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物联网之万国插头
第十届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 宋啟嘉教授、連穎東等人】2016年10月18日 星期二

浏览人次:【22561】
  

随着地球暖化日益严重[1],能源使用泛滥完全没有降低的现象之际,仍然不断的大量使用能源,用电量依然大增,且大量的产生出温室气体。能源的不足及成本的提高,造就了高昂的电费,其中,我们就在反思,这不外乎是节源开流的问题,使用量依旧,但供给量却降低。最底的问题就是要节约使用和有效的使用才是对大关卡要突破,因此使用一仪器能随时监测用电量并能换算电价来告诉使用者,让使用者有所警惕。


如今已经是人手一支手机的网路时代,利用微处理器做功率的测量后使用蓝牙传送到个人手持装置上,直观的在手机上看到自己消耗电力所要付出的费用相信能提升民众对于能源节约的关注,本作品将专注于利用智慧手持装置的网路定位来侦测所在地区,自动换算每度电不同的费率,对于短暂游学、驻留国外的使用者,这项功能将帮助他们在国外高昂的电力收费机制下中控制自己的花费,希望无论国内国外工作旅游都使用到此作品,不仅告诉消费者希望能节约用电外,更能帮助消费者调适国内国外的电价计费的不同。


因应各国电价的不同,万国插头能透过网路得出的各国最新的电价公式和计费标准,包含住宅用电及工业用电的费率,其中本作品以旅游者的角度出发,做出能在日本、美国、中国、澳洲等国计算电价的万国插头。利用从电源端得出电压电流值计算,得出功率消耗数值,以及智慧手持装置定位进而加入各国电价公式计算,可显示出电费及消耗甚至设定预期电费目标警报来控制花费。


工作原理

为了精准的量测实际消耗的功率,参考了结合NFC近场通讯与微型电流量测实现个人用电计价之设计[2]内文中的电压及电流测量方式:


电压感测电路

利用如图1的电路,先用变压器(PT)对AC 110V的电源降压,再提升其直流为1.65V方便后方负责数位类比转换的微处理器MCU接收实际的电压值,如此的优点是电路简单且元件便宜而精准度则取决于后方处理器的取样数,之后便能利用蓝牙传输到手机上随时监看数值。



图1 : 电压测量电路图
图1 : 电压测量电路图

对于微处理器MCU量到的值可以组成完整的电压波型即可计算实际的电压值。



图2 : 取样示意图
图2 : 取样示意图

电流感测电路

考虑到万国插头成品的实际体积限制,量测电流不采用传统体积较大的比流器来测量,而使用霍尔元件来代替,霍尔元件则是用国内育升半导体所自行设计生产WCS27XX系列感测元件,如表1所示。该元件内部自有直流偏压准位不需再做额外的准位偏移,直接将负载电流与对应脚位串连后,负载电流将会转成0V~Vcc的类比电压讯号,这个讯号将会由微处理器MCU做ADC转换并校正后用蓝牙无线传输送给手机。


MCU核心功能

由电压及电流感测电路测出的讯号将会交给电能晶片滤除高频及杂讯后做同步A/D,最后转成可用的数位讯号值在传给处理核心做数值校正及功率运算。


本作品的核心微处理器MCU使用HOLTEK HT66F70A,它负责控制电能晶片处理电压及电流测量值的同步A/D转换,并接收转换后的数位数值,累计取样值运算出均方根值并做灵敏度校正,最后加上电压电流辨别标签用来方便后续手机APP辨识后就能以UART方式传给蓝牙BLE通讯模组。



图3 : 硬体架构示意图
图3 : 硬体架构示意图

作品结构

整体架构

整个作品的架构是先由电压、电流感测电路侦测数值交给电能晶片初步滤除杂讯及同步A/D转换再透过微处理器MCU处理A/D转换后之数值并计算其精准实际功率[5-6],再经由蓝牙4.0 BLE传输到智慧型手持装置,智慧型手持装置上的功能程式APP可以使用预计电费使用警报、自动侦测所在国家并计算电费、监看目前用电情形等功能,将节能与生活息息相关的智慧型手机紧密结合在一起方便使用。



图4 : 具备物联网的万国插头架构示意图
图4 : 具备物联网的万国插头架构示意图

与智慧手持装置沟通

为对应国际上各国插座孔的规格,会使用可替换的转接头来符合世界各地的万国插头。透过智慧型手机来侦测使用者所在国家,支援万国插头的计算电费之程式可透过简单的表2来达成。目前所在国家位置则可由手机网路定位取得,加上APP内部各国电费率资料库,自动算出预估电价,帮助短期租屋驻留国外的使用者管理昂贵的国外电费,而各国电费率资料库能利用网路自动抓取资料更新。


智慧手持装置作为本系统的使用者介面端,将能自动取得电压、电流以及手机位置定位并计算功率、使用度数、对应手机定位区域之电价、使用经过时间,而使用者还可以自行输入经纬度,程式会利用经纬度判断出国家并自动从资料库抓取费率计算新的电费,除此之外使用者还能设定预期电费控管警报,当使用的电费超过警报范围时,程式将会对使用者做出警告。



图5 : 智能手机APP程式流程图
图5 : 智能手机APP程式流程图

HOLTEK MCU核心运作


图6 : MCU程式流程图
图6 : MCU程式流程图

首先同步由电能晶片接收电压及电流感测模组的类比感测值后,滤除杂讯进行双通道同步A/D转换并传给MCU计算处理。


MCU在分离电压和电流取样值后首先将相邻的取样值做平均处理来完成软体滤除杂讯,接下来为了电流灵敏度校正计算一周期的平均面积做为零电位,接着电压及电流都利用均方根值公式计算均方根值后,对照灵敏度曲线及刚才的零电位套用校正公式运算出精确的量测值,最后转换成ASCII code在字串前冠上让手机APP分辨电压或电流的标签后,用简易的UART方式往蓝牙模组传输,蓝牙模组将会自动将资料送到配对的智慧型手持装置上,手机APP接收后使用者便能随时开启APP监看用电状况。


硬体设计架构


图7 : 硬体架构方块图
图7 : 硬体架构方块图

图8 : 实际完成模组
图8 : 实际完成模组

图9 : PCB Layout完成电路图
图9 : PCB Layout完成电路图

除了携带型的多国智慧插座之外,这个架构的精神亦可以直接被延用至室电的源头无熔丝开关底下,再选用较大耐流及耐压的感测器(例如:WCS2750)并且加上保险丝后,该模组便能直接测量整栋房屋的用电,代替一般台电所用的传统电表,达到更好的精准度并且更加便宜、体积更小,并且有了蓝牙传输功能与智慧型手持装置互动能实现快速预知这个月用电电费、预期用电量警报、用电异常警示等功能,不论是自宅用节能监控,或是公寓分租场所清楚的列出各房间用电状况计量,都比传统电表能提供更好的效果。


测试方法

电流感测霍尔元件测试

利用线性恒流系统并撰写自动步阶程式,程式将会自动调升利用线性恒流系统的测试电流并接收感测霍尔元件测出的感测值,再输出成试算表格式让Excel算出0 ~40A的灵敏度校正曲线。



图10 : 电流感测模组校正灵敏度曲线
图10 : 电流感测模组校正灵敏度曲线

电流感测元件的灵敏度校正取线其纵轴为测量结果电压讯号值;横轴为实际电流安培值,利用这个曲线分电流区间取弧线的切线作为转换方程式用于MCU灵敏度校正即可得到非常精准的实际电流值。


整体架构测试:

使用吹风机作为待测负载直接经过本模组连接至电源插座,而通过模组内的感测电路及处理器计算,直接可在智慧型手机上观测结果。


(本文作者宋启嘉1、连颖东2、陆品威2、杨胜裕2、郑咏中2为虎尾科技大学电机工程系1教授及2学生)


参考文献

[1] 陈佩琪,全球暖化与我国温室气体减量法制化之研究,国立台湾师范大学政治研究所,2007年6月


[2] 陈冠豪,结合NFC近场通讯与微型电流量测实现个人用电计价之设计,智慧电子应用设计研讨会2014


[3] 育升半导体,电流感测元件产品目录, http://www.winson.com.tw/products_c_current_sensor.html,2014


[4] 育升半导体,电流感测元件产品使用说明,


http://www.winson.com.tw/Data%20Sheet/CWCS%20Application%20Notes.pdf,2014


[5] 施庆隆、刘晏维,PIC18FXX2微控制器原理与实作:使用组合语言及C语言,宏友图书开发,2004


[6] Lucio Di Jasio,Programming 32-bit microcontrollers in C : exploring the PIC32,Newnes, 2008


[7] 台湾电力公司,各国电价比较


http://www.taipower.com.tw/content/new_info/new_info-d16.aspx?LinkID=14, 2014年9月


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