TWI458271B - 無線感測裝置與方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種感測器，且特別是有關於一種無線感測裝置與方法。
近幾年，隨著物質生活的提升，人們對於健康問題的意識也漸漸地抬頭。由於大多數民眾對於自己的身體狀態或是環境狀態經常後知後覺，而忽略身體所發出的警訊。因此為了讓一般民眾能夠就近觀察自身的生理狀況，坊間也陸續出現各式各樣的量測器材。如此一來，一般民眾便能夠經由各種量測器材來監視自己體內的生理變化，而能夠即時查覺自身的健康狀況是否已亮起紅燈，進而注意自己的體能以及作適當的調整。
有鑑於此，習知生理訊號感測電路設計主要可分為兩種型式，其一為採用接觸式感測之生理訊號感測器，另一則是採用非接觸式感測之生理訊號感測器。採用接觸式感測之生理訊號感測器大都需要透過接觸人體的方式來進行量測。此架構的電路組成簡單，但使用上需接觸人體，且若需長時間使用時，感測線路會造成使用者感到相當程度的不適。
另外，採用非接觸式感測之生理訊號感測器多半以都卜勒雷達架構為基礎。傳統都卜勒雷達之操作原理為：產生一弦波訊號，經過功率分配器後，其中一路連接至天線，將弦波訊號輻射至人體胸腔位置，因為胸腔的起伏而使弦波訊號頻率產生都卜勒效應，將反射後的訊號與功率分配器輸出端之另一路經由混波器及後續處理後，即可得到生理觀測情形。但上述生理訊號感測器會因為反射波與功率分配器輸出弦波之相位差異可能產生相消干涉，因而產生感測零點在某些特定位置無法進行感測，限制實際的應用，且架構較複雜、耗電量較大及成本昂貴，並容易受到感測距離的變化而產生感測結果不一致的情形。
本發明提供一種無線感測裝置與方法，藉以有效地避免感測零點，並可減少電路元件使用，進而降低製造成本以及功率消耗。
本發明提出一種無線感測裝置，包括天線、壓控振盪器與處理單元。天線接收第一無線訊號並據以產生電訊號，其中第一無線訊號是由待測物反射第二無線訊號而產生。壓控振盪器耦接第一天線，在電訊號的干擾下產生振盪訊號，其中振盪訊號隨電訊號的變動而變化。處理單元耦接壓控振盪器，依據振盪訊號的變化評估待測物的參數。
本發明提出一種無線感測裝置，包括光電轉換器、壓控振盪器與處理單元。光電轉換器接收第一光訊號並據以產生電訊號，其中第一光訊號是由待測物反射第二光訊號而產生。壓控振盪器耦接光電轉換器，在電訊號的干擾下產生振盪訊號，其中振盪訊號隨電訊號的變動而變化。處理單元耦接壓控振盪器，依據振盪訊號的變化評估待測物的參數。
本發明提出一種無線感測裝置，包括天線與壓控振盪器。天線接收第一無線訊號並據以產生電訊號，其中第一無線訊號是由待測物反射第二無線訊號而產生。壓控振盪器耦接天線，在電訊號的干擾下產生振盪訊號，其中振盪訊號隨電訊號的變動而變化，且振盪訊號用以評估待測物的參數。
本發明提出一種無線感測裝置，包括光電轉換器與壓控振盪器。光電轉換器接收第一光訊號並據以產生電訊號，其中第一光訊號是由待測物反射第二光訊號而產生。壓控振盪器耦接光電轉換器，在電訊號的干擾下產生振盪訊號，其中振盪訊號隨電訊號的變動而變化，且振盪訊號用以評估待測物的運動參數。
本發明提出一種無線感測方法，包括下列步驟。透過天線接收第一無線訊號並據以產生電訊號，其中第一無線訊號是由待測物反射第二無線訊號而產生。在電訊號的干擾下，透過壓控振盪器產生振盪訊號，其中振盪訊號隨電訊號的變動而變化，且振盪訊號用以評估待測物的參數。
本發明提出一種無線感測方法，包括下列步驟。透過光電轉換器將所接收的第一光訊號轉換成電訊號，其中第一光訊號是由待測物反射第二光訊號而產生。在電訊號的干擾下，透過壓控振盪器產生振盪訊號，其中振盪訊號隨電訊號的變動而變化，且振盪訊號用以評估待測物的運動參數。
本發明藉由天線接收經由待測物反射第二無線訊號(或第二光訊號)而產生的第一無線訊號(或第一光訊號)，並據以產生電訊號，接著壓控振盪器依據電訊號而產生振盪訊號，並傳送至處理單元進行處理，進而獲得待測物的參數以進行評估。如此一來，本發明可有效地避免感測零點，並可大幅減少電路元件使用，進而可降低製造成本及功率消耗。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1為本發明之一實施例之無線感測裝置的方塊圖。請參照圖1，無線感測裝置100包括天線110、120、壓控振盪器130與處理單元140。天線110(例如接收天線)接收第一無線訊號(例如射頻調變訊號)SRX，並據以產生電訊號SV。壓控振盪器130耦接天線110，在電訊號SV的干擾下產生振盪訊號SO，其中振盪訊號SO會隨電訊號SV的變動而變化。在本實施例中，壓控振盪器130在電訊號SV的干擾下，會啟動自我注入鎖定(self injection lock)作用，以產生振盪訊號SO。
處理單元140耦接壓控振盪器130，依據振盪訊號SO的變化評估上述待測物180的參數。天線120(例如發射天線)耦接壓控振盪器130，接收振盪訊號SO並據以產生第二無線訊號STX至待測物180，使得待測物180會反射第二無線訊號STX而產生第一無線訊號SRX。在本實施例中，待測物180例如為人體，且待測物180的參數例如為心跳、脈搏、呼吸與動作(例如肢體動作)等相關的參數。另外，第一無線訊號SRX的頻率不同於第二無線訊號STX的頻率。
以下，將說明無線感測裝置100的運作。首先，天線120發射第二無線訊號STX至待測物(人體)180，而待測物180會反射第二無線訊號STX而產生第一無線訊號SRX至天線110。在本實施例中，由於人體的呼吸及心跳起伏或脈搏及肢體動作等，所以第二無線訊號STX與相對運動的呼吸及心跳起伏或脈搏及肢體動作就會產生都卜勒效應，因此，藉由人體反射第二無線訊號STX而產生之第一無線訊號SRX具有不同的頻率，且第一無線訊號SRX的頻率也不同於第二無線訊號STX的頻率。接著，天線110接收第一無線訊號SRX並據以產生電訊號SV至壓控振盪器130，而壓控振盪器130會依據電訊號SV而產生振盪訊號SO至處理單元140，並且振盪訊號SO中會具有人體之心跳、呼吸、脈搏或動作等的資訊(亦即待測物180的參數)。之後，處理單元140便會對振盪訊號SO進行處理而獲得人體之心跳、呼吸、脈搏或動作的相關資訊，而使用者便上述資訊來評估自己現在的身體狀況。
如此一來，本實施例的無線感測裝置100不需如同習知生理資訊感測器需要將反射後的訊號與功率分配器輸出端之另一路經由混波器及後續處理，因此可以避免量測零點，並可減少電路的使用、降低系統的複雜度以及功率消耗。
圖2為圖1之無線感測裝置100的詳細電路方塊圖。請參照圖2，無線感測裝置200包括天線210、220、放大器221、222、壓控振盪器230與處理單元240。在本實施例中，天線210(例如接收天線)、220(例如發射天線)與壓控振盪器230的實施方式可參照圖1之天線110、120與壓控振盪器130的說明，故在此不再贅述。
放大器(例如低雜訊放大器)221耦接於天線210與壓控振盪器230之間，用於放大天線210所產生的電訊號SV。放大器(例如功率放大器)222耦接於壓控振盪器230與天線220之間，用以放大壓控振盪器230所產生的振盪訊號SO。
處理單元240包括解調單元250與訊號處理單元260。解調單元250耦接壓控振盪器230，接收振盪訊號SO，並將振盪訊號SO解調為電壓訊號SVO。訊號處理單元260耦接解調單元250，對電壓訊號SVO進行處理，以獲得處理結果以及調整訊號SJ，並將調整訊號SJ傳送至壓控振盪器230，以便調整壓控振盪器230產生之振盪訊號SO的振盪頻率。上述的處理結果即為待測物280的參數(例如人體的心跳、呼吸或脈搏等相關資訊)，因此使用者便可根據上述處理結果而得知自己的身體狀況。
另外，處理單元240還可包括低通濾波器270，低通濾波器270可耦接於解調單元250與訊號處理單元260，以對電壓訊號SVO進行低通濾波，進而濾除電壓訊號SVO中的高頻雜訊。
此外，在本實施例中，解調單元250包括延遲器251與混波器252。延遲器251耦接壓控振盪230，用以延遲振盪訊號SO。混波器252耦接壓控振盪器230與延遲器251，用以將振盪訊號SO與延遲後的振盪訊號SO進行混波，以進行頻率解調，進而產生電壓訊號SVO。
訊號處理單元260包括類比數位轉換器(analog-to-digital converter)261、數位訊號處理器262、數位類比轉換器(digital-to-analog converter)263。類比數位轉換器261耦接解調單元250，用以將電壓訊號SVO進行類比數位轉換，以產生數位訊號SD。數位訊號處理器262耦接類比數位轉換單元261，用以對數位訊號SD進行處理，以產生處理結果(亦即獲得待測物280的參數)。另外，數位訊號處理器262會控制數位調整訊號SDJ，以決定壓控振盪器230的輸出頻率。數位類比轉換器263耦接數位訊號處理器262，用以將數位調整信號SDJ進行數位類比轉換，以產生調整訊號SJ。之後，調整訊號SJ會傳送至壓控振盪器230，以調整壓控振盪器230所產生之振盪訊號SO的振盪頻率。
在上述無線感測裝置100中，天線(發射天線)120耦接壓控振盪器130，且壓控振盪器130耦接天線(接收天線)110，因此，天線120所產生的第二無線訊號STX的頻率會隨第一無線訊號SRX的變動而變化，亦即，第二無線訊號STX的頻率會一直改變，但本發明不限於此。以下，將另舉第二無線訊號STX維持固定頻率的例子。
圖3為本發明之另一實施例之無線感測裝置的方塊圖。請參照圖3，無線訊號感測裝置300包括天線310(例如接收天線)、320(例如發射天線)、壓控振盪器330、340與處理單元350。本實施例之天線310、壓控振盪器330與處理單元350的實施方式可參照圖1之天線110、壓控振盪器130與處理單元140的說明，在此不再贅述。
在本實施例中，壓控振盪器340可產生第二壓控訊號SO2。天線320耦接壓控振盪器340，接收第二壓控訊號SO2，並據以產生第二無線訊號STX至待測物380，使得待測物380反射第二無線訊號STX而產生第一無線訊號SRX。由於天線(發射天線)320依據壓控振盪器340輸出的第二振盪訊號SO2來產生第二無線訊號STX，而不是依據壓控振盪器330輸出的第一振盪訊號SO1來產生第二無線訊號STX，因此，圖3之無線感測裝置300與圖1之無線感測裝置100的差別在於，圖3之第二無線訊號STX可維持固定的頻率，而圖1之第二無線訊號STX的頻率為可變動的。但上述僅為第二無線訊號STX的差異，但圖3之無線感測裝置300的實施方式與所達成的功效仍與圖1之無線感測裝置100相似，故在此不再贅述。
上述圖1、圖2及圖3的實施例是藉由發射無線訊號至待測物，並接收由待測物所反射的無線訊號來感測並評估待測物的參數，但本發明不限於此。以下，另舉一實施例來說明。
圖4為根據本發明之又一實施例之無線感測裝置的方塊圖。請參照圖4，無線感測裝置400包括光產生器410、光電轉換器420、壓控振盪器430與處理單元440。
光源410產生第二光訊號SL2至待測物480，而待測物480會反射第二光訊號SL2而產生第一光訊號SL1。光電轉換器420接收第一光訊號SL1，並據以產生電訊號SV。在另一實施例中，光源410與光電轉換器420可以一模組的方式製作，進而減少電路元件使用。
壓控振盪器430耦接該光電轉換器420，在電訊號SV的干擾下產生振盪訊號SO，其中振盪訊號SO隨電訊號SV的變動而變化。處理單元440耦接壓控振盪器430，依據振盪訊號SO的變化評估待測物480的運動參數(如速度、位移與作動頻率)。
在本實施例中，第二光訊號SL2與待測物480的相對運動也會產生都卜勒效應，因此，藉由待測物480反射第二光訊號SL2而產生之第一光訊號SL1具有不同的波長，且第一光訊號SL1的波長也會不同於第二光訊號SL2的波長。接著，光電轉換器420會將接收到的第一光訊號SL1轉換成電訊號SV，並傳送至壓控振盪器430。之後，壓控振盪器430會依據電訊號SV而產生振盪訊號SO至處理單元440，而此振盪訊號SO中會具有待測物480運動的資訊。之後，處理單元440便會對振盪訊號SO進行處理而獲得待測物480運動的相關資訊。
如此一來，本實施例的無線感測裝置400亦可避免量測零點，且可減少電路元件的使用，進而達成減少製造成本以及功率消耗。
綜上所述，本發明的無線訊號量測裝置為非接觸式感測裝置，利用發射至待測物之第二無線訊號(或第二光訊號)受到呼吸、心跳、脈搏或動作(例如肢體動作)等擾動產生之都卜勒效應，使得待測物反射第二無線訊號(或第二光訊號)而產生的第一無線訊號(或第二光訊號)具有對應於呼吸、心跳、脈搏或動作等之頻率變化，並利用壓控振盪器的自我注入鎖定作用，使壓控振盪器產生受到都卜勒效應的振盪訊號。之後，經由處理單元對振盪訊號進行處理，進而獲得待測物的參數(例如呼吸、心跳、脈搏或動作等相關資訊)以進行評估。如此一來，相較於傳統感測電路來說，本發明可有效地提高感測靈敏度及感測的正確性、可避免感測零點、減少電路元件使用、進而降低系統複雜度及功率損耗。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300、400．．．無線感測裝置
110、120、210、220、310、320．．．天線
130、230、330、340、430．．．壓控振盪器
140、240、350、440．．．處理單元
180、280、380、480．．．待測物
221、222．．．放大器
250．．．解調單元
251．．．延遲器
252．．．混波器
260．．．訊號處理單元
261．．．類比數位轉換器
262．．．數位訊號處理器
263．．．數位類比轉換器
270．．．低通濾波器
SRX．．．第一無線訊號
STX．．．第二無線訊號
SV．．．電訊號
SO．．．振盪訊號
SO1．．．第一振盪訊號
SO2．．．第二振盪訊號
SVO．．．電壓訊號
SD．．．數位訊號
SDJ．．．數位調整訊號
SJ．．．調整訊號
SL1．．．第一光訊號
SL2．．．第二光訊號
圖1為本發明之一實施例之無線感測裝置的方塊圖。
圖2為圖1之無線感測裝置的詳細電路方塊圖。
圖3為本發明之另一實施例之無線感測裝置的方塊圖。
圖4為本發明之又一實施例之無線感測裝置的方塊圖。
100．．．無線感測裝置
110、120．．．天線
130．．．壓控振盪器
140．．．處理單元
180．．．待測物
Claims (11)
- 一種無線感測裝置，包括：一第一天線，接收一第一無線訊號並據以產生一電訊號，其中該第一無線訊號是由一待測物反射一第二無線訊號而產生；一壓控振盪器，耦接該第一天線，在該電訊號的干擾下產生一振盪訊號，其中該振盪訊號隨該電訊號的變動而變化；以及一處理單元，耦接該壓控振盪器，依據該振盪訊號的變化評估該待測物的一參數，其中該處理單元更包括：一解調單元，耦接該壓控振盪器，接收該振盪訊號，並將該振盪訊號解調為一電壓訊號；以及一訊號處理單元，耦接該解調單元，對該電壓訊號進行處理，以獲得一處理結果以及一調整訊號，並將該調整訊號傳送至該壓控振盪器。
- 如申請專利範圍第1項所述之無線感測裝置，其中該第一無線訊號的頻率不同於該第二無線訊號的頻率。
- 如申請專利範圍第1項所述之無線感測裝置，更包括：一第二天線，耦接該壓控振盪器，接收該振盪訊號並據以產生該第二無線信號至該待測物。
- 如申請專利範圍第3項所述之無線感測裝置，更包括：一放大器，耦接於該壓控振盪器與該第二天線之間， 用以放大該振盪訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之無線感測裝置，更包括：一第二壓控振盪器，用以產生第二振盪訊號；以及一第二天線，耦接該第二壓控振盪器，接收該第二振盪訊號並據以產生該第二無線訊號至該待測物。
- 如申請專利範圍第1項所述之無線感測裝置，其中該待測物的參數為心跳、脈搏、呼吸與動作。
- 如申請專利範圍第1項所述之無線感測裝置，其中該解調單元包括：一延遲器，耦接該壓控振盪器，用以延遲該振盪訊號；以及一混波器，耦接該壓控振盪器與該延遲器，用以將該振盪訊號與延遲後的該振盪訊號進行混波，以產生該電壓訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之無線感測裝置，其中該訊號處理單元包括：一類比數位轉換器，耦接該解調單元，用以將該電壓訊號進行類比數位轉換，以產生一數位訊號；一數位訊號處理器，耦接該類比數位轉換單元，用以對該數位訊號進行處理，以產生該處理結果以及一數位調整訊號：一數位類比轉換器，耦接該數位訊號處理器，用以將該數位調整信號進行數位類比轉換，以產生該調整訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之無線感測裝置，更包括：一低通濾波器，耦接於該解調單元與該訊號處理單元之間，用以對電壓訊號進行濾波。
- 如申請專利範圍第1項所述之無線感測裝置，更包括：一放大器，耦接於該第一天線與該壓控震盪器之間，用以放大該電訊號。
- 一種無線感測方法，包括：透過一天線接收一第一無線訊號並據以產生一電訊號，其中該第一無線訊號是由一待測物反射一第二無線訊號而產生；以及在該電訊號的干擾下，透過一壓控振盪器產生一振盪訊號，其中該振盪訊號隨該電訊號的變動而變化，該振盪訊號用以評估該待測物的一參數，其中評估該參數的步驟，更包括：解調該振盪訊號為一電壓訊號；以及對該電壓訊號進行處理，以獲得一處理結果以及一調整訊號，該調整訊號被傳送至該壓控振盪器，而該處理結果為該待測物的該參數。
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