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具有物联网功能之圆孔盖
第十三届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 林照峰教授、李育修、蔡曉美】2019年04月11日 星期四

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本文作者为亚东技术学院 林照峰教授、李育修、蔡晓美、谢成然、李发

@内文


随着全球科技及大数据化来临,各国对於地下道工程却没有进一步的科技化,因此导致工人维修下水道吸入过多沼气而中毒身亡,乃至於地下有很多未知的管路,像是瓦斯管、地下管…等,但发生外漏常常不知道是哪里,因此才发生高雄气爆事件。


如果我们能设计一个能随时侦测监控的硬体,搭配软体,就能提升市民的安全,更可数据化上传云端,并加入雨量侦测,给地方政府做为施政依据,且发挥前瞻性,作为预防灾害的救命利器,让警消或检查人员及民众能办别此一圆孔盖下的状态,倘若在发生状况时,即刻通知危险警示区内的民众进行疏散,避免波及无辜,同时让讯息不易接收地区的居民可透过这套系统亦可用肉眼判断环境安全,争取更多黄金撤离时间。


利用盛群晶片(HT66F70A)做为系统的核心并融合具有物联网功能之圆孔盖概念,搭配上瓦斯感测器(MQ-2)、硫化氢感测器(MQ-136)及雨量感测器,且结合物联网概念透过 Zigbee 来传送所侦测到的资讯到主控端,将资料以大数据云端方式处理;感测端利用太阳能板来进行发电来做为侦测器的电力来源,以达到环境绿能化,并且利用 18650 锂电池作为储存电力的媒介;且利用单晶片控制时间系统(DS3231)定时回传资料,既达到省电模式也保证每个时段的资料是有效的、安全的,而在有异常状况发生时,如瓦斯异常测漏时、大雨不安全时,皆会而回传至主控端,再经由 WiFi 及蓝芽将所有收到的讯息或是警告即时传送至中央及社群中,让附近使用者及地方政府立即收到警示撤离,以防止气爆事件悲剧再次发生。



图1 : 模拟示意图
图1 : 模拟示意图

工作原理

本系统采用 HT66F70A 作为侦测端,感测与雨量感测之主要晶片,在主接收端使用了UART、GPIO、PWM、ADC 等相关功能,主要透过 UART 连接 Zigbee 模组接收由地下各个感测器所回传资料,并利用 MCU 分析计算各项数据後,定时将即时资讯回传主控端,并利用 UART 连接蓝芽模组及 WiFi 模组,再将 MQ-2 及 MQ-136 感测器,相关警告及资料传送至云端分析,而在 LED 的部分利用 GPIO 并配合相对的安全性指标,让一般民众直觉反应该地段是危险的,安全无虞时亦可作为市容美化装置,此外由於地底管线多而危险,工人维修常因未确实将地底沼气抽出而倒致中毒,故我们上下两侧都安装感测器,维修人员仅须透过手机 app 或面板上的 LED 指示灯皆能判读含氧量是否安全,以防悲剧发生。



图2 : 主控版电路图
图2 : 主控版电路图

在主控接收端使用了 ADC、UART 与 I2C 等相关功能,利用 DS3231 时间系统以 I2C 的介面与MCU 进行沟通并定时取得感测端相关数据及记录数据,而收集到的资讯有些许误差与杂讯因此利用程式排除杂讯并转换成方便系统解析的讯息,此外使用了 ESP8266 系统,将数值大数据化,不仅能透过云端方式存取数据,更能在发生灾害时,发送信息至附近民众的手机,通知民众发生灾害尽速远离,更结到 Zigbee 模组可发报中央使当地灾害应变中心可以即时准确地做好应对措施,以防万一。



图3 : 感测端电路板
图3 : 感测端电路板

物理侦测系统

我们主要是利用 MQ-2 瓦斯感测器及 MQ-136 硫化氢感测器来侦测地底情况,当感测器侦测到有瓦斯漏气的情况,就会透过 Zigbee对主控版传输讯号,主控版判断为异常时,主控版会先在 DS3231 暂时存取,并同步发送警示至社群及提醒周遭民众和中央政府,尽速处理及侧离。


图4 : 感测器示意图
图4 : 感测器示意图

图5 : MQ-2 感测器脚位电路图
图5 : MQ-2 感测器脚位电路图

图6 : MQ-136 感测器脚位电路图
图6 : MQ-136 感测器脚位电路图

雨量感测器

在雨量的量测方面使用瞬间注入法,这是目前最方便准确的方式,并且精确度可达0.3mm~0.5mm,倾斗式雨量仪是利用简单的机械原理方式运作,透过从上方孔盖瞬间向下注入方式,利用霍尔效应感测磁铁是否通过感测器前,每当注入发生时磁铁便会通过霍尔感测器(A3144E)一次就计算它的转速,随着雨越多,转得就越快来统计时雨量。


图7 : A3144E 霍尔感测器脚位图
图7 : A3144E 霍尔感测器脚位图

Zigbee 与主控版传递

CC2530 是一颗包含了 8051 及 Zigbee 传输模组的晶片,具有低功耗高效能的特性只需 2.0V~3.6V 便可驱动,且具有 16 个通信通道传输速率可达 250Kbps,此晶片能够有效的整合 SOC 与 Zigbee 之间的线路有利缩小且简单化电路,并且成本低能够有效的降低产品的价格让市场容易接受。


图8 : CC2530 晶片
图8 : CC2530 晶片

时间系统

DS3231 是一颗高精度 I2C即时时钟(RTC),具有集成的温补晶振(TCXO)和晶体。包含电池输入端,断开主电源时仍可保持精确的计时,具有低功耗高效能的特性只需 3.3V~5.5V 便可驱动,且可储存 32K 资料量,透过 IIC 汇流排介面,最高传送速率 400KHz(工作电压为 5V 时),此晶片能够有效的整合 SOC 与 Zigbee 之间的线路有利缩小且简单化电路,并且成本低能够有效的降低产品的价格让市场容易接受。



图9 : DS3231 晶片
图9 : DS3231 晶片

资料处理系统

ESP8266 是一颗高度集成的 晶片,其 ESP8266 串囗 WiFI 模组 (ESP-01) 是 UART (COM PORT) 转 WiFi 模组,具有 AP ( Access Point 网路基地台模式)、STA (Station 工作站模式) 、AP + STA(共存模式),内部具备强大的低公耗 32 位元 CPU 处理和存储功能,这使其可以藉着 GPIO 整合感测器及其他应用的特定设备,既缩短前期开发时间,也最大限度减少运行中系统资源的占用,在待机状态消耗功率少於1.0mW (DTIM3)即为节能。



图10 : ESP8266(ESP-01)晶片
图10 : ESP8266(ESP-01)晶片

第二供电系统

电力的方面利用备用太阳能发电以致资料不应主电源中断而停止运作,并且选用 18650 锂电池作为储存电力的媒介,因此款电池具有高稳定性、储存能量密度高、无记忆效应、外观简单、方便更换等诸多的好处故选择此款电池。


并且搭配 TP4056 充电管理晶片,它具有周边电路简单、充电稳定且精确等优点并且可经由电路设定充电电流大小(0.1A~1A)。且主控端外部断电後自动启用内部备用电源之电路,电路主要功能在当停电或是不可抗力的断电因素下扔可保持接收主控制端正常运作之设计,其设计利用两路继电器作为切换元件,其继电器之控制信号为外部输入电力,当电力输入正常状态下继电器启动,并使用外部电源对整体主控端系统供电并且同时利用充放电模组为电池进行充电,当外部电力中断时继电器控制电力信号随之关闭,并让继电器跳脱至关闭端,随之开始使用电池之电力对整体主控系统进行供电。



图11 : TP4056 电路
图11 : TP4056 电路

作品架构


图12 : 系统方块图
图12 : 系统方块图

主接收端

接收端使用 STM32F103C8 作为主控制晶片并搭配的相关的部件如:CC2530 ZIGBEE 模组、LED 状态灯。


透过 UART 连接 ZIGBEE 模组接收各个感测器所回传资料,而回传的讯息包含相当多的资料因此特别使用一组编码进行传输,资料中”!”为标头紧接着是预先编制好的资料号码接续是”#”为资料开始的标记,随後即是要传输的资料,藉由此方法可传输多笔资料,并且错误率低。


而收到的各项数据交由 MCU 分析计算各项数据,其中因瓦斯浓度及沼气成分致死比例不同,所以透过修正系统,不断比较,并利用 UART连接蓝牙模组再将相关警告及资料传送至手机 APP 中。


(表1)主接收端零件表

元件名称

型号

功能

主控制晶片

STM32F103C8

负责所有的收发

 

 

,并分析回传数

 

 

据并适时利用

 

 

LED 警示,且将

 

 

所有数据纪录传

 

 

ESP8266

ZIGBEE 模组

CC2530

主要所有感测器

 

 

回传资料的传输

 

 

媒介。


地下感测端

接收端使用 HT66F70A 作为所有周边的主控制晶片并搭配的相关的部件如:CC2530 ZIGBEE 模组、蓝牙模组 HC-05、太阳能板、LED状态灯、透过 ADC 修正系统将瓦斯探头 MQ-2 、硫化氢探头 MQ-136 、霍尔感测器 A3144E 感测器进一步修正。


(表2)圆孔盖感测端零件表

元件名称

型号

功能

主控制晶片

HT66F70A

负责与周边感测

 

 

器沟通并转换,

 

 

并将所有资料透

 

 

UART 收发。

ZIGBEE 模组

CC2530

主要所有感测器

 

 

回传资料的传输

 

 

媒介。

蓝芽模组

HC-05

将所有相关资料

 

 

并警讯传送至手

 

 

APP

瓦斯探头

MQ-2

主要负责瓦斯浓

 

 

度侦测。

硫化氢探头

MQ-136

主要负责地下沼

 

 

气浓度侦测。

霍尔感测器

A3144E

利用感测器与安

 

 

装在盖面下的

 

 

G3&4 的雨量计

 

 

磁铁计算次数。

利用 UART 的介面与 HT66F70A 进行沟通并利用ADC 取得 MQ-2 及 MQ-136,PPM 与负载的比例关系计算出每一负载对应转换数据之PPM,得以求出精确值,而流量计霍尔感应器(A3144E)主要利用 GPIO 及 UART 之功能,透过流入的水流带动旋转阀,透过每一次的脉冲信号,计算出频率,以 ADC 方式,再将所产生的数值利用 UART 传送至 ZigBee 模组将资料回传至主控端进行分析。

大数据纪录及传输系统

大数据纪录及传输系统使用主系统端 HT66F70A 作为外挂搭配如:DS3231 以 UART 方式传送资料至云端库、ESP8266 以 I2C 方式定时纪录。


(表3)雨量感测零件表

元件名称

型号

功能

主控制晶片

HT66F70A

负责与周边感测器沟通并转换,并将所有资料透过 UART 收发。

时间模组

DS3231

主要定时纪录地下感测端所回覆的资料,如同黑盒子。

无线 WiFi 系统

ESP8266

负责将资料传入云端储存,当灾害发生主控端判定为是,将启动发送社群推播通知。


流程图


图13 : 软体流程图
图13 : 软体流程图

测试方法

MQ-2 及 MQ-136 感测器

我们将感测器安置在圆孔盖底部,劲儿强化感测,利用高雄气爆事件模拟,地下瓦斯管漏气,将打火机的瓦斯漏出,看手机端是否显示数值及面板上的 LED 指示灯是否由蓝转红。


流量感测器

模拟强降雨及一般状况,将水大量注入圆孔盖,使水流经集水槽,进而透过手机端 app 判断此差异是否准确。


主控端时间纪录及 WiFi 系统

将此系统安装於主控端,让此系统不因断电


或灾害发生时产生数据断线,犹如飞机上的黑盒子,利用 DS3231 的特性,定时存取资料,充


分利用晶片组的高精密时钟特性,将资料记录下来,主控版接收到资讯後会经由 WiFi 系统最新旧堆叠不断更新资料上传监视端,让执政者可以随时掌控都市所有可能会发生的灾害的地方,可以提早预警以免发生无可挽回的悲剧。


此外,透过 WiFi 系统,以内部具备强大的低功耗 32 位元 CPU 处理和存储功能,藉着 GPIO 整合感测器及其他应用的特定设备,既缩


A-21:具有物联网功能之圆孔盖


短前期时间,也发挥最大限度减少运行中系统资源的占用,搭配 DS3231 也定时回传云端机,以双重资料备份模式,发挥本系统强大特性,当灾害发生时,主控版会判断是否为真,如果主控版判断超过警戒值会透过蓝芽对手机 APP提出警告并透过 WiFi 系统作推播,如:Line、FB……等。


附录

图14 : 部分程式码
图14 : 部分程式码

叁考资料

1. 锺启仁,“微处理机实习迈向 AMA 中级先进微控制器应用认证使用 Holtek 8 位元晶片附系统范例光碟(最新版),台科大,2012/05/28。


2. 陈琼兴,“LabVIEW 2010 与 ZigBee 感测电路附多媒体教学光碟”,台科大,2011 年 9


月。


3. 李泰成审校(Razavi),”类比 CMOS 积体电路设计(修订版)(Razavi)” ,沧海图书,


2005。


4. 谢金龙等,“物联网无线传感器网络技术与应用(ZigBee 版)”,人民邮电出版社,


2016/04/01。


5. 孙 棣,ZigBee 开发手册,全华图书,2009/03/04。


6. 陈源林,“HT66Fxx Flash 单片机原理与实践:C 语言篇(附光碟)(简体书)”,北京航空航天大学出版社,2012/04/01。


7. 蔡朝洋、蔡承佑 ,单晶片微电脑 8051/8951 原理与应用(C 语言) ,全华图书,2010/8/20。


8. 曾俊杰,ZigBee 无线网路中减少端到端延迟与延长网路生命期之网路结构优化技术,硕士淡江大学资讯工程学系硕士班,2016。


9. 许乃文撰,以 ZigBee 技术设计一套智慧家庭监测系统,硕士 国立高雄海洋科技大学微电子工程系暨研究所,2016。


10. 陈??旭,地下管线监测系统规划与分析,国立交通大学土木工程 学系,1999。


11. 陈台译、陈伟尧,瓦斯地下管线检测方法,台北科技大学土木与防灾研究所,2003 年10月。


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