利用電動車代步的駕駛已成為台灣的交通特色之一。現有機車僅具備左右轉方向燈和警示燈幾種簡單的警示互動方式，因此，對於前方駕駛的方向變換，後方駕駛一般只能依照前車的提示燈進行預測。考量警示訊息不足可能產生的風險，本文介紹一產品設計，讓騎車的駕駛以更多元的方式和後方車輛進行警示互動。
此外，台灣的電動車數量急遽增加，並且因為數量眾多，被偷的機率大幅提升。在市面上雖有許多防盜鎖頭，還是無法抵擋機車被偷的命運。因此，本產品系統除騎車警示功能，也透過藍牙鎖解決機車偷竊問題，為具備智慧警示之互動與防盜藍牙頭盔的產品設計。
產品設計概覽
在物聯網以及各種通訊協定的流行下，汽機車上的互動模式也隨之增加。平常生活中看到的所有用品，只要加上一顆通訊模組(藍牙模組或2.4G無線模組)，各裝置間就可以互相溝通。然而，觀察市面上的電動機車及用戶實際使用情況發現，一般電動機車缺乏與使用者的互動性，因此，本產品設計提出四點升級方向。
1.利用藍牙無線連接至手機應用程式，解鎖電動機車，解決忘記帶鑰匙的問題。
2.利用頭盔上加裝的RFID解鎖電動機車，解決忘記帶手機和鑰匙的問題。
3.運用手機應用程式進行定位，方便找車，也預防電動車遭竊。
4.當電動車減速時，以LED燈條警示後方來車。
在緊湊的日常生活中，出門時忘記帶鑰匙，相信是每個人都有過的經驗；而在茫茫車海中尋找愛車也有如大海撈針，此時，一套完善的尋車與解鎖系統就顯得非常重要。若利用目前手機所具備的藍牙連接功能，以手機作為鑰匙解鎖，便能減少忘記帶鑰匙或遺失鑰匙造成的困擾。此外，若手機沒電，也可利用頭盔中的RFID模組啟動車輛，增加安全性。
機車頭盔內含有加速度感測器的應用也越來越多，透過減速偵測讓方向燈急速快閃發亮，可提醒後方用路人。再者，駕駛者運用SIM7020模組可精準找出機車位置並隨時定位，不論是出借或遺失車輛，該模組皆可派上用場。
產品設計功能性
智慧警示之互動與防盜藍牙頭盔利用HM-17藍牙模組來開鎖/解鎖電動機車， 使用MPU9250來偵測行駛速度，於車輛減速時，亮起頭盔上的警示燈。RFID則安裝於頭盔上，遇到忘記帶鑰匙及手機的情況也能輕易解鎖車輛。此產品設計可透過SIM7020即時取得電動機車位置座標，並顯示於應用程式。
產品設計獨到之處
市面上已有部分品牌使用藍牙鎖，但尚未到普及至每輛電動機車，且市面上藍牙鎖價格較高。因此，本產品設計除了推動藍牙鎖普及之外，在系統中也將頭盔結合RFID，讓車輛除手機外多了一項解鎖工具。此外，本系統增加的減速警示燈可提升駕駛人及後方用路人的行車安全，而SIM7020也將協助改善尋車之不便。
產品設計實用性
本產品設計利用藍牙鎖取代一般的車鎖功能，能夠簡易安全地對電動機車進行上鎖/解鎖。本系統於應用程式整合開鎖/解鎖及定位功能，讓使用者一目瞭然，並結合MPU9250偵測電動機車速度，一旦偵測到車輛減速，將顯示於頭盔後方之警示燈，作為對後方用路人的警示提醒。
工作原理
智慧警示之互動與防盜藍牙頭盔採用盛群(Holtek)HT66F2390晶片作為核心MCU，並使用S I M7020模組、WS2812-B、MPU9250九軸感測器、HM-17藍牙模組與RF I D-R C522模組。產品設計的主要工作原理包含HT66F2390、UART、1-Wire與I2C串列介面。
UART串列介面
UART是一種通用非同步收發傳輸器，將資料在串列通訊與並列通訊間進行傳輸轉換。UART通常用在與其他通訊協定(如EIA RS-232)的連結上。串列傳輸通訊協定的格式內容中，每一個符號由四種資料共11個位元所組成，分為起始位元(Start Bit)、資料內容(Data)及停止位元(Stop Bit)。
如圖1所示，資料透過FIFO(First Input First Output)的方式，由最低有效位元(Least Significant Bit)開始傳輸直至最高有效位元(Most Significant Bit)。透過UART串列介面可以連結和控制窄頻物聯網(NB-IoT)無線通訊模組與藍牙模組。
1 UART資料傳輸格式示意圖
Holtek MCU
本作品運用Holtek MCU為核心，其主要功能主要包含兩大部分。第一部分置於電動或傳統機車，Holtek的HT66F2390 與UART相連，負責讀取收集各個感應器的數據，例如MPU9250和藍牙訊號；第二部分則置於頭盔，由HT66F2390負責接收藍牙訊號，並傳送至頭盔上外掛的WS2812-B模組顯示。
MPU92509軸感測器
MPU9250晶片是一個9軸姿態感測晶片，該感測器透過I2C與MCU相連，可擷取感測晶片組的3軸加速度、3軸角速度與3軸磁力值。其中，從加速度可以得知晶片運動的距離或速度情況。此外，在本產品設計中，如果發現機車在靜止時突然產生角度變化，則會發出警報聲提醒車主確認是否有外人移動車輛。
NB-IoT無線通訊模組
NB-IoT是專為物聯網打造的網路連接技術，屬於長距離通訊技術，具有低成本、低功耗、高覆蓋及多連接的特點，能於極度節省電力的情況下，進行遠距離的資料傳輸。遠距離無線通訊除可避免架設有線管道，其低功耗可保證十年內無須更換電池，也因可與現有的2/3/4G網路共存，降低部署成本。NB-IoT目前普遍應用於智慧家電、智慧路燈、智慧電表、環境監控及物流追蹤等。表1為NB-IoT技術規格表。以下，將介紹NB-IoT的布建方式與工業物聯網平台使用的NB-IoT通訊模組。
使用遠端NB- IoT量測模式時，此NB-IoT無線通訊模組(SIM-7020E)為本系統的主要傳輸模式。產品設計以HT66F2390內建之UART訊號，對SIM- 7020E進行參數設定，將目前電動機車的座標資料上傳至手機應用程式，並將資料顯示於應用程式中。使用者可透過應用程式取得電動車確切位址。
目前業界常用之NB-IoT模組以禾伸堂所推出的SIM-7020E最為成熟。SIM-7020E 為一款具多頻段NB-IoT無線通訊模組，採用42PIN LCC封裝。SIM-7020E擁有豐富的硬體介面，包括UART及通用輸入與輸出(General-purpose Input/Output, GPIO) 等。圖2為使用AT指令控制SIM-7020E的示意圖。
圖2 使用AT指令控制SIM-7020E示意圖
此SIM-7020E的封裝和SIM-800C模組相容，可大幅縮短研發時間，加快產品設計之時程，並可支援PSM和eDRX低功耗模式，理論上兩顆AA電池可使用10年。基於上述特點，本產品設計使用SIM-7020E通訊模組處理NB-IoT訊號。
藍牙模組
藍牙定義為短距離(個人區域網路PAN)中，裝置間低功耗、低成本的相互通訊介面。最初的設計是希望解決RS-232的實體線路與資料同步問題，由愛立信(Ericsson)所提出的一個解決方案，在電腦與手機的周邊裝置連線上大量採用。藍牙4.0最重要的變革是電源效率的提升和網路內支援的節點數量，經由協定演進，可以支援大量藍牙裝置網路連線。
藍牙的拓撲架構可讓每個封包的每次接收皆使用32位元的定址方式。因此，理論上可連線多達數十億個裝置，並針對一對一連線進行優化，同時支援星狀拓撲的一對多連線方式。透過使用快速連線和斷開，資料可以在網狀(Mesh)網路拓撲內轉移，無須維持複雜的Mesh網路。透過該模組，可以實現機車和頭盔上的訊號交換。圖3為本系統所採用的HM-17元件圖。
圖3 HM-17元件圖 (圖片來源：Tasmota)
RFID-RC522
RFID是許多人日常中不可或缺的裝置，常用於大樓門禁、電梯權限控制，很多企業也使用RFID進行出勤管理。其中，RC522是常用的RFID模組，可用簡潔的程式讀取卡片的使用者ID(UID)並和已儲存過的UID進行比對。此產品設計將RFID裝在頭盔上，頭盔觸碰到電動車便可解鎖。
I2C串列介面
內部整合電路(Inter-Integrated Circuit, I2C)是一種串列通訊匯流排，主要應用在board-to-board，其設計無法應用於長距離裝置的通訊。I2C的參考設計使用一個7位元長度的位址空間，但保留了16個位址，因此在一組匯流排最多可和112個節點進行通訊。
常見的I2C匯流排依傳輸速率而有不同的模式：標準模式(100Kbps)及低速模式(10Kbps)，時脈頻率可允許下降至零，這代表可以暫停通訊。新一代的I2C匯流排可以和更多的節點(支援10位元長度的位址空間)以更快的速率進行通訊：快速模式(400Kbps)及高速模式(3.4Mbps)。
產品結構解析
硬體部分
圖4為產品設計之硬體架構圖。本產品設計透過HT66F2390 MCU接收HM-17藍牙模組之感測資料，再由MCU控制電動車鎖，並利用SIM-7020E上網模組，連上NB-IoT進行座標定位。接著，透過MCU發送資料至應用程式查看資料，以MCU作為RFID-RC522與電動車鎖之間的資料傳輸。
圖4 產品設計硬體架構圖
軟體部分
如圖5所示，啟動應用程式之後將進入兩種模式選擇。第一種模式為上鎖/解鎖電動機車。透過應用程式發出指令，並藉由HT66F2390 MCU控制藍牙車鎖，以完成解鎖及開鎖動作。細分其中步驟，即手機APP連接藍牙模組HM-17及SIM7020 發送指令給MCU，MCU再發送給MQTT 和藍牙鎖。
圖5 本作品之軟體流程圖
若選擇第二種尋車模式，SIM7020將發送位址資料至應用程式，透過應用程式顯示，讓使用者清楚電動機車目前定位位置。相關步驟包括手機App透過MQTT接收車子經緯度並顯示於App內的地圖上。
圖6為本系統整體操作流程圖。
圖6 本系統整體操作之流程圖
實際測試說明
使用者可透過應用程式進行車輛開鎖及上鎖。裝置在獲取使用者操作訊息後， 由HT66F2390 MCU接收指令，並控制GPIO開鎖。最後，利用SIM-7020E傳送資料至MCU，並顯示於應用程式上。
如圖7所示，電動機車具體位址顯示於應用程式，利用頭盔上RFID觸碰電動機車車體，即可啟動電動機車。電動機車內裝設MPU9250，偵測電動機車行駛速度，如有減速，則透過MPU發送指令至警示燈。
圖7 尋車畫面
本產品設計可透過頭盔的RFID來解鎖，讓使用者在忘記攜帶手機的情況下仍可透過嵌入RFID的頭盔解鎖騎車。圖8為頭盔外圍所裝配的LED燈條，提供騎車者急煞或是左右轉的基本警示，讓騎車者在夜間騎車時，不僅能保護自己，也保護後面的騎車者。圖9所示為LED燈條的控制模組。
圖8 頭盔警示燈
圖9 裝於頭盔上實體電路
電動車普及率上升 行車安全/防盜不可輕忽
近代隨著科技日益發達，市面上的電動機車也日漸普及，造成不少車禍或是失竊的問題。本文提出的產品設計針對電動機車使用者需求所設計，除可透過應用程式連接藍牙模組啟動電動車，讓使用者輕鬆擁有便宜及安全的電動機車鎖外，也能夠直接透過頭盔解鎖電動機車。
在行駛過程中，系統內加上MPU9250偵測電動機車減速，讓頭盔上的警示燈條閃爍，警示後方駕駛者。此外，應用程式的介面也相當簡潔明瞭，不會因為畫面複雜難懂而讓使用者頭痛，年長使用者也可輕易上手。
(本文作者許永和為國立虎尾科技大學資訊工程系教授；温庭儀/柯宇哲/衣庭磊為該系學生)