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物聯網之萬國插頭
第十屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 宋啟嘉教授、連穎東等人】   2016年10月18日 星期二

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隨著地球暖化日益嚴重[1],能源使用氾濫完全沒有降低的現象之際,仍然不斷的大量使用能源,用電量依然大增,且大量的產生出溫室氣體。能源的不足及成本的提高,造就了高昂的電費,其中,我們就在反思,這不外乎是節源開流的問題,使用量依舊,但供給量卻降低。最底的問題就是要節約使用和有效的使用才是對大關卡要突破,因此使用一儀器能隨時監測用電量並能換算電價來告訴使用者,讓使用者有所警惕。


如今已經是人手一支手機的網路時代,利用微處理器做功率的測量後使用藍牙傳送到個人手持裝置上,直觀的在手機上看到自己消耗電力所要付出的費用相信能提升民眾對於能源節約的關注,本作品將專注於利用智慧手持裝置的網路定位來偵測所在地區,自動換算每度電不同的費率,對於短暫遊學、駐留國外的使用者,這項功能將幫助他們在國外高昂的電力收費機制下中控制自己的花費,希望無論國內國外工作旅遊都使用到此作品,不僅告訴消費者希望能節約用電外,更能幫助消費者調適國內國外的電價計費的不同。


因應各國電價的不同,萬國插頭能透過網路得出的各國最新的電價公式和計費標準,包含住宅用電及工業用電的費率,其中本作品以旅遊者的角度出發,做出能在日本、美國、中國、澳洲等國計算電價的萬國插頭。利用從電源端得出電壓電流值計算,得出功率消耗數值,以及智慧手持裝置定位進而加入各國電價公式計算,可顯示出電費及消耗甚至設定預期電費目標警報來控制花費。


工作原理

為了精準的量測實際消耗的功率,參考了結合NFC近場通訊與微型電流量測實現個人用電計價之設計[2]內文中的電壓及電流測量方式:


電壓感測電路

利用如圖1的電路,先用變壓器(PT)對AC 110V的電源降壓,再提升其直流為1.65V方便後方負責數位類比轉換的微處理器MCU接收實際的電壓值,如此的優點是電路簡單且元件便宜而精準度則取決於後方處理器的取樣數,之後便能利用藍牙傳輸到手機上隨時監看數值。



圖1 : 電壓測量電路圖
圖1 : 電壓測量電路圖

對於微處理器MCU量到的值可以組成完整的電壓波型即可計算實際的電壓值。



圖2 : 取樣示意圖
圖2 : 取樣示意圖

電流感測電路

考慮到萬國插頭成品的實際體積限制,量測電流不採用傳統體積較大的比流器來測量,而使用霍爾元件來代替,霍爾元件則是用國內育陞半導體所自行設計生產WCS27XX系列感測元件,如表1所示。該元件內部自有直流偏壓準位不需再做額外的準位偏移,直接將負載電流與對應腳位串連後,負載電流將會轉成0V~Vcc的類比電壓訊號,這個訊號將會由微處理器MCU做ADC轉換並校正後用藍牙無線傳輸送給手機。


MCU核心功能

由電壓及電流感測電路測出的訊號將會交給電能晶片濾除高頻及雜訊後做同步A/D,最後轉成可用的數位訊號值在傳給處理核心做數值校正及功率運算。


本作品的核心微處理器MCU使用HOLTEK HT66F70A,它負責控制電能晶片處理電壓及電流測量值的同步A/D轉換,並接收轉換後的數位數值,累計取樣值運算出均方根值並做靈敏度校正,最後加上電壓電流辨別標籤用來方便後續手機APP辨識後就能以UART方式傳給藍牙BLE通訊模組。



圖3 : 硬體架構示意圖
圖3 : 硬體架構示意圖

作品結構

整體架構

整個作品的架構是先由電壓、電流感測電路偵測數值交給電能晶片初步濾除雜訊及同步A/D轉換再透過微處理器MCU處理A/D轉換後之數值並計算其精準實際功率[5-6],再經由藍牙4.0 BLE傳輸到智慧型手持裝置,智慧型手持裝置上的功能程式APP可以使用預計電費使用警報、自動偵測所在國家並計算電費、監看目前用電情形等功能,將節能與生活息息相關的智慧型手機緊密結合在一起方便使用。



圖4 : 具備物聯網的萬國插頭架構示意圖
圖4 : 具備物聯網的萬國插頭架構示意圖

與智慧手持裝置溝通

為對應國際上各國插座孔的規格,會使用可替換的轉接頭來符合世界各地的萬國插頭。透過智慧型手機來偵測使用者所在國家,支援萬國插頭的計算電費之程式可透過簡單的表2來達成。目前所在國家位置則可由手機網路定位取得,加上APP內部各國電費率資料庫,自動算出預估電價,幫助短期租屋駐留國外的使用者管理昂貴的國外電費,而各國電費率資料庫能利用網路自動抓取資料更新。


智慧手持裝置作為本系統的使用者介面端,將能自動取得電壓、電流以及手機位置定位並計算功率、使用度數、對應手機定位區域之電價、使用經過時間,而使用者還可以自行輸入經緯度,程式會利用經緯度判斷出國家並自動從資料庫抓取費率計算新的電費,除此之外使用者還能設定預期電費控管警報,當使用的電費超過警報範圍時,程式將會對使用者做出警告。



圖5 : 智能手機APP程式流程圖
圖5 : 智能手機APP程式流程圖

HOLTEK MCU核心運作


圖6 : MCU程式流程圖
圖6 : MCU程式流程圖

首先同步由電能晶片接收電壓及電流感測模組的類比感測值後,濾除雜訊進行雙通道同步A/D轉換並傳給MCU計算處理。


MCU在分離電壓和電流取樣值後首先將相鄰的取樣值做平均處理來完成軟體濾除雜訊,接下來為了電流靈敏度校正計算一周期的平均面積做為零電位,接著電壓及電流都利用均方根值公式計算均方根值後,對照靈敏度曲線及剛才的零電位套用校正公式運算出精確的量測值,最後轉換成ASCII code在字串前冠上讓手機APP分辨電壓或電流的標籤後,用簡易的UART方式往藍牙模組傳輸,藍牙模組將會自動將資料送到配對的智慧型手持裝置上,手機APP接收後使用者便能隨時開啟APP監看用電狀況。


硬體設計架構


圖7 : 硬體架構方塊圖
圖7 : 硬體架構方塊圖

圖8 : 實際完成模組
圖8 : 實際完成模組

圖9 : PCB Layout完成電路圖
圖9 : PCB Layout完成電路圖

除了攜帶型的多國智慧插座之外,這個架構的精神亦可以直接被延用至室電的源頭無熔絲開關底下,再選用較大耐流及耐壓的感測器(例如:WCS2750)並且加上保險絲後,該模組便能直接測量整棟房屋的用電,代替一般台電所用的傳統電表,達到更好的精準度並且更加便宜、體積更小,並且有了藍牙傳輸功能與智慧型手持裝置互動能實現快速預知這個月用電電費、預期用電量警報、用電異常警示等功能,不論是自宅用節能監控,或是公寓分租場所清楚的列出各房間用電狀況計量,都比傳統電表能提供更好的效果。


測試方法

電流感測霍爾元件測試

利用線性恆流系統並撰寫自動步階程式,程式將會自動調升利用線性恆流系統的測試電流並接收感測霍爾元件測出的感測值,再輸出成試算表格式讓Excel算出0~40A的靈敏度校正曲線。



圖10 : 電流感測模組校正靈敏度曲線
圖10 : 電流感測模組校正靈敏度曲線

電流感測元件的靈敏度校正取線其縱軸為測量結果電壓訊號值;橫軸為實際電流安培值,利用這個曲線分電流區間取弧線的切線作為轉換方程式用於MCU靈敏度校正即可得到非常精準的實際電流值。


整體架構測試:

使用吹風機作為待測負載直接經過本模組連接至電源插座,而通過模組內的感測電路及處理器計算,直接可在智慧型手機上觀測結果。


(本文作者宋啟嘉1、連穎東2、陸品威2、楊勝裕2、鄭詠中2為虎尾科技大學電機工程系1教授及2學生)


參考文獻

[1] 陳佩祺,全球暖化與我國溫室氣體減量法制化之研究,國立臺灣師範大學政治研究所,2007年6月


[2] 陳冠豪,結合NFC近場通訊與微型電流量測實現個人用電計價之設計,智慧電子應用設計研討會2014


[3] 育陞半導體,電流感測元件產品目錄, http://www.winson.com.tw/products_c_current_sensor.html,2014


[4] 育陞半導體,電流感測元件產品使用說明,


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


[5] 施慶隆、劉晏維,PIC18FXX2微控制器原理與實作:使用組合語言及C語言,宏友圖書開發,2004


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


[7] 台灣電力公司,各國電價比較


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


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