SSP 業務交換點 PSPDN 分組交換公用數據網

ISDN 綜合業務數字網 OMC 服務器操作管理中心服務器

BSS 基站子系統 HLR 歸屬位置寄存器

BSC 基站控制器 NMC 網路管理中心

OMC 操作維護中心 PSTN 公用電話網

GMSC 移動關口交換中心

11

2-2-2 GSM 頻段介紹

GSM 系統在無線介面上採用分時多工技術(TDMA)，語音或數據訊

號採用高斯最小頻移鍵控(GMSK）方式進行調變。通道編碼主要採用

摺積碼。每個 GSM 載頻的頻寬為 200KHz，在時間上以 4.615ms(更準

確的說是 60/13ms)為一幀，每一幀又順序劃分為 8 個時槽。時槽是 GSM

無線介面上資源的最小單位。作為 GSM 系統數據傳輸性能提升的

EDGE 系統，調變方式採用了效率更高的 8 進制相移鍵控(8PSK)。開

發中的 EDGE 演進技術則將採用 32 或 16 進制正交振幅調變(32 或

16QAM)，每載頻的數據傳輸能力可接近 1Mbps。為適應各國無線電頻

率分配的不同情況，GSM 系統可以在多個不同的頻段工作。最初的

GSM 標準定義了 900MHz，1800MHz，和 1900MHz 頻段。此後又補充

了 850MHz 和 450MHz，以適合部分地區的需求。世界大部分地區採用

900M 和 1800M 頻段。美洲的一些運營商使用 850M 和 1900M 頻段。

400~450M 頻段則僅局限於北歐國家的運營商。此外，歐盟為鐵路調度

通訊需要以GSM為基礎制定的GSM-R系統，它的工作頻率也在900M

頻段。GSM 上下行訊號為分頻雙工，上下行訊號採用不同的頻率，但

對於不同的頻點，上下行頻率之間保持固定的間隔。各頻段的具體頻

率範圍如表 2.2 所示。

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B0%83%E5%88%B6

12

表 2.2、GSM 頻率範圍

頻段名稱上行(MHz) 下行(MHz) 其他

GSM

850

GSM

850 824,0 -849,0 869,0-894,0

美國,南美洲國家和

亞洲部分國家。

GSM

900

P-GSM

900 890,0-915,0 935,0-960,0

GSM 最先實現的頻

段，也是使用最廣的

頻段。

E-GSM

900 880,0-890,0 925,0-935,0 900M 擴展頻段

R-GSM

900 876,0-880,0 921,0-925,0

鐵路 GSM(GSM-R)，為

鐵路調度通訊系統開

發的特殊版本。

GSM

1800

GSM

1800

1710,0-1785

,0

1805,0-1880,

0

適用於對通道容量需

求大的市場，應用範

圍僅次於 900M。

GSM

1900

GSM

1900

1850,0-1910

,0

1930,0-1990,

0

主要用於美洲國家，

由於有頻率重疊，與

1800M 系統不兼容。

2-2-3 GSM 網路結構

GSM 網路一共有四種不同的蜂窩單元尺寸：宏蜂窩，微蜂窩，微

微蜂窩和傘蜂窩。覆蓋面積因環境而有所不同。宏蜂窩可以被看作基

站天線安裝在天線桿或者建築物頂上，微蜂窩則是天線高度低於平均

建築高度，一般用於市區內，微蜂窩是很小的蜂窩只能覆蓋幾十米的

範圍，主要用於室內，傘蜂窩用於覆蓋更小蜂窩網的盲區，填補蜂窩

之間的訊號空白區域，蜂窩半徑範圍根據天線高度、增益和傳播條件

http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9F%BA%E7%AB%99http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9F%BA%E7%AB%99http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%A9%E7%BA%BF

13

可以從百米以下到數十公里，GSM 規範設計的最大小區半徑，一般情

況下為 35 公里。如果採用擴展蜂窩的技術，則可以達到 120 公里以上，

適用於一些傳播條件極好的情況。GSM 還支持室內覆蓋，通過功率分

配器可以把室外天線的功率分配到室內天線分布系統上。這是一種典

型的配置方案，用於滿足室內高密度通話要求，在購物中心和機場十

分常見，網路結構如圖 2.6 所示[21]。

圖 2.6、GSM 網路結構圖[21]

14

2-3 荷重元

2-3-1 應變概述

當一個外部的力量施加在物體上時，物體將會受到應力或剪應力作

用使其單位長度產生變形量，在物理學上被定義為「應變」，應力與應

變兩者之間的關係如圖 2.7 所示，圖中自零應力開始呈直線性狀態，當

應力越大時，應變也隨之增加，在此「線性區」，施予多次反覆變化之

應力，應變仍可重複在線，此集材料的「彈性表現」，而如應力在增，

至某一「折頸點」後，即產生不規則的應變反應，這時材料內部微粒

鏈結開始破壞，應力稍增，破壞的鏈結越多，使得應變急速增大，最

後完全變形，即使應力消失也無法復原。

而應變規主要用來檢測材料變形量，主要使用金屬線、箔片或半導

體製成，在精密工業標準化製程中，可保證一定品質，尤其是電阻對

應變的關係，應變規結構包含一條具有電阻的細導線，如圖 2.8 所示其

原理便是利用導線變形所造成電阻改變來檢測出應變，在不同需求上

其構造不盡相同，但基本結構則大同小異，應變規構造如圖 2.9，當作

用力施在應變規上時將會產生該絕緣體及金屬產生變形，而金屬一但

發生變形時，便會改變其電阻值，但由於變化量非常小，因此在應用

上，會將應變規放置於橋式電路中，如圖 2.10 所示，在 A、C 兩端輸

15

入固定電壓，而量測 B、D 之間電壓值，根據應變規其電阻值得變化，

將會使 B、D 產生不同電壓，可藉由此一電壓的不同，對應至施予在

應變計上不同大小的受力值。應變規目前廣泛應用在結構、土木、負

荷計、計重器等[22-24]。

圖 2.7、應力—應變曲線

圖 2.8、應變規片[25]

16

圖 2.9、應變規構造圖[24]

圖 2.10、應變規放置於橋式電路構造圖[24]

2-3-2 荷重元原理與介紹

荷重元又稱壓力感測器，屬於機械電子感測器，可以將壓力或重量

轉換電力轉換成類比電量訊號者，荷重元可被設計成單一輸出或依其

偵測的重量而定輸出方式。在使用特性上準確度高、穩定性極佳、設

置簡單、可測定極微小位移等，因此被考量為最主要的電子秤重儀器。

荷重元構造組成如圖 2.11 所示，主要將應變規貼在鋁合金製的彈性體

17

上，其原理利用應變規受力拉伸(或壓縮）造成內部電阻值改變的特性，

將應變計黏貼於金屬懸臂樑表面，並互相連接成--惠斯通電橋，當重物

造成懸臂樑變形時，便連帶產生電壓訊號，如此便可借由訊號的大小

判斷物重或施力[25-26]，對於不同的應用範圍荷重元的形狀也有所區

分，目前市面上所販售荷重元主要分為 S 型、SA 型、LM 型、L 型、

LC 型、LDB 型、B 型、LCH 型、LRM 型等。

圖 2.11、荷重元於電子磅秤之應用[25]

18

2-4 ADXL330 概述

ADXL330 是一款由美國 ADI 公司所研發的三軸加速度感測器，內

建訊號處理電路，具備小尺寸、薄型、低功耗等特性，ADXL330 將

MEMS(微機電系統)感測器結構與訊號處理結合在一起，在 2V 電壓提

供下可使功耗電流降低至 200uA，比同類型電路的功耗典型值低 50%，

由於考慮到消費性電子產品的設計要求，因此在尺寸上採用 4 × 4 ×

1.45 (mm)小型封裝，能夠以± 3g 的範圍測量加速度，ADXL330 輸出的

模擬電壓信號與加速度成正比，能夠測量靜態與動態加速度，具有

10,000 g 抗衝擊能力、出色的溫度穩定性及良好的靈敏度，可實現多種

功能，使用在消費性電子產品上能夠有效使電路達到縮小化的功能，

主要應用在手機、GPS 系統、車輛穩定控制、慣性測量、導航控制領

域等。

2-4-1 ADXL330 結構

圖 2.12 為 ADXL330 腳位排列，1、4、9、11、13、16 為空接腳，

2 為自檢腳若沒有使用到此腳位可直接空接，5、6、7 為共地腳，14、

15 為電源腳(電壓範圍介於 1.8V~3.6V 之間)，8、10、12 為三個軸信號

輸出腳，分別為 Zout、Yout、Xout。如圖 2.13 所示，ADXL330 整合在一

片矽晶體表面，感測器與矽晶片之間的空隙可以減緩加速度產生的

19

力，加速度使移動物體變形，獨立固定極板以及黏附在移動物體上形

成的電容差是衡量結構變形程度的標準，固定極板由 180°相位差變化

的方波驅動，由於物體變形，導致差分電容失去平衡，並通過感測器

輸出與加速度成正比的電壓幅度。

圖 2.12、ADXL330 腳位排列圖[27]

圖 2.13、ADXL330 內部構造圖[29]

20

調變結果放大後，通過一個 32KΩ電阻輸出，使用者可以設置電容

Cx、Cy 和 Cz 的大小控制帶通濾波器的頻率範圍，頻率的選擇要適合

於具體的運用，像是 X 軸和 Y 軸，頻率可以從 0.5Hz~1600Hz，而 Z

軸的頻率從 0.5Hz~550Hz，濾波的作用是提高分辨率和減少干擾，

ADXL330 能夠同時測得 X、Y 和 Z 方向上的加速度數據，並且在這三

個方向上的數據是正交的，感測器的錯位是三個軸間交叉干擾的主要

來源，此問題可以透過校準來減小這種干擾，ADXL330 採用了新的設

計技術，除了保證高性能特性外，也同時避免了使用額外的溫度補償

電路，這種設計可以最大限度地減少量化誤差和測量結果的非線性，

在-25°C 到 75°C 之間，誤差小於 3mg，三軸溫度誤差如圖 2.14~2.16

所示[27-29]。

圖 2.14、X 軸溫度誤差圖[28]

21

圖 2.15、Y 軸溫度誤差圖[28]

圖 2.16、Z 軸溫度誤差圖[28]

22

2-5 89C2051 概述

89C2051 由美國 ATMEL 公司所製造的 20 DIP 封裝小型單晶片，是

一款低電壓、高性能的八位元單晶片，內含 2k bytes 可重複讀寫的 Flash

程序記憶體和 128bytes 的隨機存取記憶體(RAM)，在軟體、硬體上與

MCS-51 系統相容，因此可直接將此系統編譯程式直接套用 2051 裡使

用，由於內部程序採用 Flash 儲存技術，因此在系統開發上十分方便快

速，在內部 I/O 控制方面，89C2051 繼承了 MCS51 的特性，在程序保

密上設計了 2 個程序保護位，當保密位 1 編譯之後，Flash 不能夠再進

行儲存的動作，除非將它抹除掉，而保密位 2 被編譯之後，程序不能

夠被讀出來。而 89C2051 也增加了模擬輸入的功能，主要在內部構造

加入一個模擬信號比較器，輸入端部分為 P1.0 及 P1.1 腳，比較結果存

入 P3.6 對應暫存器裡頭。

圖 2.17 為 89C2051 單晶片接腳圖，雖然只有 20 隻腳位但用在不大

複雜的控制系統上，能夠使電路縮小化、降低製造成本的效果，在腳

位電流的驅動能力上，2051 有很強的下拉能力最高可達到 20mA，此

外在 12MHz 工作頻率下動態電流為 5.5 mA，而當工作電壓為 3V，電

流相當與 6V 工作時的 1/4，因此這樣的功耗非常適合用於電池供電的

控制系統上[30-31]。

23

圖 2.17、89C2051 單晶片接腳圖[31]

89C2051 功能特性:

89C2051 功能特性如下所示，同時，89C2051 可降至 0Hz 的靜態邏

輯操作，並支持兩種軟體可選的省電工作模式。

8 位元微電腦控制晶片

2.7~6V 共作電壓範圍

時脈頻率 0~24MHz

2KB 內部程式記憶體

128Bytes 內部資料記憶體

2 組可位元定址 I/O 埠 P1、P3

2 組 16 位元計時/計數器 T0、T1

24

6 個中斷源 INT0、INT1、T0、T1、RXD、TXD

一組全雙功串列埠 UART

兩極加密位

低功耗睡眠功能

89C2051 功能簡介:

89C2051 單晶片接腳功能簡介如表 2.3 所示。

表 2.3、89C2051 單晶片接腳功能簡介

接腳名簡介

VCC 系統正電源接腳，電壓範圍+2.7V~+6V

GND 系統接地腳

RESET 系統重置信號輸入腳，重置信號為高態動作，大於

2 個機械周期便可以完成重置動作

X1/X2

X1 為震盪訊號輸入腳，X2 為震盪訊號輸出腳，可

適用於 0 ~24MHz 的石英震盪器，工作機械周期=石

英晶體/12

P1

8 位元雙向 I/O 埠，P1.2 至 P1.7 提供內部提升電阻

，P1.0、P1.3 則須外加提升電阻，可個別設定接腳

為輸入或輸出。

P3

8 位元雙向 I/O 埠，P3.0 至 P3.5 與 P3.7 提供內部提

升電阻，可個別設定接腳為輸入或輸出，P3.6 用於

模擬比較器信號輸出控制因此無法作為 I/O 控制，

此外 P3 埠有額外的功能可使用如表 2.3。

89C2051 特殊功能:

89C2051 特殊功能如表 2.4 所示。

25

表 2.4、89C2051 特殊功能

Port Pin 功能

P3.0 RXD：UART 串列埠接收腳

P3.1 TXD：UART 串列埠發射腳

P3.2 INT0：外部中斷 0 輸入腳

P3.3 INT1：外部中斷 1 輸入腳

P3.4 T0：Time0 外部計數信號輸入腳

P3.5 T1：Time1 外部計數信號輸入腳

UART 暫存器介紹:

表 2.5、UART 控制暫存器

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI TI

表 2.6、UART 暫存器功能介紹

位元名稱功能

D7 SM0 SM0=0、SM1=0(模式 0)：8bit 同步串列埠。

SM0=0、SM1=1(模式 1)：10bit UART。

SM0=1、SM1=0(模式 2)：10bit UART。

SM0=1、SM1=1(模式 3)：10bit UART。 D6 SM1

D5 SM2

1. SM2=1，模式為 2、3 時，接收到 RB8=1 時產生中

斷。

2. SM2=1，模式為 1 時，接收到不正確的停止位元，

不產生中斷。

D4 REN 接收致能位元，REN=1 表示允許接收串列資料。

D3 TB8 在模式 2、3 中，發射資料的第 8bit 位元。

D2 RB8 在模式 2、3 中，接收資料的第 8bit 位元。

D1 TI 發射旗標，發射完成時，TI=1。

D0 RI 接收旗標，接收完成時，RI=1。

26

2-6 HT66F50 概述

HT66F50 為盛群半導體公司所研發 A/D 型高性能微控制器，內部

系統結構採用 RISC(精簡指令集)架構，此架構對指令數目及定址方式

都做了精簡的功用，將指令長度固定，指令格式和尋址方式種類減少，

使其實現更為容易、指令並列執行程度更好、編譯器的效率更高等優

點。HT66F50 除了為使用者提供方便的快閃記憶體多編程功能，還包

括了 RAM 資料記憶體及 EEPROM 記憶體來儲存非易失性資料，例如

序列號、校準數據等。

在模擬功能方面HT66F50提供了多通道 12位元A/D轉換器及雙通

道比較器功能，多樣化的定時器模組提供時間、脈衝的產生和 PWM(脈

衝寬度調變)生成功能，在資料串列通信的傳輸上包含了 SPI 與 I2C 功

能，為設計者提供一個易於溝通的介面與外部的硬體裝置，保護功能

方面可透過內部看門狗定時器、低電壓復位、低電壓檢測和 ESD(靜電

放電)保護等功能，讓微控制器操作能夠在惡劣的環境中保持運作，

HT66F50 主系統時脈由 HXT、LXT、ERC、HIRC 和 LIRC 振盪器提供，

因此不需要接上外部振盪元件便能夠進行運作，它被細分為 T1~T4 共

四個內部產生的非重疊時序。在 T1 時間，程序計數器自動加 1 並抓取

一條新的指令週期。剩下的時間 T2~T4 完成譯碼和執行功能，因此，

27

一個 T1~T4 時間週期構成一個指令週期。HT66F50 在應用範圍上可做

為電子測量儀器、環境監控、手持式儀表、家用電器、電子控制工具、

電機驅動控制等[32-33]。

圖 2.18、HT66F50 接腳圖[32]

HT66F50 功能特性:

HT66F50 功能特性如下所示。

8 位元微控制器

8K 內部程式記憶體

384Bytes 內部資料記憶體

256Bytes EEPROM

8 通道 12 位元 A/D 轉換功能

28

42 個可位元定址 I/O 埠

2 個 10 位元和 1 個 16 位元可編譯定時/計數器

內置振盪電路

HT66F50 中斷介紹:

表 2.7 針對各中斷功能以及執行優先順序做介紹。

表 2.7、中斷介紹

中斷源中斷向量位址功能優先順序

Reset 0x00 重置動作 1

INT0 0x04 外部中斷腳 INT0 2

INT1 0x08 外部中斷腳 INT1 3

Comp. 0 0x0C 比較器 0 中斷 4

Comp. 1 0x10 比較器 1 中斷 5

TM0 & TM2 0x14 Timer0 & Timer2

溢位中斷 6

Timer1 0x18 Timer1 溢位中斷 7

ADC 0x1C ADC 轉換完成中斷 8

SIM & /PINT 0x20 內部中斷 9

TM Base0 0x24 時基 0 中斷 10

TM Base1 0x28 時基 1 中斷 11

LVD &

EEPROM 0x24 低電壓 & EEPROM中斷 12

HT66F50 ADC 介紹:

HT66F50 有 8 個 ADC 轉換通道，相關的暫存器有 5 個，表 2.8 針

對各暫存器做介紹。

29

表 2.8、ADC 暫存器介紹

暫存器說明

ADRL ADC 轉換資料暫存器低位元組

ADRH ADC 轉換資料暫存器高位元組

ACERL ADC 轉換控制暫存器

ADCR0 ADC 轉換控制暫存器

ADCR1 ADC 轉換控制暫存器

HT66F50 ADC 轉換架構流程圖:

在進行 ADC 轉換的過程時必需依循轉換的步驟來設定控制腳位、

轉換資料暫存器、轉換控制暫存器等，圖2.19為ADC轉換結構流程圖。

圖 2.19、ADC 轉換結構流程圖[32]

30

三、系統架構

圖3.1所示為本作品系統架構，整個系統分為三個部分，一為病床、

輪椅端的收集系統，這部份則用單晶片去完成；二為服務台的電腦端，

使用美商國家儀器(National Instruments, NI)所發行的LabVIEW進行程

式功能撰寫，主要功能為擷取尿袋、點滴、跌倒偵測、緊急求救按鈕、

空間定位等訊號，並顯示在人機介面讓照護人員觀看各種資訊，而整

個系統的資料傳輸連結則統一採用ZigBee作為傳輸的媒介；三則是提

醒裝置的部分，主要是用在當老人發生狀況時，會透過ZigBee傳送資

訊到服務台，再由服務台發送簡訊來提醒照護人員們，為了避免照護

人員漏收簡訊，同時透過廣播撥放一段音樂，告知照護人員有老人發

生問題。

圖 3.1、系統架構圖

31

3-1 軟體流程

圖 3.2 為病床端軟體流程圖，功能的部分量測掛在病床上尿袋、點

滴訊號，並偵測老人是否跌倒或按下緊急按鈕，透過 ZigBee 將各種資

訊發送至護理站電腦端顯示尿袋、點滴容量，並判斷容量是否超過系

統所預設的上、下限設定值，以及是否偵測到老人跌倒訊號與按下緊

急按鈕等資訊，當判斷條件成立時，將會發出簡訊並透過廣播系統發

出提示聲來通知照護人員。

圖 3.2、病床端系統流程圖

圖 3.3 為輪椅端軟體流程圖，功能的部分偵測老人是否跌倒與緊急

按鈕外，系統透過空間定位來得知老人位置，當系統偵測到老人跌倒

32

或按下緊急按鈕時，透過 ZigBee 將訊號發送至電腦端接收並發出簡訊

與廣播提示音，此外電腦端也會顯示老人跌倒或按下緊急按鈕所在房

號，讓照護人員能夠在最短時間內找尋到老人。

圖 3.3、輪椅端系統流程圖

3-2 ZigBee 連線測試

欲測試 ZigBee 是否正常能夠正常傳輸，可透過 X-CTU 這套軟體

來進行測試，如圖 3.4 操作流程(1)所示，步驟一為選取 ZigBee 所使用

的 Com Port，步驟二讓使用者選取所需傳輸鮑率，步驟三測試 ZigBee

是否能夠連接上，若連接成功將會跳出步驟四畫面，連接失敗則如步

驟五所示。

33

圖 3.4、ZigBee 操作流程(1)

如圖 3.5 的操作流程(2)所示，當 ZigBee 連接成功後，透過此流程

讓使用者了解該 ZigBee 的型號及版本資訊。


34

兩顆 ZigBee 之間要能夠互相發送及接收，除了傳輸鮑率需要設定

正確外，如圖 3.6 操作流程(3)所示，兩顆 ZigBee 的 PAN 參數以及發送

端與接收端地址設定也必需相同。


ZigBee成功發送與接收如圖3.7操作流程(4)所示，藍色字代表發送

端資料，紅色端代表接收端資料。


35

3-3 LabVIEW 介紹

LabVIEW 是由美商國家儀器公司所開發的圖形化程式編譯平台，

發明者為傑夫·考度斯基(Jeff Kodosky)，程式最初於 1986 年在蘋果電腦

上發表。LabVIEW 早期是為了儀器自動控制所設計，至今轉變成為一

種逐漸成熟的高階程式語言。圖形化程式與傳統程式語言之不同點在

於程式流程採用"資料流"之概念打破傳統之思維模式，使得程式設計者

在流程圖構思完畢的同時也完成了程式的撰寫，除了圖形化資料流之

外，如圖 3.8 所示，LabVIEW 亦可於單一應用中整合多種程式設計方

法，可讓使用者自由選擇運算式的撰寫工具，以解決多樣的設計難題。

圖 3.8、LabVIEW 設計方法圖[38]

LabVIEW 提供的函式庫包含：訊號擷取、訊號分析、機器視覺、

數值運算、邏輯運算、聲音震動分析、資料儲存...等。目前可支援 Wi

https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E9%82%8F%E8%BC%AF%E9%81%8B%E7%AE%97&action=edit&redlink=1https://zh.wikipedia.org/wiki/Windows

36

ndows、UNIX、Linux、Mac OS 等作業系統[36]。通訊介面方面支援：

GPIB、USB、IEEE1394、MODBUS、串列埠、並行埠、IrDA、TCP、

UDP、Bluetooth、.NET、ActiveX、SMTP...等介面。LabVIEW 開發環

境具有高度的生產力，工程師與科學家可用來設計圖形化程式，此外

還有強大的硬體整合功能，有助於快速設計/佈署量測與控制系統。工

程師可透過這個靈活平台，完成設計以至於測試作業，將小型系統擴

充為大型系統，同時還能重複使用 IP，打造最完美的流程並享有最優

異的效能[34-38]，編輯環境如圖 3.9 所示。

圖 3.9、LabVIEW 編輯環境[38]

https://zh.wikipedia.org/wiki/Windowshttps://zh.wikipedia.org/wiki/UNIXhttps://zh.wikipedia.org/wiki/Linuxhttps://zh.wikipedia.org/wiki/Mac_OShttps://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=GPIB&action=edit&redlink=1https://zh.wikipedia.org/wiki/USBhttps://zh.wikipedia.org/wiki/IEEE1394https://zh.wikipedia.org/wiki/MODBUShttps://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%B2%E5%88%97%E5%9F%A0https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E4%B8%A6%E8%A1%8C%E5%9F%A0&action=edit&redlink=1https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=IrDA&action=edit&redlink=1https://zh.wikipedia.org/wiki/TCPhttps://zh.wikipedia.org/wiki/UDPhttps://zh.wikipedia.org/wiki/Bluetoothhttps://zh.wikipedia.org/wiki/.NEThttps://zh.wikipedia.org/wiki/ActiveXhttps://zh.wikipedia.org/wiki/SMTP

37

四、結果

4-1 荷重元穩定性測試

實驗設計

本專題規劃於安養院內使用，因此在量測系統上需要長時間地進行

運作，所以在本實驗中主要探討荷重元在長時間量測下的穩定性，實

驗方式以砝碼做為重量的基準，實驗一為每個小時所量測到平均數據，

實驗二為每 6 個小時所量測到的平均數據。

實驗一結果

在實驗過程中我們使用 100、200、300、400、500 克重砝碼進行量

測，並於每個小時針對量測到的數據取平均值後記錄下來，紀錄完畢

時將法碼取下做歸零調整，之後再增加法碼重量放上去量測，實驗結

果如圖 4.1 所示。

圖 4.1、荷重元量測數據(一)

106

203

302

405

497

100

200

300

400

500

1 2 3 4 5

砝碼

(g)

量測次數

數據(mv)

38

實驗二結果

實驗二的部分在砝碼重量與量測時間上做些改變，實驗步驟與前次

相同，這次我們使用 200、600、1000、1400、1800克重砝碼進行量測，

以每 6個小時為一個單位進行數據的紀錄，實驗結果如圖 4.2 所示。

圖 4.2、荷重元量測數據(二)

4-2 加速規擺動測試

實驗設計

在這次的實驗中我們想要測試加速規擺動時的變化，實驗方式以加

速規單一個軸向右擺動來進行測試，並透過示波器來觀察擺動前與擺

動後之間的差異。

實驗結果

從圖 4.3 及 4.4 可看出，當加速規向右擺動時會產生一個加速度的

182

587

983

1377

1798

100

400

700

1000

1300

1600

1900

1 2 3 4 5

砝碼

(g)

量測次數

數據(mv)

39

變化量，加速規總共分為 X、Y、Z 軸，本實用使用 X 軸來進行測試，

透過此變化量來判斷老人是否發生跌倒。

圖 4.3、加速規擺動前的波形圖

圖 4.4、加速規向右擺動後的波形圖

40

4-3 資訊顯示介面

實驗設計

資訊顯示介面的實驗方式使用LabVIEW去擷取ZigBee所接收到的

訊號後，在根據我們所規劃的架構去進行功能上的設計，並顯示於人

機介面上。

實驗結果

如圖 4.5 所示，系統透過 LabVIEW 擷取 ZigBee 所接收到的尿袋、

點滴、跌倒偵測、緊急按鈕等訊號後，將擷取到的資訊顯示在人機介

面上，照護人員可透過此介面觀看各病房內的資訊，若有發生任何狀

況時，將會在病患狀況欄位亮起警示燈以及病患資訊欄位顯示哪間病

房患者發生狀況。

圖 4.5、尿袋、點滴、按鈕、跌倒偵測圖

41

4-4 空間定位介面

實驗設計

空間定位介面實驗方式將 3 個 ZigBee 區分為 A、B 病房及輪椅三

等分，首先由輪椅端 ZigBee 送訊號至 A、B 病房 ZigBee 作接收，接收

到訊號後去判斷目前與輪椅端 ZigBee 之間的訊號強度，之後交由

LabVIEW 擷取並針對兩個訊號強度進行比較後，顯示至人機介面上。

實驗結果

實驗結果如圖 4.6 所示，LabVIEW 比較完畢後在人機介面上以綠

燈顯示的方式代表老人目前位於該病房附近，當老人以輪椅作為輔具

而發生狀況時，照護人員便可透過此介面查詢老人目前位於哪間病房

附近。

圖 4.6、空間定位偵測圖

42

4-5 成果圖

圖 4.7、量測系統電路

圖 4.8、尿袋量測圖

43

圖 4.9、空間定位示意圖

44

五、討論與結論

5-1 討論

系統整合完畢並且經過測試後，功能的部分能夠按照當初所規劃的

架構呈現出來，在測試的過程中對於系統的穩定性也發現到一些問題

存在：

(一)、荷重元因搖晃造成量測誤差的問題:在量測尿袋、點滴的過程中

若荷重元受到搖晃的動作，會造成量測到的尿袋、點滴訊號產

生誤差的影響，LabVIEW 的部分也可能因此使量測系統誤判超

過限定值而啟動廣播系統及發送簡訊的動作，所以在量測尿袋

、點滴時必需使荷重元保持在靜止的狀態。

(二)、空間定位因距離關係造成判斷不穩定的問題：當輪椅端上的

ZigBee 接近 A、B 兩個病房 ZigBee 的中間時，由於兩者之間的

訊號強度相近，因此在 LabVIEW 的部分有時會顯示輪椅目前在

A 病房內，而過一下子又顯示輪椅在 B 病房的情形。

45

5-2 結論

針對我國安養照護人員不足的問題，本系統的設計提供一套尿袋、

點滴量測系統並且與 LabVIEW 互相整合再一起，讓照護人員只需透過

護理站電腦端便可觀看各個病房內的尿袋、點滴資訊，另外考慮到老

人因身體機能退化影響比較容易發生跌倒的問題，因此加入了跌倒偵

測的功能，在緊急通報上當量測資訊超過系統預設值或老人發生跌倒

時，立即透過無線廣播系統及簡訊的發送來告知照護人員，最後針對

行動不便而必需坐在輪椅上的老人進行空間定位的判斷，當老人在輪

椅上發生跌倒時，讓照護人員能夠在最短的時間內找到所在的位置，

本論文已達成當初所欲看到的結果，在實驗的過程中碰到的問題，未

來將找尋方法來進行改善，使本系統能夠更加地完善。

46

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[32] “HT66F50 Datasheet”，盛群半導體股份有限公司。

[33] “HT66Fxx Flash MCU 原理與實務—C 語言”，盛群半導體股份

有限公司，2011。

[34] “LabVIEW”，維基百科。

[35] “什麼是 LabVIEW”，美商國家儀器公司。

[36] 林俊宏、韓威如、莊智元，“LabVIEW 硬體介面-DAQ 感測器篇(含

生理感測) ”，高立圖書有限公司，2006。

[37] 賴秋庚、曾炅文，“LabVIEW 環境與介面卡於控制器之設計探討

”，勤益學報第 21 卷第 1 期，國立勤益科技大學，電機工程系。

[38] “NI LabVIEW 的多個程式設計方法”，美商國家儀器公司。

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附錄一電路圖

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附錄二 PCB 電路佈局圖

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