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具有物聯網功能之圓孔蓋
第十三屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【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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本文作者為亞東技術學院 林照峰教授、李育修、蔡曉美、謝成然、李發

隨著全球科技及大數據化來臨,各國對於地下道工程卻沒有進一步的科技化,因此導致工人維修下水道吸入過多沼氣而中毒身亡,乃至於地下有很多未知的管路,像是瓦斯管、地下管…等,但發生外漏常常不知道是哪裡,因此才發生高雄氣爆事件。


如果我們能設計一個能隨時偵測監控的硬體,搭配軟體,就能提升市民的安全,更可數據化上傳雲端,並加入雨量偵測,給地方政府做為施政依據,且發揮前瞻性,作為預防災害的救命利器,讓警消或檢查人員及民眾能辦別此一圓孔蓋下的狀態,倘若在發生狀況時,即刻通知危險警示區內的民眾進行疏散,避免波及無辜,同時讓訊息不易接收地區的居民可透過這套系統亦可用肉眼判斷環境安全,爭取更多黃金撤離時間。


利用盛群晶片(HT66F70A)做為系統的核心並融合具有物聯網功能之圓孔蓋概念,搭配上瓦斯感測器(MQ-2)、硫化氫感測器(MQ-136)及雨量感測器,且結合物聯網概念透過 Zigbee 來傳送所偵測到的資訊到主控端,將資料以大數據雲端方式處理;感測端利用太陽能板來進行發電來做為偵測器的電力來源,以達到環境綠能化,並且利用 18650 鋰電池作為儲存電力的媒介;且利用單晶片控制時間系統(DS3231)定時回傳資料,既達到省電模式也保證每個時段的資料是有效的、安全的,而在有異常狀況發生時,如瓦斯異常測漏時、大雨不安全時,皆會而回傳至主控端,再經由 WiFi 及藍芽將所有收到的訊息或是警告即時傳送至中央及社群中,讓附近使用者及地方政府立即收到警示撤離,以防止氣爆事件悲劇再次發生。



圖1 : 模擬示意圖
圖1 : 模擬示意圖

工作原理

本系統採用 HT66F70A 作為偵測端,感測與雨量感測之主要晶片,在主接收端使用了UART、GPIO、PWM、ADC 等相關功能,主要透過 UART 連接 Zigbee 模組接收由地下各個感測器所回傳資料,並利用 MCU 分析計算各項數據後,定時將即時資訊回傳主控端,並利用 UART 連接藍芽模組及 WiFi 模組,再將 MQ-2 及 MQ-136 感測器,相關警告及資料傳送至雲端分析,而在 LED 的部分利用 GPIO 並配合相對的安全性指標,讓一般民眾直覺反應該地段是危險的,安全無虞時亦可作為市容美化裝置,此外由於地底管線多而危險,工人維修常因未確實將地底沼氣抽出而倒致中毒,故我們上下兩側都安裝感測器,維修人員僅須透過手機 app 或面板上的 LED 指示燈皆能判讀含氧量是否安全,以防悲劇發生。



圖2 : 主控版電路圖
圖2 : 主控版電路圖

在主控接收端使用了 ADC、UART 與 I2C 等相關功能,利用 DS3231 時間系統以 I2C 的介面與MCU 進行溝通並定時取得感測端相關數據及記錄數據,而收集到的資訊有些許誤差與雜訊因此利用程式排除雜訊並轉換成方便系統解析的訊息,此外使用了 ESP8266 系統,將數值大數據化,不僅能透過雲端方式存取數據,更能在發生災害時,發送信息至附近民眾的手機,通知民眾發生災害盡速遠離,更結到 Zigbee 模組可發報中央使當地災害應變中心可以即時準確地做好應對措施,以防萬一。



圖3 : 感測端電路板
圖3 : 感測端電路板

物理偵測系統

我們主要是利用 MQ-2 瓦斯感測器及 MQ-136 硫化氫感測器來偵測地底情況,當感測器偵測到有瓦斯漏氣的情況,就會透過 Zigbee對主控版傳輸訊號,主控版判斷為異常時,主控版會先在 DS3231 暫時存取,並同步發送警示至社群及提醒周遭民眾和中央政府,盡速處理及側離。


圖4 : 感測器示意圖
圖4 : 感測器示意圖

圖5 : MQ-2 感測器腳位電路圖
圖5 : MQ-2 感測器腳位電路圖

圖6 : MQ-136 感測器腳位電路圖
圖6 : MQ-136 感測器腳位電路圖

雨量感測器

在雨量的量測方面使用瞬間注入法,這是目前最方便準確的方式,並且精確度可達0.3mm~0.5mm,傾斗式雨量儀是利用簡單的機械原理方式運作,透過從上方孔蓋瞬間向下注入方式,利用霍爾效應感測磁鐵是否通過感測器前,每當注入發生時磁鐵便會通過霍爾感測器(A3144E)一次就計算它的轉速,隨著雨越多,轉得就越快來統計時雨量。


圖7 : A3144E 霍爾感測器腳位圖
圖7 : A3144E 霍爾感測器腳位圖

Zigbee 與主控版傳遞

CC2530 是一顆包含了 8051 及 Zigbee 傳輸模組的晶片,具有低功耗高效能的特性只需 2.0V~3.6V 便可驅動,且具有 16 個通信通道傳輸速率可達 250Kbps,此晶片能夠有效的整合 SOC 與 Zigbee 之間的線路有利縮小且簡單化電路,並且成本低能夠有效的降低產品的價格讓市場容易接受。


圖8 : CC2530 晶片
圖8 : CC2530 晶片

時間系統

DS3231 是一顆高精度 I2C即時時鐘(RTC),具有集成的溫補晶振(TCXO)和晶體。包含電池輸入端,斷開主電源時仍可保持精確的計時,具有低功耗高效能的特性只需 3.3V~5.5V 便可驅動,且可儲存 32K 資料量,透過 IIC 匯流排介面,最高傳送速率 400KHz(工作電壓為 5V 時),此晶片能夠有效的整合 SOC 與 Zigbee 之間的線路有利縮小且簡單化電路,並且成本低能夠有效的降低產品的價格讓市場容易接受。



圖9 : DS3231 晶片
圖9 : DS3231 晶片

資料處理系統

ESP8266 是一顆高度集成的 晶片,其 ESP8266 串口 WiFI 模組 (ESP-01) 是 UART (COM PORT) 轉 WiFi 模組,具有 AP ( Access Point 網路基地台模式)、STA (Station 工作站模式) 、AP + STA(共存模式),內部具備強大的低公耗 32 位元 CPU 處理和存儲功能,這使其可以藉著 GPIO 整合感測器及其他應用的特定設備,既縮短前期開發時間,也最大限度減少運行中系統資源的佔用,在待機狀態消耗功率少於1.0mW (DTIM3)即為節能。



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

第二供電系統

電力的方面利用備用太陽能發電以致資料不應主電源中斷而停止運作,並且選用 18650 鋰電池作為儲存電力的媒介,因此款電池具有高穩定性、儲存能量密度高、無記憶效應、外觀簡單、方便更換等諸多的好處故選擇此款電池。


並且搭配 TP4056 充電管理晶片,它具有周邊電路簡單、充電穩定且精確等優點並且可經由電路設定充電電流大小(0.1A~1A)。且主控端外部斷電後自動啟用內部備用電源之電路,電路主要功能在當停電或是不可抗力的斷電因素下扔可保持接收主控制端正常運作之設計,其設計利用兩路繼電器作為切換元件,其繼電器之控制信號為外部輸入電力,當電力輸入正常狀態下繼電器啟動,並使用外部電源對整體主控端系統供電並且同時利用充放電模組為電池進行充電,當外部電力中斷時繼電器控制電力信號隨之關閉,並讓繼電器跳脫至關閉端,隨之開始使用電池之電力對整體主控系統進行供電。



圖11 : TP4056 電路
圖11 : TP4056 電路

作品架構


圖12 : 系統方塊圖
圖12 : 系統方塊圖

主接收端

接收端使用 STM32F103C8 作為主控制晶片並搭配的相關的部件如:CC2530 ZIGBEE 模組、LED 狀態燈。


透過 UART 連接 ZIGBEE 模組接收各個感測器所回傳資料,而回傳的訊息包含相當多的資料因此特別使用一組編碼進行傳輸,資料中”!”為標頭緊接著是預先編制好的資料號碼接續是”#”為資料開始的標記,隨後即是要傳輸的資料,藉由此方法可傳輸多筆資料,並且錯誤率低。


而收到的各項數據交由 MCU 分析計算各項數據,其中因瓦斯濃度及沼氣成分致死比例不同,所以透過修正系統,不斷比較,並利用 UART連接藍牙模組再將相關警告及資料傳送至手機 APP 中。


(表1)主接收端零件表

元件名稱

型號

功能

主控制晶片

STM32F103C8

負責所有的收發,並分析回傳數據並適時利用LED 警示,且將所有數據紀錄傳至 ESP8266

 

ZIGBEE 模組

CC2530

主要所有感測器回傳資料的傳輸媒介。


地下感測端

接收端使用 HT66F70A 作為所有周邊的主控制晶片並搭配的相關的部件如:CC2530 ZIGBEE 模組、藍牙模組 HC-05、太陽能板、LED狀態燈、透過 ADC 修正系統將瓦斯探頭 MQ-2 、硫化氫探頭 MQ-136 、霍爾感測器 A3144E 感測器進一步修正。


(表2)圓孔蓋感測端零件表

元件名稱

型號

功能

主控制晶片

HT66F70A

負責與周邊感測器溝通並轉換,並將所有資料透過 UART收發。

ZIGBEE 模組

CC2530

主要所有感測器回傳資料的傳輸媒介。

藍牙模組

HC-05

將所有相關資料並警訊傳送至手機APP

瓦斯探頭

MQ-2

主要負責瓦斯濃度偵測。

硫化氫探頭

MQ-136

主要負責地下沼氣濃度偵測。

霍爾感測器

A3144E

利用感測器與安裝在蓋面下的G3&4 的雨量計磁鐵計算次數。

 

利用 UART 的介面與 HT66F70A 進行溝通並利用ADC 取得 MQ-2 及 MQ-136,PPM 與負載的比例關係計算出每一負載對應轉換數據之PPM,得以求出精確值,而流量計霍爾感應器(A3144E)主要利用 GPIO 及 UART 之功能,透過流入的水流帶動旋轉閥,透過每一次的脈衝信號,計算出頻率,以 ADC 方式,再將所產生的數值利用 UART 傳送至 ZigBee 模組將資料回傳至主控端進行分析。

大數據紀錄及傳輸系統

大數據紀錄及傳輸系統使用主系統端 HT66F70A 作為外掛搭配如:DS3231 以 UART 方式傳送資料至雲端庫、ESP8266 以 I2C 方式定時紀錄。


(表3)雨量感測零件表

元件名稱

型號

功能

主控制晶片

HT66F70A

負責與周邊感測器溝通並轉換,並將所有資料透過 UART 收發。

時間模組

DS3231

主要定時紀錄地下感測端所回覆的資料,如同黑盒子。

無線 WiFi 系統

ESP8266

負責將資料傳入雲端儲存,當災害發生主控端判定為是,將啟動發送社群推播通知。


流程圖


圖13 : 軟體流程圖
圖13 : 軟體流程圖

測試方法

MQ-2 及 MQ-136 感測器

我們將感測器安置在圓孔蓋底部,勁兒強化感測,利用高雄氣爆事件模擬,地下瓦斯管漏氣,將打火機的瓦斯漏出,看手機端是否顯示數值及面板上的 LED 指示燈是否由藍轉紅。


流量感測器

模擬強降雨及一般狀況,將水大量注入圓孔蓋,使水流經集水槽,進而透過手機端 app 判斷此差異是否準確。


主控端時間紀錄及 WiFi 系統

將此系統安裝於主控端,讓此系統不因斷電


或災害發生時產生數據斷線,猶如飛機上的黑盒子,利用 DS3231 的特性,定時存取資料,充


分利用晶片組的高精密時鐘特性,將資料記錄下來,主控版接收到資訊後會經由 WiFi 系統最新舊堆疊不斷更新資料上傳監視端,讓執政者可以隨時掌控都市所有可能會發生的災害的地方,可以提早預警以免發生無可挽回的悲劇。


此外,透過 WiFi 系統,以內部具備強大的低功耗 32 位元 CPU 處理和存儲功能,藉著 GPIO 整合感測器及其他應用的特定設備,既縮


A-21:具有物聯網功能之圓孔蓋


短前期時間,也發揮最大限度減少運行中系統資源的佔用,搭配 DS3231 也定時回傳雲端機,以雙重資料備份模式,發揮本系統強大特性,當災害發生時,主控版會判斷是否為真,如果主控版判斷超過警戒值會透過藍芽對手機 APP提出警告並透過 WiFi 系統作推播,如:Line、FB……等。


附錄

圖14 : 部分程式碼
圖14 : 部分程式碼

參考資料

1. 鍾啟仁,“微處理機實習邁向 AMA 中級先進微控制器應用認證使用 Holtek 8 位元晶片附系統範例光碟(最新版),台科大,2012/05/28。


2. 陳瓊興,“LabVIEW 2010 與 ZigBee 感測電路附多媒體教學光碟”,台科大,2011 年 9


月。


3. 李泰成審校(Razavi),”類比 CMOS 積體電路設計(修訂版)(Razavi)” ,滄海圖書,


2005。


4. 謝金龍等,“物聯網無線傳感器網絡技術與應用(ZigBee 版)”,人民郵電出版社,


2016/04/01。


5. 孫 棣,ZigBee 開發手冊,全華圖書,2009/03/04。


6. 陳源林,“HT66Fxx Flash 單片機原理與實踐:C 語言篇(附光碟)(簡體書)”,北京航空航天大學出版社,2012/04/01。


7. 蔡朝洋、蔡承佑 ,單晶片微電腦 8051/8951 原理與應用(C 語言) ,全華圖書,2010/8/20。


8. 曾俊杰,ZigBee 無線網路中減少端到端延遲與延長網路生命期之網路結構優化技術,碩士淡江大學資訊工程學系碩士班,2016。


9. 許乃文撰,以 ZigBee 技術設計一套智慧家庭監測系統,碩士 國立高雄海洋科技大學微電子工程系暨研究所,2016。


10. 陳昶旭,地下管線監測系統規劃與分析,國立交通大學土木工程 學系,1999。


11. 陳台譯、陳偉堯,瓦斯地下管線檢測方法,台北科技大學土木與防災研究所,2003 年10月。


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