TWM463957U

TWM463957U - 混合模組系統

Info

Publication number: TWM463957U
Application number: TW102208416U
Authority: TW
Inventors: Chun-Nan Li
Original assignee: Ya Technology Co Ltd
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2013-10-21

Description

混合模組系統

本創作係一種混合模組系統，由於採取在同一塊PCB電路板上，同時整合WiFi、藍牙和ZigBee三種傳輸信號的模組設計，並利用分時多工存取(TDMA)的方式以避免三種無線訊號間的相互干擾，並可藉由RF開關控制無線信號的切換，達到滿足物聯網和嵌入式應用對於模組尺寸與功耗的要求。

根據維基(Wiki)對物聯網(Internet of Things)的定義，是指將無處不在(Ubiquitous)的終端設備和設施，包括具備「內在智慧」的感測器、移動終端、工業系統、樓控系統、家庭智能設施、視頻監控系統等、和「外在使能」(Enabled)的，如貼上RFID的各種資產、攜帶無線終端的個人與車輛等等，通過各種無線和/或有線的長距離和/或短距離通訊網路實現互聯互通(M2M)以及基於雲計算的SaaS(Software as a Service)營運等模式，在內網(Intranet)、專網(Extranet)、和/或網際網路(Internet)環境下，採用適當的資訊安全保障機制，提供安全可控乃至個性化的實時在線監測、定位追溯、報警聯動、調度指揮、預案管理、遠程式控制制、安全防範、遠程維修、在線升級、統計報表、決策支援等管理和服務功能。同時國際電信聯盟(ITU)Study Group 13(SG 13)也發布物聯網標準ITU-T Y.2060及ITU-T Y.2061，提出以機器為導向的下一代通訊應用網路必備的功能性要求，並針對NGN網路環境，必須透過擴增網路和裝置能力以提供以機器為導向(MOC)的應用。

物聯網從應用上大致可以定義成3層架構，分別為感測層、網路層與應用層，其中感測層是用來識別、感測與控制末端物體的各種狀態，透過感測網路將資訊蒐集並傳遞至網路層，網路層則是為了將感測資訊傳遞至應用層的應用系統，應用層則是結合各種資料分析技術，以及子系統重新整合，來滿足企業不同的業務需求。目前物聯網的感測區域網路負責傳送終端裝置的感測數據，隨著無線網路的頻寬與穩定度提升，大致皆採用低頻寬、低功耗與容易擴充感測節點等特性的ZigBee、藍牙與Wi-Fi等所構建的無線網路或信號傳送。

IEEE 802.11標準定義了在一無線區域網路(Wireless Local Area Network，WLAN)中的傳輸，而藍牙標準通常使用在短距離內的點對點傳輸。二合一裝置整合WLAN和藍芽傳輸功能至單一裝置，在市場上也已被提出多時，在運作時，該二合一晶片具有經由WLAN頻道或藍牙頻道收發信號的能力。然而，在傳統具有多合一晶片組的無線通訊系統中，一藍牙模組和一WiFi模組是使用不同的天線，不僅對應的電路系統相當複雜，且使用兩組天線將無法獲得天線分集的好處。

根據IEEE802.15.4工作組定義了一種便宜且低複雜度、低成本和低功耗的低速率無線連接技術，因此ZigBee聯盟在制定ZigBee標準時，採用了IEEE802.15.4作為其物理層和媒體接入層規範。ZigBee是一種近距離、低複雜度、低功耗、低資料速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合於自動控制、傳感、監控和遠端控制等領域，可以嵌入各種設備中，同時支援地理定位功能。在ZigBee和藍牙的關係上，ZigBee聯盟認為ZigBee和藍牙是互為補充，因為ZigBee的系統複雜性與需要的系統資源要遠小於藍牙的系統複雜性，因此ZigBee適合於低功耗、低資料速率的監視、傳感網路，而藍牙則適合於較高資料數率的應用，如語音和資料傳輸。相對於WiFi而言，由於漫遊、切換、安全、干擾以及傳輸速率等方面的限制，如果要實現真正無所不在的物聯網，更為重要的是在網路層實現統一穩定的資料傳輸，而WiFi正是無線寬頻接入網路的一種重要形態，可以實現局部區域內的高速無線連接。因此，對於物聯網與嵌入式應用在WiFi、藍牙和ZigBee三種無線通信傳輸功能時，各有其不同的需求與應用。

如中華民國專利證書號M450170揭露一種智慧聯網系統，係由至少一個可攜式路由器，至少一個內含藍牙4.0以上通訊功能LED電燈網路、WiFi、與雲端所構成。該路由器至少具有藍牙4.0以上通訊與WiFi通訊功能，用戶藉由該路由器掃描其所在處附近的LED電燈上的藍牙辨識碼以及其接收訊號強度指標(RSSI)值，並且透過WiFi將這些資料送到附近的閘道器或是雲端，然後雲端就會將所計算出來的定位資訊或知識。在此設計中由於採用WiFi與藍牙共處的路由器，其中兩者間的共存(Co-existence)將造成傳輸信號干擾的問題，同時在室內定位上，由於WiFi本身即有獨有的媒體存取控制位址(Media Access Control Address，MAC Address)是用來定義網路設備的位置，在OSI(Open Systems Interconnection)模型中，第三層網路層負責IP位址，第二層資料鏈結層則負責MAC位址，每個WiFi裝置會有一個IP位址，而每個網路位置會有一個專屬的MAC位址，安裝架設時配合每個WiFi路由器的實際位置即可達到物聯網終端裝置的定位功能。

如中華民國專利證書號M435108揭露一種媒體分享系統，包含一媒體資料接收模組及一媒體資料分享模組。該媒體資料分享模組包括一可透過WiFi無線網路傳送媒體資料的資料傳送裝置，及一可被遙控對資料傳送裝置發射IR(紅外線)訊號的IR轉發裝置。該媒體資料接收模組包括一無線接收輸出該媒體資料的資料接收裝置，與一遙控該IR轉發裝置發送IR訊號的IR傳送裝置。透過媒體資料分享模組與媒體資料接收模組可透過WiFi無線網路進行媒體資料的分享，且可透過無線射頻模式遠端遙控發送IR訊號的設計，方便將一媒體讀取裝置的媒體資料分享給遠端的媒體輸出裝置進行同步輸出，與遠端遙控該媒體讀取裝置。在此設計中採用IR的傳遞速率雖快，但因容易受室內溫度的變化而改變傳遞品質，再加上IR受到溫度的影響變化較大，所以傳輸頻寬容易因為環境或其他紅外線裝置而受到限制，再在加上紅外線的穿透度不高，易被障礙物所阻擋，所以一般較適合用於短傳輸距離。

如中華民國專利證書號TW201216191 A1揭露一種物聯網與整合通訊之整合系統，說明物聯網係為一種藉由網路系統與裝設在各類真實物件上的射頻識別(RFID)標籤及/或感測器相連結，從而實現供使用者實現與物件進行溝通，或者實現物件與物件間之溝通，以讓物件具備智慧化控制或反應的技術。

由於物聯網係歸類在物件至物件(Machine to Machine，M2M)或者端點至物件(Peer to Machine，P2M)之技術領域中，故現行物聯網的相關技術發展中，多為開發各自獨立的系統介面的階段，而各自獨立的系統介面即意謂著當使用者欲同時使用物聯網與整合通訊技術時，必須同時啟動最少兩個各自獨立運作的系統模組，不但操作不便，也相當容易導致能源的浪費。

針對以往專利的內容，為解決上述習知技術的種種問題，設計一種多功能的無線通訊模組，以滿足物聯網應用於各種不同的環境，包含無線組網、低功耗、傳輸速率快、成本低、不易受環境影響傳輸品質等因素，實為一值得研究的課題。

本專利之主要目的係在於現有的內置模組在集成WiFi、藍牙和ZigBee三種通信功能時，都是利用獨立設計各自的模組，但是隨著WiFi在網路層擔任組網的主要功能時，將更有可能採用802.11n多重輸入多個輸出(MIMO)的技術，使用多個發送器和接收器傳送更多的資料，此時將可能至少要使用三根甚至更多的天線。由於各個模組都獨立運作，三個模組有可能同時使用2.4G頻段進行發射與接收，將可能造成相互間的干擾，進而影響通訊品質，並會導致功耗增加。因此本專利提出一種低功耗嵌入式三合一(WiFi、藍牙、ZigBee)混合模組系統，並採用on board板載天線的方式，尤其是針對物聯網和嵌入式領域所需整合多種通信功能的應用，以降低設計成本與設計週期。

本專利係利用RF開關的控制電壓的高與低做為選擇WiFi 模組、藍牙模組與ZigBee模組信號的傳送，以執行WiFi模組傳送/接收一WiFi的信號，或供藍牙模組傳送/接收一藍牙的信號，或供ZigBee模組傳送/接收一ZigBee的信號。混合模組系統的架構共由USB集線器(USB HUB)、WiFi模組、藍牙模組、ZigBee模組、RF開關(RF Switch)、三線控制介面(3 Wire Control Bus Interface)及控制電阻和天線所組成，其中USB集線器是一個讓多個USB設備連接到某個主機上的一個USB介面或另一個USB集線器上某個介面的裝置，應用上採取抗干擾能力強的分時多工存取(TDMA)方式以避免三種無線訊號間的相互干擾，同時擁有頻率利用率提高與電路較簡單的優點，並可藉由RF開關做為控制無線信號的切換。由於在物聯網的應用環境中，其特性需求為無線組網、低功耗、傳輸速率快與成本低等條件，故操作上為避免WiFi模組、藍牙模組、ZigBee模組相互干擾，系統利用時槽(Time Slot)的概念，將時間切割頻道，即在一段時間內，傳輸信號可以採用WiFi、藍牙或ZigBee其中一種的方式進行數據的傳送，而在傳送完封包後，即立即釋放傳輸通道。

上文已經概略地敍述本專利的技術特徵，其所屬技術領域中具有通常知識者應可瞭解，下文揭示之概念與特定實施例可作為基礎且相當輕易地予以修改，或設計其它結構以實現與本專利相同之目的，這類等效的建構並無法脫離後附之申請專利範圍所提出之本專利的精神和範圍。

31‧‧‧WiFi傳送/接收(Tx/Rx)埠

41‧‧‧藍牙傳送/接收(Tx/Rx)埠

51‧‧‧ZigBee傳送/接收(Tx/Rx)埠

81‧‧‧USB介面

101‧‧‧三線控制介面

102‧‧‧USB集線器

103‧‧‧WiFi模組

104‧‧‧藍牙模組

105‧‧‧ZigBee模組

106‧‧‧RF開關

107‧‧‧天線

108‧‧‧主機系統

201‧‧‧控制電阻R1

202‧‧‧控制電阻R2

203‧‧‧控制電阻R3

204‧‧‧控制電阻R4

205‧‧‧控制電阻R5

206‧‧‧控制電阻R6

301‧‧‧GPIO控制線電壓

302‧‧‧GPIO控制線電壓

303‧‧‧GPIO控制線電壓

801‧‧‧GPIO 1口

802‧‧‧GPIO 2口

803‧‧‧GPIO 3口

第1圖混合模組系統架構圖

第2圖混合模組系統運作流程圖

如圖一所示混合模組系統架構圖，此架構主要是由一三線控制介面(3 Wire Control Bus Interface)(101)、一USB集線器(USB HUB)模組(102)、一WiFi模組(103)、一藍牙模組(104)、一ZigBee模組(105)、一RF開關(RF Switch)(106)、一天線(107)、一主機系統(Host)(108)、一控制電阻R1(201)、一控制電阻R2(202)、一控制電阻R3(203)、一控制電阻R4(204)、一控制電阻R5(205)與一控制電阻R6(206)所組成；其中三線控制介面(101)是藉由GPIO設定電壓的高(Hi)或低(Low)對RF開關(106)進行控制，做為決定WiFi模組(103)、藍牙模組(104)與ZigBee模組(105)中，選擇某一個射頻信號鏈路會連接至天線(107)；USB集線器(102)是一個讓多個USB設備連接到某個主機上的一個USB介面，或連接到另一個USB集線器上某個介面的裝置，實際應用上系統採取具有抗干擾能力增強、頻率利用率有所提高與電路較簡單的優點的分時多工存取(TDMA)的方式，以避免三種2.4GHz的WiFi模組(103)、藍牙模組(104)、ZigBee模組(105)無線訊號間的相互干擾，並可藉由RF開關(106)去控制無線信號的切換。由於在互聯網的應用環境中，其特性需求為無線組網、低功耗、傳輸速率快、傳輸數據量低與成本低等，故操作上為避免WiFi模組(103)、藍牙模組(104)、ZigBee模組(105)相互干擾，系統係利用時槽(Time Slot)的概念用時間切割頻道，即在一段時間內，傳輸信號可以採用WiFi、藍牙或ZigBee其中一種的方式進行數據的傳送，而在傳送完封包後，即立即釋放傳輸鏈路。根據本發明一實施例，WiFi模組(103)、藍牙模組(104)與ZigBee模組(105)皆為一傳送一接收(One Transmission One Receiving，1T1R)模組，天線(107)係設計成工作於2.4GHz頻率範圍之板載天線，以供該WiFi模組(103)傳送/接收(Tx/Rx)WiFi信號、藍牙模組(104)傳送/接收(Tx/Rx)藍牙信號和供該ZigBee模組(105)傳送/接收(Tx/Rx)ZigBee信號；RF開關(106)連接於天線(107)與WiFi模組(103)、藍牙模組(104)與ZigBee模組(105)之間，此RF開關(106)由GPIO控制線電壓(301)、GPIO控制線電壓(302)和GPIO控制線電壓(303)所控制，以供WiFi模組(103)傳送/接收(Tx/Rx)埠(31)選擇一信號路徑而經由該天線(107)傳送/接收WiFi信號、藍牙模組(104)傳送/接收(Tx/Rx)埠(41)選擇一信號路徑而經由該天線(107)傳送/接收藍牙信號、與ZigBee模組(105)傳送/接收(Tx/Rx)埠(51)選擇一信號路徑而經由該天線(107)傳送/接收ZigBee信號。換言之，根據經由GPIO控制線電壓(301)、(302)、(303)控制送給RF開關(106)的信號，此RF開關(106)連接該天線(107)至傳送/接收(Tx/Rx)埠(31)、埠(41)與埠(51)，由於每次僅能有一模組能予工作，所以WiFi模組(103)、藍牙模組(104)與ZigBee模組(105)之間的介面可以減少，並可以在此三種模組之間達成良好的隔離效果；控制電阻R1~R6(201~206)係作為串聯於電路作限流與分壓及壓降之目的。另外，當使用主機系統(108)GPIO 1口(8 01)、GPIO 2口(802)與GPIO 3口(803)控制時，三線控制介面(101)將連通此三根信號線，而當外部主機系統(108)沒有控制信號線接入時，則此三根信號線將藉由電阻R1~R3(201~203)連接至WiFi模組(103)內置的GPIO口，亦即本系統之設計係可因應實際應用之需要，提供可同時由主機系統(108)與WiFi模組(103)的GPIO口二擇一的方式，做為RF開關(106)的選擇控制(如下表所示)，如果是由主機系統(108)提供USB介面(81)和三個GPIO口控制信號線(801~803)時，系統上的控制電阻R1~R3則不上件(NI)，另一種方式如果是主機只提供USB介面(81)而沒有GPIO口時，則可改由WiFi模組(103)的內置GPIO口控制信號線(801~803)的電壓水平，但此時系統上的控制電阻R4~R6則不上件(NI)。此外，GPIO是通用型之輸入輸出(General Purpose I/O)的簡稱，我們可以由接腳端(Pin)利用程式控制使用，接腳依實際考量可作為通用輸入(GPI)或通用輸出(GPO)或通用輸入與輸出(GPIO)的使用；例如當GPIO控制線電壓(301)為Hi時，此時RF開關(106)將控制供WiFi模組(103)傳送/接收(Tx/Rx)埠(31)，選擇一信號鏈路並經由該天線(107)傳送/接收WiFi信號(其餘藍牙與ZigBee的運作情況當以此類推不再贅述。

如圖二所示混合模組系統運作流程圖，當主機(108)啟動後，主機將執行系統的驅動程式，而一WiFi模組(103)、一藍牙模組(104)、一ZigBee模組(105)在天線共用上採用分時多功存取的方式工作，並由驅動程式確定三個模組在分時使用天線(107)的規則：第一步：在主機端系統啟動完畢後，執行此模組系統的驅動程式；第二步：驅動程式依據當前主機需求判斷要進入何種通信方式，並通過控制RF開關(107)切換天線的鏈接；第三步：依據進入的通信方式使能相對應的通信模組；第四步：在提供對應通信服務的同時，查詢是否有更換通信方式或者停止工作的指令，若無任何新的指令則繼續提供對應的通信服務；若有新的指令要求更換通信方式，則關閉當前通信方式，重新判斷要啟動的通信方式，並使能(Enable)相關通信模組；若有指令要求停止工作時，則停止原有模組的運作。例如，當系統一開始選擇以藍牙提供無線傳輸功能時，系統即會令GPIO控制線電壓(301)為Hi，此時藍牙模組(104)傳送/接收(Tx/Rx)埠(41)將會經由天線(107)傳送/接收藍牙信號，之後系統會確認是否要更換通信工作方式，或是選擇停止工作，此時將有三種可能的狀況：第一是結束現有無線訊號的傳遞；第二是更換新的無線傳遞方式，改由WiFi模組或是ZigBee模組工作；第三則是維持現有藍牙的運作狀態(由於WiFi和ZigBee的運作情況相類似故不再贅述)。