使用 ATtiny1627 Curiosity Nano 簡化動作偵測開發

動作感測的需求在許多工業、商業、居家和嵌入式應用中持續增長。問題在於，動作感測需要昂貴的數位感測器，而這些感測器不容易介接。此外，收到數據後，仍然需要開發演算法來偵測動作，這並非簡單的工作。

有幾種解決方案可以感測動作，但紅外線 (IR) 解決方案最受歡迎。開發人員可以選擇常用於許多獨立式數位感測器的主動解決方案，但費用更高，且實作上更為複雜。另一種方法是利用被動紅外線感測器 (PIR)，成本則較低且介接上更為直覺。PIR 提供一個絕大多數微控制器都可以介接的類比介面。

本文將探討動作感測的基礎知識，然後展示開發人員如何透過連接到 Microchip DM080104 ATtiny 1627 Curiosity Nano 的 PIR 開始進行動作感測。接著會展示複雜演算法開發的替代方案，利用機器學習 (ML) 技術達到動作感測。此外也會提供入門的提示和技巧。

動作感測的基礎知識

有許多感測技術都可以偵測動作，但 IR 最廣泛使用。IR 感測器分為主動與被動。主動感測器含有一個 IR LED 發射器和光電二極體接收器。主動感測器會感測物體反射的紅外線，然後使用接收到的紅外線來偵測對象或物體是否移動。根據應用的不同，主動感測器可能包含多個光電二極體，以查看動作方向。舉例而言，四個光電二極體可偵測哪些 IR 訊號延遲或提前，藉此感測方向動作，如左、右、前、後、上、下。

被動紅外線感測器無法發射 IR，只能接收。PIR 感測器使用相關對象／物體發射的 IR 來偵測其是否存在，以及與其相關的任何動作。例如，住家安全系統通常具備動作感測器，可偵測人類或動物發出的 IR，並判定其是否正在移動穿越其視野範圍。圖 1 顯示類比 PIR 感測器在多種情況下可能偵測到的內容，例如無 IR、有 IR、穩定和離開 (切斷)。

圖 1：PIR 感測器使用對象或物體發出的紅外線來偵測其存在和動作。圖中顯示多種偵測階段：無 IR、有 IR、穩定和離開 (切斷)。(圖片來源：Microchip Technology)

挑選適合應用的紅外線感測器類型時，開發人員需要仔細考量與以下參數相關的權衡：

• 感測器成本
• 封裝
• 微控制器介面
• 偵測演算法和運算能力
• 感測器範圍和能耗

讓我們以一個採用 ATtiny1627 的 PIR 動作偵測系統舉例說明。

ATtiny1627Curiosity Nano 介紹

Microchip Technology 的 ATtiny1627 是一個用於動作感測的有趣微控制器 (MCU) 解決方案。這款 8 位元 MCU 內建 12 位元類比數位轉換器 (ADC)，可超取樣至 17 位元。更含有一個可編程的增益放大器(PGA)，可調節靈敏度。這兩個特點結合後，便可提供適合許多應用的低成本動作偵測系統。

入門時的最佳低成本解決方案就是使用 DM080104 ATtiny1627 Curiosity Nano 開發板(圖 2)。此開發板包含一個 AVR MCU，運行頻率高達 20 MHz，具有 16 KB 快閃記憶體、2 KB SRAM 和 256 位元組 EEPROM。此板件含有一個編程器、LED 和使用者開關。或許最有趣的是，此板的設計可透過排針座輕鬆連接，因此可快速原型設計，或者也可以直接焊接到原型或生產板上。

圖 2：ATtiny1627 Curiosity Nano 內建 8 位元可編程 AVR MCU，運行速度高達 20 MHz，搭配 16 KB 快閃記憶體、2 KB SRAM 和 256 位元組 EEPROM。此開發板可以輕鬆焊接或跳接到更大的基板上，以簡化原型設計和生產系統。(圖片來源：Microchip)

此板還附加一些額外特點，對開發人員有所幫助。首先，具有兩個邏輯分析器通道：DGI 和 GPIO。這些通道可對微控制器進行除錯與管理。其次，開發人員可以運用板載的虛擬 COM 埠 (CDC) 對訊息進行除錯或記錄。最後，還有多項工具可用來編寫和部署軟體。例如，開發人員可以使用 Microchip Studio 7.0 (GCC 編譯器)，或是 MPLAB X，其採用 GCC 或 XC8 編譯器。

Microchip 更支援大約十幾個程式碼儲存，並提供 ATtiny1627 的多個範例。這些程式碼儲存庫中的範例涵蓋 PIR 動作偵測、溫度測量、類比轉換等等。

打造動作偵測測試台

打造動作偵測測試台並且開始運作，其實不難且費用不高。打造測試台所需的元件包括：

• DM080104 ATtiny1627 Curiosity Nano
• AC164162T Curiosity Nano 配接器
• MikroElektronika 的 MIKROE-3339 PIR 感測器

我們已經看了 ATtiny1627 Curiosity Nano。Curiosity Nano 配接器可當作 ATtiny1627 Curiosity Nano 的載板，能快速進行原型設計 (圖 3)。此外，還提供三個擴充插槽供 MIKROE Click 板使用，以及可取用的排針座，可擷取訊號或添加客製化硬體。

圖 3：Curiosity Nano 配接器有三個擴充插槽可供 MIKROE Click 板使用，並搭配排針座，可存取訊號並添加客製化硬體。(圖片來源：Microchip)

最後，MIKROE-3339 PIR 感測器 (如圖 4 所示) 更提供 KEMET 的 PL-N823-01 被動紅外線感測器，採用簡易的可擴充型式，可直接連接 Curiosity Nano 配接器。有個重要的注意事項，若是 MIKROE-3339 要搭配 Microchip 範例使用進行動作偵測，就需要一些修改。這些修改事項位於 Microchip AN3641 應用說明《使用 tinyAVR® 2 系列達到低功率、符合成本效益的 PIR 動作偵測》的第 10 頁。

圖 4：MIKROE-3339 Click 板提供 KEMET PL-N823-01 PIR 感測器，並採用可輕易進行原型開發的型式。(圖片來源：MikroElektronika)

PIR 動作偵測軟體

開發人員有多種選項可用來打造動作偵測用的軟體解決方案。第一個解決方案是使用 AN3641 中由 Microchip 提供的範例素材。範例動作偵測軟體的程式碼儲存庫可在 Github 找到。

應用程式會分幾個階段進行。首先，應用程式會初始化並備妥 PIR 感測器。接著，會使用 ADC 中斷服務常式對 PIR 感測器進行定期取樣。第三，將 ADC 數據平均化。最後則會使用偵測演算法來指出是否偵測到動作。如果偵測到活動，板載 LED 會閃爍，並透過序列埠發送偵測訊號。完整的程式流程如圖 5 所示。

圖 5：此圖表顯示 Microchip 動作偵測應用程式的軟體流程。(圖片來源：Microchip)

動作偵測的第二種選項是利用 Microchip 範例中的初始化和 ADC 中斷常式，但不採用其偵測演算法，而是使用 ML。可以收集 PIR 資料，然後再用來訓練神經網路。ML 模型接著可以利用 TensorFlow Lite for Microcontrollers 轉換成在微控制器上執行，使用具有 8 位元權重的定點數學。

以這種方式使用 ML 的有趣之處在於，開發人員就不需要根據特定需求去設計演算法。反之，可以根據其應用所需的預期條件與使用案例，直接對感測器進行取樣。ML 還可讓開發人員在新資料可用時，快速擴充並調整模型。

使用 ATtiny1627 進行動作感測時的提示與訣竅

對於有興趣開始使用動作偵測的開發人員來說，有很多選項可用。開發人員應記住這些「提示與訣竅」，以簡化並加快開發速度，包括：

• 使用現成的零件打造低成本的原型設計平台。
• 利用 Microchip 的動作偵測範例 (可在 GitHub 上找到)。
• 使用 ATtiny1627 Curiosity Nano 封裝設計原型硬體，並將電路板直接焊接到硬體上，即可簡化初期原型作業。
• 若追求更小、更有效率且最佳化的程式碼，可使用 Microchip 的 XC8 編譯器。
• 在開始動作偵測應用之前，請先閱讀 Microchip 的 AN3641《使用 tinyAVR^® 2 系列達到低功率、符合成本效益的 PIR 動作偵測》。
• 認真考慮將 ML 用於動作偵測演算法。

開發人員若遵循這些「提示與訣竅」，便可在原型設計時省下很多時間與麻煩。

結論

動作偵測逐漸成為許多應用中的常見功能，尤其是當前講究無接觸的情況。開發人員可以運用 PIR 感測器和低成本 MCU，將 BOM 成本降至最低，並且簡化設計。如本文所述，ATtiny1627 是絕佳的開發起點，而且 Microchip 提供豐富的工具和應用說明，有助於開發人員入門。此外，為了將動作偵測的演算法開發作業複雜性降至最低，可以採用 ML。