摘要

马克西姆·高尔基曾说：「人类一切美好的东西都来自太阳之光。」。在原始时代，人类因为「火」的发现而获得了光和热，使人类的活动不再局限于白昼的长短，也渐渐发展出文明。由此可知，光对人类而言是十分重要的存在。人类因为仰赖光，在西元1854年发明了灯泡，从此之后，开启了人类追求更加完善的照光设备。但在追求文明及进步的过程中，因大量使用能源，使地球资源不断减少，「节能」成为不可或缺的功能。随着科技的进步，LED具有节能、环保、寿命长或体积小等特点，被广泛应用于各种指示、显示或装饰等领域。例如：路灯、指示灯及广告跑马灯等，成为大家常使用的显示照光设备。

而在目前客制化与创意并行的时代，我们运用人们对于「光」的吸引力，制作出组合式云端智慧灯。使用者可以自由组合智慧灯模组贴于墙上，让室内加点装饰，美化环境与增加生活智能显示。同时藉由LED显示资讯，例如：天气，时间，与PM2.5空气品质等。使用者可触碰触控开关，自由变换LED的亮度，也可搭配Android App控制LED颜色、亮度及显示颜色，让室内充满不同的氛围和灯光变化。

壹、前言

在目前的社会中因为全球化的关系，让人类的竞争愈发强烈，工作、课业及生活上的压力也是与日俱增，如果没有好的压力调适方法，将会导致身心状况不佳，影响整体生活的品质。懂得享受生活成为人们释放压力的重要观点，适当的休闲活动可以让人们能继续面对生活。因此，我们想到了人们对于「光」的喜爱，及目前兴起一股「客制化」风潮，决定设计出一款既美观又实用的组合式云端智慧灯，不管大人、小孩或老人都能轻松使用的产品。

在此作品中，透过Android App来控制灯具，并可透过手机查看目前灯具状态、控制灯具状态及查看天气状态与空气品质。若使用者想单纯开关灯具，可直接触碰灯具，将灯具当成照明设备。

此外，本作品可另外供使用者自由组合贴于墙上，让使用者自行设计组装形状，达到自行设计之目的。

贰、工作原理

本作品使用Holtek公司的HT66F2390 8Bit微控制器，与HM-13、BS812A-1及手机App等元件设计而成。主要工作原理：使用者使用手机App传送使用者要求的指令并透过模组将资讯传送给8-Bit微控制器，使8-Bit微控制器传送指令给32-bit微控制器，再由32-bit微控制器控制智慧灯具。因此，可使智慧灯具根据指令改变显示的状况，或将目前智慧灯具的连接位置指令经由蓝牙模组传送给手机App，让使用者观看目前灯具的位置及显示情况。

2.1 盛群MCU功能

组合式云端智慧灯具采用Holtek公司的HT66F52390微控制器为主，以及利用UART与蓝牙沟通，得知手机给予微处理器的资讯，并将资讯传给32bit微控制器使LED动作。

当触控IC被触发时，HT66F52390会接收到讯息，将讯息传送给32bit微控制器，再使LED开起获关闭。

2.2 蓝牙模组

在此，采用HM-13蓝牙模组，是新一代蓝牙V4.0协议的数据模组，其特色是具有低功耗的功能，并不需要占用太多频宽，于是本团队选择使用HM-13。此蓝牙模组的无限工作频率为2.4GHz ISM，最大功率为4dBm。

此外，这模组采用T1的CC2540晶片，配置256K Byte空间，支援AT指令，用户可根据需要更改主、从模式以及串列传输速率、设备名称、配对密码等参数，使用灵活。如图 1所示，为蓝牙模组实体图。

图1 : 蓝牙模组

2.3 触控IC

盛群（Holtek）标准Touch Key周边IC BS81xA-x系列有3个型号，分别是BS812A-1、BS8112A-3及BS8116A-3。此系列IC透过外部的触摸按键感应可人手的触摸动作，内部电路可自动对环境变动作校正，以强化触摸检测的正确性。

而BS812A-1提供了2个触摸按键，对应2个输出脚，应用电路只需极少的外部元件即可工作。此外，封装形式为体积极小的6-pin SOT23，适合有体积限制的应用。因此，本专题使用BS812A-1当作触控开关使用，以控制智慧灯具的亮度。

此外，BS812A-1特性如下所列：

1. 两个触控按键输入

2. 自动校准功能

3. 供应电压2.2V~5.5V

4. 小待机电流

5. 自动切换待机/工作模式

6. 抗电压波动

7. 外接电容可调整感度

图2 : BS2812-1 脚位图示意图

2.4 UART特性与原理

UART是一种通用非同步收发传输器，通常称作UART，其为电脑周边硬体的一部分，将资料由串列通信与并列通信间作传输转换。 UART通常用在与其他通讯协定（如EIA RS-232）的连结上。在串列传输通讯协定的格式内容，每一个符号由四种资料共11个位元所组成，共分为:

1. 起始位元(Start Bit)

2. 资料内容(Data)

3. 奇偶同位元检查码(Priority Bit)

4. 停止位元(Stop Bit)

如图3所示，资料透过FIFO(First Input First Output)的方式，由最低有效位元LSB(Least Significant Bit)开始传输直至最高有效位元MSB(Most Significant Bit)(奇偶同位元(PB)可以选择忽略不使用)。

图3 : UART资料传输格式示意图

2.5 I²C特性与原理

2.5.1 I²C串列介面

I²C使用半双工同步多主从架构，其中任何能够进行发送和接收的装置都可以成为主控，控制讯号的传输和频率。而其汇流排的长度可达10英呎，具备慢(小于100Kbps)、快(400Kbps)及高速(3.4Mbps)三种速率，每一种均可向下相容。

2.5.2 I²C传输讯号格式

串列介面I²C的I/O一般可分为推挽式输出、开极集和三态等三种方式。而I²C串列介面本身则为开泄极或是开极集的构造，因此需要外加电源，并且加上提升电阻才能够运作使用。

如图4所示，说明I²C串列介面传输波形。我们使用外部的提升电阻连接到VCC电源上。

图4 : I2C的启动与停止条件

在图4中，资料是首先传送MSB，然后最后才是LSB。在时脉的最后时刻，主装置端就会空接SDA线，并允许从装置端提升SDA为低电位来确认这个传输。

为了同步I²C串列介面资料，仅有当SCL是低电位，且SCL在转变为有效的高电位时，才允许串列资料(SDA)改变状态。但对于这种规则，还有两个例外，也就是产生开始与停止状态时。其中，包含了：

‧开始状态：当SCL是高电位，SDA从高电位转换至低电位。

‧停止状态：当SCL是高电位，SDA从低电位转换至高电位。

I²C串列介面资料处理的第一个位元组包括了所需的周边位址。图1显示出第一个位元组的格式，有时也称为控制位元组。这主控端使用9个位元序列，去选择在这特定位址的I2C周边装置，并建立传输方向(使用R/W)，以及由ACK位元来测试以决定周边装置是否存在。

而4个重要位元，SA3-SA0是周边晶片组的从装置位址。这个I²C装置是靠NXP半导体公司预先指定的从装置位址来决定从装置型态。 DA2~DA0的装置能被分别定址，以允许同一种装置类型能有8个不同位址的元件同时连接在一起。而第8个位元(R/W)是用来设定资料传输的方向。若是1的话，主装置执行读取资料的动作，反之则是执行写入资料之用。

此外，为了要定址出所连接的I²C从装置，一般可以分为7-bit短定址与10-bit长定址等两种类型以符合不同的需求。如图5所示，分别为7-bit与10-bit定址方式的示意图。

图5 : 系统架构图

参、作品系统设计

本作品主要功能可分为二部分，分别为手机App与硬体。其中，如图6所示，为作品结构示意图，以及如图7所示，则为系统架构图。以下，将详细说明各个功能：

第一部分为手机App，运用蓝牙模组与手机App作连结，并使用Android介面的App控制及查看组合式云端智慧灯具的资讯。例如：控制灯的亮度及颜色等，让智慧灯可以随时改变亮度及颜色，达到远端控制的功能。当使用者利用手机App向智慧灯做出指定哪颗智慧灯时，就可以让特定的智慧灯做出使用者所下的要求。

而手机App配有查看天气状况及空气品质的页面，可利用蓝牙模组传至智慧灯让智慧灯显示目前的天气图案及空气品质。因智慧灯十分简单操作，不管大人小孩老人都可以马上学会操作，达到与家人朋友互动的效果。

第二部分为硬体部分(参考图6)，在组合式云端智慧灯具侧面皆有磁铁，可以让智慧灯具随时在墙上组合出不同的形状。而在内部有一蓝牙模组，以随时接收手机App的指令，使其做出指令，组合式云端智慧灯具拥有触控开关，可让使用者用触控方式控制智慧灯具亮度。

图6 : 触控IC流程图

硬体方面

在硬体方面主要是以智慧灯具的外观及一些功能做说明。如图8所示，为使用者直接用手碰触灯具的流程图，触控IC会如开关一般让灯具开或关，让使用者可以轻松控制灯具。

如图9所示，则为主灯流程图，当蓝牙与手机App连接后，主灯将接收传送的讯息，并判断是否为主灯或是其他子灯的讯息，若没有跟蓝牙连接，主灯将成为一般的照明模式。

而如图10所示，则为子灯流程图。当主灯将讯息传送给子灯，子灯会判断是否为此子灯的讯息。若是的话子灯显示资讯，反之，若不是此子灯，子灯会将资讯传送给其他子灯。

图7 : 主灯流程图

软体方面

如图11所示，为传送软体流程图。其中，先让App与蓝牙模组连接后，App将下达不同指令，依照指令的不同藉由蓝牙模组传送给MCU。而MCU接收后，依据指令的不同，藉由蓝牙模组传送给App接收。

此外，指令分有几个部分，分别为：接收颜色及亮度、天气状况及PM2.5状态、传送目前状态等。

图8 : 软体流程图

肆、系统测试

紧接着，如下说明如何测试本作品：

1. 首先，将组合式智慧灯具上电，此时会做初始化动作。

2. 把蓝牙模组及网路与手机App连结，此时手机App按下介面上的灯具状态，将显示目前灯具的连接状态。

3. 手机画面呈现出空气品质与天气资讯，是如图12与13所示。

4. 将手机App进入到选择模式画面，可以开始下需要的资料指令，MCU也会接收资料指令。

5. MCU将资料指令传给灯具使其依照功能动作，如图14及图15所示。

6. 使用者可以使用手指触碰灯具控制开启或关闭。

7. 资料库会根据行政院环保署的资料做出更新，如图16所示。

图9 : 软体流程图

伍、讨论与结论

以下，针对本作品做简单的讨论与结论，且如下以功能性，创新性与实用性加以叙述：

功能性

目前的市面上，照明设备通常仅仅用于照明，开启照明设备通常使用开关或是触控方式，且体积偏大，难以携带。而本作品只需一手即可掌握，不仅方便携带，还可以随时贴于墙上或桌上，成为照明设备。搭配其他云端智慧灯具，使用者可自由组合，成为墙壁艺术。本作品利用手机App做控制，只要与蓝牙模组及网路连接后，使用者就可以使用手机App远端控制所有云端智慧灯具。例如，亮度、颜色及显示的资讯等，手机App可与资料库做连接，并显示政府机构的Open Data资料，供使用者使用。

创新性

在目前的社会中，照明设备已经不足为奇，但一般的照明设备仅有一种形状及体积，例如：台灯及电灯。而现代人如要知道资讯，通常都是使用手机查询所要资料，若查询某些资讯是每天的例行事项，重复的查询会让人烦躁。本作品的组合式云端智慧灯具不仅是可以当作一般照明设备，还有多种颜色任使用者设定，以搭配不同的需求。而在能自由组装智慧灯具的情况下，可以让使用者自行设计拼装的大小及形状，还可藉由手机App选择特定的灯具所要显示的资讯，使每组智慧灯具都能呈现不同资讯。因此，不仅能当成资讯板还能成为增加气氛的灯具，且拥有美丽的外观，让室内充满艺术气氛。

实用性

本作品与一般灯具相比，因本身所具有之侧边接点可将每组智慧灯具接合在一起，拥有组合的功能，相对于一般灯具仅有一种颜色，且仅用于照明的单纯功能。由于透过侧边接点可使智慧灯具可自由组合于墙上，让智慧灯具本身变得客制化及独特性，且智慧灯具可根据使用者的APP来改变亮度及颜色。此外，智慧灯具装有触控开关，使用者可以透过触控方式控制智慧灯具的开关。

最后，透过此作品可实现出智慧居家应用的一个照明情境方案。

(本文作者为虎尾科技大学 资讯工程学系 许永和教授、杨宸瑜、杨沛臻)