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行動機器人結合 RFID 無線傳輸,在戶外也能物聯網

PanSci_96
・2016/03/13 ・1757字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

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文/李允誠 | 台灣數位文化協會

機器人的發明,為人類帶來了許多便利,甚至能代替人力進行許多工作,像是應用最廣的工業用機器人,可以快速、準確的製造產品,但這類機器人通常是固定底座而無法移動。為了能讓機器人應用於更廣大的層面,可四處行走、甚至飛行的行動機器人誕生了

無人機
無人車或無人機在戶外感測必須突破傳輸距離的限制。(圖片來源:IEEE Spectrum)

機器人仍有距離限制

行動機器人透過自身的遙測系統展現了多種能力,藉由它們身上的攝影機、雷達、超聲波、空載光達(LIDAR)等感測器,行動機器人得以探索或是測量周圍環境。然而有許多的情況仍然需要感測設備「直接」和實體物件接觸,這點其實是非常困難且耗時的。

舉例來說,如果我們想在水資源匱乏的環境種植作物,並且希望請行動機器人偵測土壤中的濕氣程度,好確保不會灑下過度或過少的水量,進行最有效率的種植。但若遇到顛頗地形,行動機器人的適應力可能不如人們的雙腳,於是又必須在土壤中佈放好幾個感測器,先偵測濕氣程度,再佈置無線環境,整套機制跑下來其實成本相當不斐,主因在於,佈置無線環境需要大量電力。

新傳輸技術帶來新轉機

RFID(射頻識別)的出現替這個瓶頸帶來了些轉機,因為 RFID 感測器不但便宜,且不需要電力。arXiv 近日的一篇研究提出把距離的高頻 RFID 接收器和行動機器人結合的解決方案。關鍵在於當訊息從土壤中感測器上的 RFID 標籤、傳輸到行動機器人身上的 RFID 接收器,這其中過程被大幅簡化,再也不必建置昂貴的無線環境與設備。只要機器人到達感測器所在區域,便能接收所在區域的 RFID 標籤,不但省了人力,也省了建置無線環境的成本。

研究人員 Jennifer Wang、Erik Schluntz、Brain Otis 和 Travis Deyle 展示了這些行動機器人的能耐:能夠快速移動且迅速讀取區域內的所有 RFID 標籤。相較人工或傳統機器人感測,透過行動機器人進行 RFID 讀取資訊快得多了。

以下影片為RFID簡介:

成本便宜體積小

RFID 標籤由晶片與天線組成。大多數的 RFID 標籤不需要電力供給,它們會在識別過程中透過 RFID 接收器發出的電磁場獲得能量,把數據從標籤上傳送出去。

在大規模生產的情況下,RFID 標籤一個成本不到 0.1 美元,而且還可以無限期運作。相較於其他以藍芽等無線技術為基礎的方式,RFID 建置成本相對便宜,體積也較小,重要的是能夠長期運作。而一套感測系統大約只需 1 美元而已。

當你手上握有了一大堆的 RFID 感測器,該怎麼讓它們運作?在希望獲取資訊的區域,插入結合 RFID 標籤的感測器,一旦佈置完成,只需將個別感測器的 GPS 座標位置記錄下來就好。若要啟動資料蒐集,只要開啟行動機器人(可能是無人機或是遙控車),並在欲偵測的感測器座標範圍上方盤旋,利用行動機器人身上的 RFID 接收器蒐集資料整個範圍內的資訊就到手了。

除了感測標籤外,行動機器人也能用於佈置 RFID 標籤,如此一來連佈置 RFID 標籤的人力都省了,加上這些標籤也不需要基礎設備支持(電池、Wifi 等),人們可以將這些標籤貼任何需要的地方。

技術有了,但離廣泛使用還有段距離

這項技術雖然突破了其他無線傳輸方式的瓶頸,不過也還有頗多自身困難需要克服。例如 RFID 標籤和接受器的距離無法相距過遠,如此一來, GPS 定位系統就必須更準確。無人車在 GPS 自動導航的情況下,能夠蒐集區域內三分之二的標籤資訊;而無人機的表現則沒有無人車來得優異,也無法在沒有人為操控的情況下自行採集資訊。

研究團隊指出,透過 RFID 技術的進步,充電與感測範圍的問題都是能夠被解決的。事實上, RFID 標籤技術早已被使用於部分國家的高速公路,作為收費的一種方式(如台灣的eTag),在不超過速限十英里的的情況下,每台車都能被準確地偵測到。

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許多國內外道路皆取消收費站,改用較為快速的etag。source:wiki

既然無人機與無人車兩種行動機器人都已經能以手動遙控的方式,透過高頻 RFID 接受資料,剩下的問題就只是如何讓整套系統能更實用、提升可行性,以及導航準確度的提升。藉由便宜的晶片、標籤、可擴展性、免基礎設施,這些條件將是物聯網成真的開端。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威
審校:陳妤寧

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從悠遊卡到無障礙聽障服務都靠它!那些你沒想過的電磁感應應用
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2021/01/18 ・2757字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 484 ・五年級

  • 文/雅文基金會聽語科學研究中心 研究助理 蔡宜欣

使用悠遊卡已經是現代台灣人的日常生活習慣,不論是搭乘捷運、公車,或是到超商、合作店家消費,只要將卡片靠近感應器「嗶」一下就能讀卡扣款,既便利又快速。不過,悠遊卡既沒有裝電池也不需要插入讀卡機,為什麼還能傳遞資料呢?

悠遊卡只要靠近感應器「嗶」一下就能搭乘公車、捷運,還能到商店進行消費,非常便利與快速,使用悠遊卡已經是現在台灣人的生活日常。圖/悠遊卡公司

悠遊卡是怎麼辦到的?

西元 1831 年,英國科學家法拉第 (Michael Faraday) 發現,當磁鐵穿過不帶電的線圈中間或線圈經過靜止的磁鐵時,線圈會因為磁場變化而產生感應電流 (induced current) ,且當線圈匝數(圈數)愈多或是移動速度愈快時,產生的電流就會愈強,這樣神奇的「磁生電」現象就稱為電磁感應 (electromagnetic induction) ,也就是悠遊卡使用的原理之一1,2

法拉第發現當磁鐵穿越線圈或是線圈經過靜止的磁鐵時,線圈會因為磁場變化而出現感應電流。
圖/Wikimedia common

悠遊卡使用的無接觸感應技術稱為 RFID(Radio Frequency Identification,無線射頻辨識系統),每張悠遊卡中都有 RFID 標籤 (Tag),雖然標籤本身不會放電,但當它靠近讀卡機 (Reader) 的磁場周圍時會透過電磁感應的原理讓標籤上的線圈產生電流,這個電流便足以供應標籤將資訊傳到讀卡機。

不只是悠遊卡,舉凡感應式信用卡、高速公路電子收費 ETC (Electronic Toll Collection) 、圖書館或商店的防盜裝置、宿舍門禁卡、寵物晶片等也都是使用RFID 的技術呢!

手機 NFC( Near Field Communication,近距離無線通訊)則是 RFID 的延伸版,同樣是使用電磁感應進行運作,差別在於 RFID 屬於單向提供資訊,NFC 則是讓短距離的兩方設備間能雙向交換資訊,過程快速又安全,有了NFC 功能的手機便可以進行我們耳熟能詳的行動支付3-6

電磁感應也能這樣用

家中的電磁爐也是利用電磁感應的原理,電磁爐內部的線圈會不斷交替磁場,間接讓金屬鍋具產生渦電流 (Eddy Current) ,達到電流生熱的效果,便能加熱鍋中的食物7,8。除此之外,電磁感應也可以用於傳遞音訊喔!

想想看,今天到電影院欣賞一場電影,旁邊觀眾討論劇情或偷講電話的干擾是否讓你的理智線快斷裂?對於聽損人士來說,雖然他們的助聽器可以將外部聲音合適的放大,讓聲音訊息變得「清晰」,但當外部聲音訊息是來自於電子設備時(如:小蜜蜂、喇叭、廣播系統),助聽器麥克風會將這些「電子設備處理過的機械音」再次處理後才播放,導致聲音在數次的轉換過程容易「失真」,自然音效品質便容易因此打折,更甭提旁邊可能還有其他觀眾發出的擾人噪音,讓看電影不再是一件浪漫又享受的事情。

這種時候,使用 T 線圈 (Telecoil/T-coil) 就能幫助聽損人士聽得更清晰!多數助聽輔具都有 T 線圈,是透過導線纏繞在鐵氧體 (ferrite) 材質的棒子上所組成的,聽損人士只要在設有聽力/電磁感應線圈系統 (Hearing Loop / induction loop system) 的環境裡開啟「 T 功能」,金屬線圈便會產生交流電,將目標音源訊號接收後直接調整並放大,避免數次的聲音處理,讓使用者聽到清楚又純粹的聲音9,10

T 線圈是一個纏繞在鐵氧體棒上的金屬線圈裝置,內建於多數助聽器裡。圖/hearingloop

T 線圈與藍芽、遠端麥克風系統差在哪?

可以無線傳遞音訊的科技不只有一種,除了 T 線圈之外,助聽輔具也常具備藍芽功能 (Bluetooth) 或可搭配遠端麥克風系統 (Remote Microphone) ,那這三者有什麼不一樣?

藍芽功能雖然便於聽音樂、接聽電話,但會受到距離和特定助聽輔具型號的限制;遠端麥克風系統雖然可以與主講者戴的專屬麥克風連接,但在設備連接的數量及輔具的配對上仍較容易有所限制。

T 線圈則不同,大多數助聽輔具都有這樣的裝置,且感應線圈的設置也可以依照場地需求變更,範圍可以是一個運動球場大,也可以僅環繞在聆聽者周圍(如:設置於地板或椅子上),只要有裝設的地方就可以使用9

比起其他個人化的無線裝置,T 線圈省了逐一配對的步驟,只要在裝設的地點內活動,也不會受到距離所限制,同時在感應範圍內還能多人使用,因此這項科技大多被運用於公共場所,例如國外的車站、教堂、學校、博物館或歌劇院等11,12,讓聽損人士能輕鬆欣賞演奏、導覽或演講而不被雜音或距離所干擾,落實生活無障礙!

T 線圈的標誌提醒聽損人士可以開啟 T 功能來聆聽。
圖/hearingloop

用電磁感應打造無障礙社會

目前台灣在國家兩廳院服務台、國家圖書館教室與演講廳、宜蘭演藝廳都有提供感應線圈的服務13-15,然而國內有提供這項服務的場域仍不常見。特別是在車站、機場或商店等回音很重又吵雜的場所,我們通常得要很仔細聽班機/車次廣播資訊才能依稀辨別,更別說對聽損人士而言這樣的困擾會更加倍增;若在這個時候可以有T功能可以使用,相信他們就能更輕鬆的聽到廣播。

英國地鐵的 T 線圈服務,讓聽損人士可以輕鬆聽到廣播訊息,降低因環境吵雜而產生的焦慮感。
圖/AV Magazine

從每天都在使用的悠遊卡、行動支付、電磁爐到聽覺無障礙設施,在生活上的電磁感應應用可能比你想得還多,這些發現與發明提升了我們的生活品質,讓生活更加便利。今天通勤的路上也可再仔細觀察看看,還有哪些產品或服務是使用電磁感應呢?

參考資料

  1. 【基礎】電磁感應
  2. 麥可‧法拉第
  3. RFID 與 NFC 技術有什麼不同?
  4. 從悠遊卡到 Apple Pay:漫談 RFID 與 NFC 技術
  5. https://kknews.cc/zh-tw/tech/6k9xyxl.html
  6. RFID原理與應用
  7. 電磁爐 (Electric Oven)
  8. 電磁爐
  9. T-Coils: Getting The Most Out Of Your Hearing Aid
  10. Harvey Dillon(2019). 助听器:第二版(胡向阳)。北京:华夏出版社(原著於2012出版)
  11. How New York City Hears People With Hearing Loss
  12. Hearing Loop
  13. 雅文基金會臉書
  14. 無障礙服務|國家兩廳院
  15. 國立臺灣圖書館——聽障服務
雅文兒童聽語文教基金會_96
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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務,近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育,並普及聽力保健知識,期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子,替聽損者營造更加友善的環境。