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组合式云端智慧灯具
第十二届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 共同執筆】2018年01月18日 星期四

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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於白昼的长短,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,从此之後,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,到了现代,因LED具有节能、环保、寿命长、体积小等特点,可以广泛应用於各种指示、显示及装饰等领域,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。


在目前客制化与创意并行的时代,我们运用人们对於「光」的吸引力,制作出组合式云端智慧灯具。使用者可以自由组合智慧灯模组贴於墙上,让室内加点装饰,美化环境、炒热气氛,同时藉由LED显示资讯,例如:天气、空气品质及时间等。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、亮度及显示资讯,让室内充满不同的氛围和热情。


1. 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隹,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,我们想到了人们对於「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具,不管大人、小孩或老人都能轻松使用的产品。


作品构思:

Android App将控制灯具,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。


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


功能性:

目前的市面上,照明设备通常仅仅用於照明,开启照明设备通常使用开关或是触控方式,但都是单一为主,很少有可自由组合的照明设备,本作品可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後,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,将政府的Open Data显示,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。本团队制作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,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,不仅能当成资讯板还能成为炒热气氛的灯具,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,因本身所具有之智慧接点可将每组智慧灯具接合在一起,拥有组合的功能,且一般灯具仅有一种颜色,用於照明。由於智慧接点使智慧灯具可自由组合於墙上,让智慧灯具本身变得客制化及独特,且智慧灯具可根据使用者需求改变亮度及颜色,因此,本团队认为智慧灯具不仅可以取代一般照明设备,也可以成为室内的艺术品,本作品使用手机 App来控制智慧灯具。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。


2. 工作原理

本作品使用盛群(Holtek) 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8Bit微控制器,使8Bit微控制器传送指令给32bit微控制器,再由2bit微控制器控制智慧灯具,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 使用的功能

组合式云端智慧灯具采用盛群(Holtek)的HT66F2390微控制器为主,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开启或关闭。


2.2 蓝牙模组

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


模组采用T1的 CC2540芯片,配置256K Byte空间,支持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、配对密码等叁数,使用灵活,如图1所示为蓝牙模组。


图1 : 蓝牙模组
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。


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,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, 本团队使用BS812A-1当作触控开关使用,以控制智慧灯具的亮度。


2.3.1 BS812A-1特 性

1. 两个触控按键输入


2. 自动校准功能


3. 供应电压 2.2V~5.5Vv


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 : BS812A-1
图2 : BS812A-1

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。是电脑硬体的一部分,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
图3 : UART资料传输格式示意图

2.5 I2C特性与原理

I2C是一种串列通讯汇流排,使用内送流量被援容错机制从架构,I2C使用两条双向漏极电路及串列时脉,并利用电组将电位微上拉。


I2C的叁考设计使用一个7位元长度的位址空间但保留了16个位址,所以在一组汇流排最多可和112个节点通讯,依传输速率的不同而有不同的模式:


1. 标准模式(100 Kbit/s)


2. 低速模式(10 Kbit/s)


I2C start condition有二种情况,如所示,虚线表示read动作时的第二次start condition,实线表示r/w时的第一次start condition。


I2C stop condition只有一种情况,如下图所示。



图4 : I2C的启动与停止条件
图4 : I2C的启动与停止条件

3. 作品结构

本作品主要功能可分为二部分,分别为手机App与硬体,如图5为系统架构图。以下将详细说明各个功能:



图5 : 系统架构图
图5 : 系统架构图

第一部分为手机App,运用Bluetooth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。手机App配有查看天气状况及空气品质的页面,可利用Bluetooth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,在组合式云端智慧灯侧面皆有磁铁,可以让智慧灯具随时在墙上组合出不同的形状,在内部有一Bluetooth模组,以随时接收手机App的指令,使其做出指令,组合式云端智慧灯拥有触控开关,可让使用者用触控方式控制智慧灯具亮度。


硬体方面

在硬体方面主要是以智慧灯的外观及一些功能做说明。如图6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。


图6 : 触控IC流程图
图6 : 触控IC流程图

如图7所示为主灯流程图,当蓝牙与手机App连接後,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。


图7 : 主灯流程图
图7 : 主灯流程图

如图8所示为子灯流程图,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,若不是此子灯,子灯会将资讯传送给其他子灯。



图8 : 子灯流程图
图8 : 子灯流程图

软体方面

如图9所示,此为软体传送流程图。先让App与Bluetooth连接後,App将下达不同指令,依照指令的不同藉由Bluetooth传送给MCU。


MCU接收後,依据指令的不同,藉由Bluetooth传送给App接收,如所示。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9 : 软体流程图
图9 : 软体流程图

4. 测试方法

1. 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可以开始下需要的资料指令,MCU也会接收资料指令。


3. MCU将资料指令传给组合式云端智慧灯具使其依照功能动作。


4. 使用者可以使用手指触碰灯具控制开启或关闭。


(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)


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