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秀才不回家便知家电事
第十一届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 共同執筆】2017年12月18日 星期一

浏览人次:【12724】
  

目前市面上的智慧型??座相关产品虽有电流、功率量测等显示,另有少部分以蓝芽与手机结合,达到显示、警示等功能,但蓝芽传输毕竟有着距离上的限制,若出门在外或超过距离便无法得知电器的耗能状况。所以,本作品透过无远弗届的网路连结改良其缺点,除了原本的显示、控制等功能之外,将资料上传至网路伺服器,达到大数据(Big Data)分析。当累积的数据越多,资料的统计结果也就更具代表性。


因此,本作品不再仅局限於单纯的显示、警示与控制,而是可以达到更多的数据分析;透过数据分析与统计,可得知电器的消耗功率和用电度数,让使用者藉由数据的检视,对用电量有所警惕进而屏除不良的用电习惯。此外,也可由数据分析,查看该电器用品可能因元件的老化而导致效能变差,提醒使用者汰换或改用有「节能标章」的电器产品,以避免不必要的电力损耗。如果使用中的电器产品电流流量突然升高,??座将会自动断电保障用电安全,并发出简讯通知使用者,这将是本作品与市面上产品的不同之处,也是其优点与特色。


前言

创作动机

近年来全球暖化速度加快,出现极端气候的频率愈来愈高,所造成的灾损也愈来愈大。节能减碳已成为地球人的全民运动,我们也希??国内的民众能更深入认识这些趋势与议题。世界各国政府无不积极拟订「节能减碳」相关政策加以因应。台湾身为地球村的一员,自然必须共同正视全球暖化的课题。而个人则可以从日常生活中的食、衣、住、行等方面付诸行动,达到「节能减碳」的目标,爱惜环境,关怀地球。


日常生活最不能缺少就是??座,无论是手机充电、天热吹冷气、天冷开电暖炉、读书时开启台灯,都要需要以??座提供电力让这些电器开始运作。虽然是再平常也不过的东西,但在智慧型手机与网路普遍的现在,??座却有了新应用,也就是透过行动装置与网路连通後,就算我们不在家中,也可以远端开启??头电力,让电扇开始启动、电灯先打开,一回到家後就可以享受到舒适的环境。


创作目的

本作品本身不仅只是??座而已,其进一步与物联网(IoT)结合应用,以达到「节能减碳」的目的,最後呈现出完整的智慧联网??座;透过本作品,使用者可随时随地检视家中各电器的耗能状况;其中,即时用电量与预估度数的显示,让使用者对用电量有所警惕,进而养成良好的用电习惯,以因应「节能减碳」的基本要求。


另外,若发现用电量异常的升高,也可透过网路遥控即时关闭该电器的电源以免酿成灾害,保障用电安全。特色是在任意地点、任何时间,只要透过网路就可以知道家电用品的用电量、随时随地的控制家电用品,分为即时现场操控和远端遥控。对消费者而言??座已经成为不可缺少的用品,又加上连网的功能,在市场竞争力一定会大幅提升。


其次,伺服器(Server)端的统计资讯更可提供使用者近一年各电器的耗能情形,作为家电是否因老旧而效能降低导致用电量增加的依据;有了这样的统计数据,使用者可考虑是否该汰换老旧的家电以提升用电的效能。


工作原理

本作品主要以盛群HT66F70A晶片为核心,搭配电流量测、WiFi模组、蓝芽模组、彩色LCD显示。首先以智慧??座做为家电用品的供电来源,藉由内嵌於??座内部的微控制器侦测电器目前的ON/OFF状态;透过HT66F70A的ADC介面读取电流传感器之感测值,经由程式的计算转换为对应的电流大小与功率,并即时显示在LCD上。此外,可进一步透过WiFi模组经网际网路将量测值传送至远端的Server PC做进一步的处理与储存,使用者可以随时随地透过网路浏览Server端的资讯,查看当下的用电情形。此外,在没有网路的情形下,也可经由蓝芽模组将微控制器所量测电流大小传送到手机端显示。搭配程式的设计,使用者可以设定警戒值,当电流或用


图1-3
图1-3

电量超过警戒值时可由微控制器端自动将该电器断电,以避免因电流超过负荷而造成危险。透过Server端网页的程式设计,除了让使用者随时监视电器设备的使用状况之外,亦可由远端随时开、关??於??座上的家电,用电异常时也可以透过简讯即时通知使用者。


作品结构

硬体架构

HT66F70A


本作品主要使用HT66F70A晶片,其主要特色工作频率最高可达 16MHz 、 32KB Flash、2048×8SRAM、128×x8EEPROM Memory 、16 Level Stack、12位元的高速类比 / 数位转换器、内建比较器及 SPI 及 SPI / I 2 C 或是 USB或UART 介面、全新设计的 Timer Module,可有Capture、Compare、Timer/Event、Single Pulse Output、PWM等五种模式、具有 IAP (In Application Programming) 功能,不仅可将程式空间做为资料储存之用,更可达到程式更新的功能、采用 64-pin LQFP封装等。


作品微控制器运作:


本作品以PD4~PD7控制继电器开关,电流感测部分则是利用ADC模组,读取PA4~PA7接脚之电流感测器之电压变化,并经由程式转换为对应之电流。以HT66F70A的TM0、TM3搭配外部中断实现Soft UART与WIFI模组沟通,将资料传至网页伺服器。



图4
图4

SSR固态继电器


SSR固态继电器,主要用来做开关切换使用。SSR具有良好的耐压、防潮、防腐、抗震动等性能。具有工作安全可靠且寿命长、无触点、无火花、无污染、高绝缘、超过2.5kv的高耐压、低触发电流、开关速度快、可与数位电路搭配,因为没有像传统电磁继电器使用机械接点与输入线圈,所以能在高冲击、震动状态环境下稳定工作,提高了使用寿命和可靠性,不至於产生触点燃弧火花、回跳噪音,以及电磁干扰等问题。


图5
图5

电流传感器


主要量测??於??座上电器的电流。以下是电流感测器规格:


系列:TA12;TA17(额定输入电流:5A;10A)


全密封,采用超微晶铁芯 ,线性度优於2?


抗电强度:大於6000V AC/1min


阻然特性:撤离火焰燃烧时间小於10秒


使用环境:温度-55℃~+85℃


相对湿度不大於95%


工作频率:20Hz~20KHz


图6
图6

蓝芽、WiFi模组/


蓝芽

WiFi

规格型号

蓝牙v2.0+EDR

ESP8266-01

电压

3.3 ~ 3.6V

3.3V

频率范围

2.4GHz

2.412GHz-2.484GHz

表一 蓝芽WiFi规格


本作品透过WiFi模组经网际网路将量测值传送至远端的电脑伺服器做进一步的处理与储存,使用者可以随时随地透过网路浏览伺服器端的资讯,立即查看当下的用电量情形。另一方面,在没有网路的情形下,也可经由蓝芽模组将微控制器所量测电流大小传送到手机端显示。



图7-8
图7-8

软体架构


图9
图9

网页端



图10
图10

网页前端语言

网页後端语言

资料库

HTML

PHP

MYSQL

JavaScript

CSS

表二 网页语言


网页主要以HTML写成,并搭配PHP语言将网页与资料库做连结,读取所需资料,JavaScript 语言以图表方式将资料显示,而CSS修饰网页美观、友善,让首次使用的用户在登入网页後即可快速上手,网页之各个页面都是处理器独立运算,即时更新资料。


微控制器如何上传资料至网页伺服器:


MUST2016iot.ddns.net/get.php?KEY=MUSTIOT2016&socket1=423&socket2=411&socket3=233&socket4=433&btnstate=0000


HT66F70A经由WiFi模组连结至网页接收页面GET.PHP,以网址传值的方法,将socket1(??座一)、socket2(??座二)、socket3(??座三)、socket4(??座四)、btnstate(按钮状态)的值分别读出,经由换算存入资料库。


网页网址传值抓取:


$socket1 = $_GET["socket1"];


$socket2 = $_GET["socket2"];


$socket3 = $_GET["socket3"];


$socket4 = $_GET["socket4"];


$btnstate= $_GET["btnstate"];


网页画面



图11-12
图11-12

PC伺服器上除了建立资料库储存??座端传送过来的资料之外,也搭配网页的撰写与设计,让使用者可随时观测相关的流量数据以及实现远端开、关控制的功能。如图12所示,由网页的即时流量可知道该??座使用家电用品的消耗功率,若超过该电器所注明的最高额定功率,这可能是一个警讯,这意味着该电器可能因使用超过年限或其他原因而导致效能降低,使用者可以考虑汰换该电器以节省耗电量,并提升用电安全。而当日累积流量的显示可明确了解该家电用品当天所使用的度数,让使用者对用电量有所警惕,进而屏除不良的用电习惯,以避免不必要的电力损耗。



图13-15
图13-15

图13为预估用电度数的显示,其目的是让使用者了解该家电持续使用一小时所耗用的用电度数,提醒使用者是否该适时关闭电器、或降低使用的功率(如调降风扇转速、电热器温度等等)。


图14当家电用品使用一段时间,就可帮使用者推算预估分别八小时、一天、一个月的四个??座所始使用总度数,达到警惕使用者对使用电的预警功效。


图15为网页的整体画面,在网页的最下方统计一年十二个月份四个??座分别所使用的度电数和总度电数,可观看出十二个月份用电量高低,进而达到警惕的效果,减少不必要的电力使用。此外,藉由此一统计图表的观测,可提供使用者了解家电长期用电的耗能状况,对於长期用电的电器(如冰箱),若有用电状况呈现成长的趋势,这有可能是使用年限已至而导致效能降低所致,使用者可依此作为汰换该电器的叁考。


手机端


首先手机端开启蓝芽与蓝芽模组(微控制器端)进行配对连线的动作,作为传送资料的重要桥梁。



图16-17
图16-17

图16在手机端主画面可以点击不同的功能按钮,主要是能够查看目前实际使用度电数与目前为止所累积度电数,也可以选择切换??座组别,让使用者清楚目前的现况。


图17为安全限流断电机制,可以利用手动滑杆来限制电流与累积度电的大小,只要超过安全限流额定数值,就立刻将智慧??座自动断电,可以有效降低电线走火的可能性。



图18-19
图18-19

图18为预估度电设定,主要目的只是想让使用者方便,可以经由预估电流大小,来估算出使用度电数,与实际度电来做适当考量。


图19各??座电流大小为手机端的主要特色,就是藉由颜色强度来辨识目前的电流大小,可以直接观看各个??座的电流现况。


测试方法

非侵入式电流量测实验

(1) 量电流方式有串联方式与非接触式,一般非接触式都是使用霍尔电流感应方式量测,但因为使用感应电流方式取得一定比率的电流再回推实际值,这会因为环境因素影响其准确性,但非接触式有个好处如其名称一样,不需要变更线路设计就能量测到电流。比流器(Curren Transformer,CT)又称作电流互感器,其原理与变压器相同,构造为在环形铁芯上缠绕n圈之二次线圈与贯通电线之间会有n:1的变流比。


(2) 电流输出型式之应用电路,叁考图20;图中33Ω即是Burden Resistor。



图20-21
图20-21

(3) 采用购买的SCT 013 10A/1V模组为电压型式,故图20之33Ω电阻可省略;因为感测的输出为AC讯号,因此必须以两颗电阻分压予以提升至微控制器可处理之电压范围。


(4) 量测时要注意钩环内仅能有AC线的单一条通过;如图21,否则磁场会被平均,导致无法量测到数据;同时要注意其方向性。


图22~图25是以示波器实际量测,测量值均会随着风扇的转速高低而有所变化。



图22-25
图22-25

数值校正

硬体完成後,连上蓝芽或WIFI发现??座没接上任何电器产品的状况下,会出现一些杂讯(如图24所示),推测是电源从AC转变成DC所造成的讯号干扰问题,所以我们在电源DC输入点加入π型滤波器来改善讯号干扰的现象,但是偶尔还是会出现些许的杂讯。本组推测是PCB手工焊接的线路布局、绕线、焊接等问题导致杂讯干扰!最好的解决方式,是以PCB Layout并以机器洗出电路板;但碍於经费,目前尚无法有效克服。



图26-28
图26-28

??座??上电器产品後,显示数值与市售勾表量测出的数值有些许所误差,透过程式修正後,数值与勾表量测结果差距不大(如图27所示),再依序针对剩馀的??座做修正。


结论

本作品是新型的??座设计,在传统的??座上添加了微控制器的程式控制,让电流的用量能得以经由蓝芽传送到手机、或透过WiFi传送到网页伺服器让使用者可以随时随地检视家中电器的用电状况,而藉由网页伺服器所建立的资料库统计分析,可以了解电器的历史耗能状况。


未来,此一技术可进一步嵌入至电器用品的内部,或与电器内嵌的微控制结合,让智慧型家电所提供的资讯更加丰富!


历史的耗能记录,也能提供电器制造商评断自家产品长期使用的节能效率,做为新一代产品设计时的叁考。如此,在使用端透过数据的检视督促用户养成良好的用电习惯,而设计端藉由历史耗能记录提供制造商设计更节能的电器;相信在这双管齐下的策略运用之下,对於节能减碳的诉求必定能提供相当的助益!


(本文作者锺启仁1、陈松榆2、张咏登3、蔡承运4为明新科技大学电子工程系1教授及2-4学生)


叁考文献


[1]物联网(IoT)


http://ieknet.iek.org.tw/IEKTopics/2015/3-2.html


[2]Wifi


http://electronut.in/an-iot-project-with-esp8266/


http://yhhuang1966.blogspot.tw/2015/07/esp8266-wifi-at-command.html


[3]蓝芽


http://swf.com.tw/?p=693


[4]SSR继电器


http://cocdig.com/docs/show-post-22331.html


[5]电流传感器


http://www.twword.com/wiki/%E9%9B%BB%E6%B5%81%E6%84%9F%E6%B8%AC%E5%99%A8


[6]HT66F70A使用手册


http://cn.el.yuntech.edu.tw/course/104/104B/HT66F60A_70Av130.pdf


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