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第九屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽─藍色家電綠色智慧生活
 

【作者: 林振漢教授、姚凱文等】   2015年11月11日 星期三

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藍色家電是融合IT技術的新型家用電器,也是在傳統家電基礎上,提升其性能,成為更強大的新一代電器。一般說法是:只要能夠與網際網路相連結的家電產品,都可以稱為藍色家電。因此藍色家電產品種類很多,有網路電冰箱、網路洗衣機,網路電視、還有通訊功能的手持行動裝置,如智慧型手機、平板電腦,筆記型電腦等。藍色家電的應用,涵蓋領域相當廣泛,主要以滿足家庭生活四大需求:資訊取得、娛樂休閑、通信溝通和家庭自動化。展望未來,藍色家電勢必將逐漸成為未來家電市場的主角,提供人們更便捷的數位生活機能。


目前市場上藍色家電仍在萌芽階段,相關標準仍在整合中,真正販售產品仍不普及,且集中在少數高單價且功能較複雜家電產品。一般家庭使用機會少,尤其是低價且使用量多的家電產品,短期內要全面改裝設計成藍色家電,有其困難度。一般家庭接觸機會少,導致一般民眾要接受度不高,藍色家電要全面推廣與普及化,仍有很長的路要走。


藍色家電連上網路的方案很多,目前常見的Ethernet、Wi-Fi或ZigBee網路,都可連接到Internet。由於家電大多配置在家庭或辦公室中,且節點眾多,Ethernet以有線方式配置,家電多一條網路線並不適合。Wi-Fi與ZigBee都採用無線方式上網,且多點配置容易,目前Wi-Fi又比ZigBee網路更為普及,因此Wi-Fi上網應該是藍色家電的首選。此外,家電分佈在家庭的各個房間,如何整合上網,也是一個大問題。G.hn是最新一代的電力線通訊規格標準,將可解決智慧家庭連網的問題。The Sigma Designs 推出的G.hn CG5200HEP series的智慧家庭連網模組,可提供藍色家電在不同房間與空間的連網管道,強化藍色家電上網功能。


現在人幾乎人手一支智慧型手機,而且隨著智慧手機的不斷演進,擁有的功能越來越豐富。如何讓智慧型手機與藍色家電結合,也是現今熱門的研究主題。藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy, BLE)是最新推出的藍牙4.0技術,提供智慧型手機與其他裝置更便利的互動,若能引進藍色家電領域,相信延伸出更多智慧型手機與家電之間互動的功能。例如以智慧型手機取代家電的紅外線遙控器。


近年來環保意識抬頭,綠色節能已成為普世的價值。如何運用現代先進科技,提出綠色節能的解決方案,已經成為大家努力的目標。一般家電的單一耗電量的比重雖然不大,但數量龐大且使用頻繁,若能適當節約控制使用,可省下的電能也相當可觀。近年來政府大力推動智慧電網(Smart grid),通過智慧電表(Smart meter),隨時監測電力使用的狀況,或調整家電及企業用戶的耗電量,將可降低損耗,達到節約能源的目的。因此藍色家電若能內建智慧電表,透過上網功能,便能成為智慧電網的一環,除提供便捷的家庭自動化功能外,還可成為具有綠色節能概念的藍色家電。


基於上述市場考量,本作品先從通用型外掛式藍色家電模組著手,只要一般家電使用電源插頭插上藍色家電模組,即可升級為具有網路遠端監控能力的藍色家電。因此很容易讓目前各種電器產品升級為藍色家電。當一般家庭有更多機會接觸藍色家電,建立一般民眾使用概念與熟悉操作技巧後,一般家電製造商就可以認真考慮,將成熟的外掛式藍色家電模組,直接內建到家電內部。屆時,市場將有龐大需求,藍色家電普及化,指日可待。


盛群半導體的HT66FU50晶片是快閃記憶體A/D型8位高性能RISC架構微控制器。內建的UART模組功能,是支援資料通信網路之間的低成本微控制器。家電上網並與智慧型手機連線功能,就可透過UART模組連接目前常用的BLE模組做通訊傳輸,可做成具上網功能的家電設備。此外,HT66FU50晶片的多通道12位A/D轉換器和雙通道比較器功能,可提供霍爾元件偵測家電耗電量,提供家電具有智慧電表功能。因此HT66FU50晶片很適合用來開發具有綠色節能概念的藍色家電。


本作品使用HT66FU50晶片結合BLE/IR技術、智慧電表概念,製作外掛式藍色家電模組,提供目前一般家電,透過BLE、Wi-Fi網路、紅外線遙控技術,G.hn,整合到物聯網上,成為行動監控與智慧電網的一環,提供具有居家節能監控與舒適便利功能的智慧生活。作品規劃構想如圖1。



圖1 : 作品規劃構想圖
圖1 : 作品規劃構想圖

藍色家電具體實現綠色居家節能監控與舒適便利功能的智慧生活功能如下:


(1)使用者透過智慧型手機/平板等行動裝置,以藍牙無線傳輸方式,無所不在的開關家電,並取代紅外線遙控器設定與調變家電功能,提供人們更為便捷的智慧生活。


(2)藍色家電的智慧電表功能,協助使用者隨時掌握家電用電狀況,提醒用戶節能。


(3)提供藍色家電節電管理功能,例如排程功能:在指定時間開啟/關閉或改變家電的使用模式。在契約容量的監控上,對過量用電做自動卸載功能,提供一個具有環保節能概念的居家環境。


(4)藍色家電搭配環境感測裝置(如溫、濕、光感測器),預設最佳環境溫濕度狀態,自動調節空調與照明家電電源。提供更優質的居住環境品質。


家庭自動化與家電的遠端監控的研究相當多,但使用BLE與G.hn並結合智慧型手機的相關技術與研究,仍是一塊有待開發的領域。智慧型手機取代紅外線遙控器的運用,目前仍少見,相信未來的藍色家電,一定會往此方向發展。我們想將此概念與技術導入藍色家電,創造新的價值與應用,相信可以將藍色家電賦予綠色節能的新概念。


工作原理

本作品使用嵌入式晶片與介面技術、BLE藍牙通訊、紅外線遙控(IR)與智慧電表技術,研發外掛式藍色家電模組的硬體電路與韌體程式。將目前常見的家電透過電源插座或紅外線遙控訊號,連接外掛式藍色家電模組,將一般家電提升到準藍色家電的位階。透過BLE與智慧手機、並運用G.hn智慧家庭連網模組,整合到物聯網上,成為行動監控與智慧電網的一環。藍色家電工作原理如圖2,功能說明如下:


(1)使用HT66FU50晶片,連接BLE模組BM79BLEDKMC2與霍爾元件ACS712,製作一款具有藍牙無線傳輸與智慧電表功能的外掛插座型模組,提供目前一般家電透過電源插座連接,使其具有藍色家電功能。


(2)針對具有紅外線功能的家用電器,內建紅外線遙控功能的外掛無線轉換模組,提供目前一般紅外線搖控家電使用。


(3)藍色家電可使用具有藍牙4.0智慧型手機,透過App程式,可直接開關家電,可調控紅外線家電。家電開關狀態耗電量可直接上傳到手機上。


(4)手機可將開關狀態與耗電量透過G.hn 智慧家庭連網模組(CG5200HEP),連接到雲端伺服機做節能監控。



圖2 : BLE藍色家電工作原理
圖2 : BLE藍色家電工作原理

以下簡單摘要介紹本作品使用的HT66FU50晶片BLE技術與模組晶片、智慧電表功能與ACS712-霍爾元件、G.hn 智慧家庭連網模組(CG5200HEP)。


1.HT66FU50晶片

HT66FU50單晶片是一款「A/D型具有8 位元高性能精簡指令集的Flash 單晶片」,其 Flash 記憶體可重覆多次線上燒錄。這款單晶片包含一個多通道 12 位 A/D 轉換器和雙比較器功能。HT66FU50具有高抗雜訊、具備省電模式與喚醒功能,低功率耗電、價格便宜…等功能與特性。HT66F50單晶片內建完整的SPI、I2C與UART功能,為設計者提供了一個易與外部硬體通信的介面。可應用在一般消費電子上。本作品的感測器需要用到各種介面,可充份利用HT66FU50晶片的功能特性。


2.BLE技術與模組晶片

藍牙技術聯盟最新推出主打低功耗4.0版本,目前已有相關產品上市,是一項低功耗無線通信技術的國際標準。在藍牙4.0規格中有效傳輸距離可明顯提升至最高約60公尺。製造商可以自行根據產品屬性調整其射頻範圍,讓藍牙傳輸的應用範圍有效拉大。BLE優點包括:與傳統藍牙和無線網路相比:功耗更低,連接速度更快,與ZigBee技術相比,通訊協定更簡單,抗干擾性能更好。與其他2.4GHz的私有技術相比:通用性和互通性更好。本作品使用的BM77SPP03MC2藍牙模組,包含有藍牙3.0標準SPP與藍牙4.0標準設計藍牙模組。可透過UART介面與微控制器連接。


3.ACS712-霍爾元件

ACS712是專為工業、商業和通信系統中的交流或直流電流感測,提供精確的解決方案的霍爾元件電流偵測器。應用範圍包括電動機控制、載荷檢測和管理、開關式電源和過電流故障保護。ACS712感測元件具有精確的低偏置線性霍爾感測器電路。ACS712 採用小型表面安裝SOIC8封裝。



圖3 : ACS712電路圖
圖3 : ACS712電路圖

4.G.hn 智慧家庭連網模組

本作品使用的G.hn 智慧家庭連網模組是Sigma Designs公司的G.hn CG5200HEP系列產品。G.hn是1Gpbs透過一般插座橋接電力線與乙太網路設計而成。CCG5200HEP提供一個完整的開發工具,支援持MIMO(多輸入,多輸出)和SISO單輸入單輸出(單輸入單輸出)G.hn模式。 CG5200HEP操作範圍在85-265VAC,50 /60Hz和在不同國家或地區,提供不同的交流插頭和插座。實體照片如圖4。


圖4 : G.hn 智慧家庭連網模組
圖4 : G.hn 智慧家庭連網模組

作品結構

1.硬體電路設計

本作品在硬體電路設計使用HT66FU50晶片、BLE模組晶片、ACS712-霍爾元件、紅外線發射電路、電源插座配合繼電器等元件,製作藍色家電模組電路,電路規劃之方塊圖如圖5。電路與實體如圖6。設計說明如下:


(1) 使用HT66FU50晶片TX與RX接腳連接BM79BLEDKMC2模組UART串列通訊腳。


(2) HT66FU50晶片的AN0連接ACS712 霍爾元件ADC 腳位元,主要用來量測交流電流與電壓。


(3) HT66FU50晶片的GPIO的接腳連接繼電器做輸出的節點,控制家電電源開關。


(4) HT66FU50晶片的GPIO接腳連接LED,做為紅外線IR發射模組。



圖5 : 藍色家電模組方塊圖
圖5 : 藍色家電模組方塊圖

圖6 : 藍色家電模組電路 (註: 測試用原型電路)
圖6 : 藍色家電模組電路 (註: 測試用原型電路)

2.HT66FU50韌體程式

HT66FU50韌體設計使用HT-IDE (Holtek Integrated Development Environment)- IDE3000整合開發環境。藍色家電的HT66FU50軔體程式開發,包括下列幾個部份重點:


(1)硬體層的定義,必須配合硬體電路的規劃,方便函式庫與主程式的使用。


(2)針對UART、ADC等介面電路的資料傳輸,必須先建置好相對的函式庫,方便主控程式取用。例如ADC,UART通訊傳輸,依照Data Sheet,建置函式庫,主程式可直接使用。


(3)智慧電表功能是使用ACS712 霍爾元件透過A/D 轉換後套入公式計算出實際電流值。計算交流電流值是利用積分方式取得轉換之AD 值。換算公式是透過量測數據與實際電流做校準分析,得出校準曲線斜率得知。藍色家電的耗電量就可以透過UART發出無線傳輸訊號。耗電量超過某一內設數值,立即透過GPIO接腳的Off電源。此外,亦可透過外部電源管理系統發出指令,開關電源。


(4)藍色家電與外部裝置的通訊透過UART轉BLE無線傳輸,傳輸資料的封包格式必須先訂定通訊協定。


(5)主程式的流程規劃如下:藍色家電外掛模組啟動後,等待外部指令,並執行功能動作,如開關繼電器,發射紅外線訊號。並定期傳送藍色家電的耗電量狀況。



圖7
圖7

3.手機App程式

智慧型手機使用Apps程式可透過BLE直接監控藍色家電,也可以直接連接網際網路,做為藍色家電與外部網路轉發訊息的橋樑。Apps程式的開發,我們選用Eclipse這套軟體開發工具。本作品的Apps程式開發流程如下:


(1)首先安裝開發工具JDK(Java Development Kit),安裝Eclipse整合開發工具,Android開發工具套件-ADT(Android Development Tools Plugin)與Android SDK工具包。開發手機應用程式。


(2)撰寫Java人機介面與輸出入監控程式。程式傳送的指令封包依據事先規劃好的網路通訊協定。封包指令可直接控制網路的BLE/IR藍色家電,或要求回傳藍色家電耗電量資料,並將資料顯示在手機螢幕上。


(3)撰寫可在App程式設定排程、耗電過量卸載等功能。可接收環境感測器,並判斷回傳值後,可開關燈光與空調設備。


(4)App程式可透過Wi-Fi與G.hn 智慧家庭連網模組,連接遠端伺服主機,將藍色家電狀況上傳遠端伺服主機,也可以從遠端伺服主機監控藍色家電。


4.遠端節能監控程式

本作品遠端節能監控程式可分為PC電腦遠端監控與Web-Based雲端監控兩部份,分別說明如下:


(1) PC電腦遠端監控:在遠端PC電腦上使用VB 2010透過Socket物件,連接Wi-Fi與G.hn智慧家庭連網模組,監控藍色家電。PC電腦在遠端可直接開關與控制家電,或送出紅外線遙控器控制家電功能。電腦畫面顯示每個藍色家電耗電量。並提供電源管理功能,例如可預先排程在指定時間電源開關、用電量在超出容量契約時,可自動卸載非必要電力。電腦亦可顯示環境感測裝置(如溫度、光感測),預設最佳環境溫濕度狀態,自動調節藍色家電中,可調控的空調與照明設備。提供更優質的居住環境品質。


(2)Web-Based雲端監控:在PC電腦使用Apache Server架設一個私有雲的遠端伺服主機,並使用PHP程式撰寫遠端監控/雲端監控之節能管理程式。透過MySQL資料庫與VB 2010介面監控程式連接,可直接監控遠端的藍色家電。人們只要使用能連接網際網路的裝置,如個人電腦、平板電腦,手機上網,都可以透過雲端監控,做無所不在的節能監控。


測試方法

1.藍色家電裝置基本功能測試

啟動藍色家電外掛模組後,使用筆記型電腦的COM埠藍牙通訊介面,透過Docklight通訊測試軟體,傳送通訊協定的封包資料到藍色家電,依次測試開關電源、紅外線搖控功能、回傳耗電狀況。Docklight測試畫面如圖8。



圖8 : 藍色家電基本功能測試工具Dock;light
圖8 : 藍色家電基本功能測試工具Dock;light

2.智慧型手機測試監控

啟動藍色家電外掛模組,使用智慧型手機藍牙通訊傳送通訊協定的封包資料到藍色家電,依次測試開關電源、紅外線搖控功能、回傳耗電狀況。智慧型手機測試方法如圖9。智慧型手機採圖形控制。



圖9 : 智慧型手機測試監控測試方法
圖9 : 智慧型手機測試監控測試方法

3.藍色家電G.hn模組連接雲端測試

藍色家電G.hn模組連接雲端測試方式有兩種,如圖10示,一種是透過手機上網直接到雲端伺服主機。另一種是透過G.hn模組智慧家庭連網模組(CG5200HEP)橋接到雲端伺服主機。由於手機是隨身攜帶,不固定放置在家庭中,因此還是以透過G.hn模組方式符合實際應用。



圖10 : 藍色家電G.hn模組連接雲端測試方法
圖10 : 藍色家電G.hn模組連接雲端測試方法

4.雲端節能監控測試

使用PC或手機上網,連接到雲端伺服主機的節能監控管理網頁,測試項目如下:


(1)從節能監控管理網頁點選家電裝置,可直接開關遠端藍色家電開關,或遙控紅外線家電。


(2)測試藍色家電自動排程功能,設定電源開啟/關閉或紅外線遙控調變的時間。


(3)測試藍色家電自動卸載功能,在家庭用電超過契約容量時,自動卸載或調變藍色家電。例如超載時將冷氣或風扇運轉耗電下降。


5.環境節能監控測試

使用溫度感測器針對空調與風扇這類的藍色家電的耗電量做最佳化的調變。使用光照度感測器針對燈光系統與檯燈這類的藍色家電的耗電量做最佳化的調變。讓生活環境的舒適度與環保節能皆能兼顧。


結語

本作品使用HT66FU50晶片,結合BLE短程無線傳輸技術、IR與智慧電表技術,製作具有綠色節能概念的外掛式藍色家電模組。一般家用電器連接外掛模組,即成為具備無線上網與智慧電表功能的藍色家電。透過G.hn 智慧家庭連網模組與網際網路連接,成為行動監控與智慧電網的一環,提供具有居家節能監控與舒適便利功能的智慧生活。


目前市場上藍色家電仍在萌芽階段,本作品採外掛式模式,可用來推廣具有節能概念的藍色家電,未來配合政府的推廣政策,市場與民眾的接受度會漸漸增高。一般家庭養成使用藍色家電時,家電製造商製作內建模組,將發展出更多有趣好用的藍色家電產品。未來藍色家電普遍使用時,將會分佈在家庭不同房間的每個角落。相信G.hn技術連網模組成功整合藍色家電,相信對藍色家電的發展,將是更大的助力。


(本文作者為修平科技大學電機工程系林振漢教授、姚凱文、魏嘉宏、楊世緘、簡偉傑)


參考文獻

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