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秀才不回家便知家電事
第十一屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 共同執筆】   2017年12月18日 星期一

瀏覽人次:【1218】
  

目前市面上的智慧型插座相關產品雖有電流、功率量測等顯示,另有少部分以藍芽與手機結合,達到顯示、警示等功能,但藍芽傳輸畢竟有著距離上的限制,若出門在外或超過距離便無法得知電器的耗能狀況。所以,本作品透過無遠弗屆的網路連結改良其缺點,除了原本的顯示、控制等功能之外,將資料上傳至網路伺服器,達到大數據(Big Data)分析。當累積的數據越多,資料的統計結果也就更具代表性。


因此,本作品不再僅侷限於單純的顯示、警示與控制,而是可以達到更多的數據分析;透過數據分析與統計,可得知電器的消耗功率和用電度數,讓使用者藉由數據的檢視,對用電量有所警惕進而屏除不良的用電習慣。此外,也可由數據分析,查看該電器用品可能因元件的老化而導致效能變差,提醒使用者汰換或改用有「節能標章」的電器產品,以避免不必要的電力損耗。如果使用中的電器產品電流流量突然升高,插座將會自動斷電保障用電安全,並發出簡訊通知使用者,這將是本作品與市面上產品的不同之處,也是其優點與特色。


前言

創作動機

近年來全球暖化速度加快,出現極端氣候的頻率愈來愈高,所造成的災損也愈來愈大。節能減碳已成為地球人的全民運動,我們也希望國內的民眾能更深入認識這些趨勢與議題。世界各國政府無不積極擬訂「節能減碳」相關政策加以因應。台灣身為地球村的一員,自然必須共同正視全球暖化的課題。而個人則可以從日常生活中的食、衣、住、行等方面付諸行動,達到「節能減碳」的目標,愛惜環境,關懷地球。


日常生活最不能缺少就是插座,無論是手機充電、天熱吹冷氣、天冷開電暖爐、讀書時開啟檯燈,都要需要以插座提供電力讓這些電器開始運作。雖然是再平常也不過的東西,但在智慧型手機與網路普遍的現在,插座卻有了新應用,也就是透過行動裝置與網路連通後,就算我們不在家中,也可以遠端開啟插頭電力,讓電扇開始啟動、電燈先打開,一回到家後就可以享受到舒適的環境。


創作目的

本作品本身不僅只是插座而已,其進一步與物聯網(IoT)結合應用,以達到「節能減碳」的目的,最後呈現出完整的智慧聯網插座;透過本作品,使用者可隨時隨地檢視家中各電器的耗能狀況;其中,即時用電量與預估度數的顯示,讓使用者對用電量有所警惕,進而養成良好的用電習慣,以因應「節能減碳」的基本要求。


另外,若發現用電量異常的升高,也可透過網路遙控即時關閉該電器的電源以免釀成災害,保障用電安全。特色是在任意地點、任何時間,只要透過網路就可以知道家電用品的用電量、隨時隨地的控制家電用品,分為即時現場操控和遠端遙控。對消費者而言插座已經成為不可缺少的用品,又加上連網的功能,在市場競爭力一定會大幅提升。


其次,伺服器(Server)端的統計資訊更可提供使用者近一年各電器的耗能情形,作為家電是否因老舊而效能降低導致用電量增加的依據;有了這樣的統計數據,使用者可考慮是否該汰換老舊的家電以提升用電的效能。


工作原理

本作品主要以盛群HT66F70A晶片為核心,搭配電流量測、WiFi模組、藍芽模組、彩色LCD顯示。首先以智慧插座做為家電用品的供電來源,藉由內嵌於插座內部的微控制器偵測電器目前的ON/OFF狀態;透過HT66F70A的ADC介面讀取電流傳感器之感測值,經由程式的計算轉換為對應的電流大小與功率,並即時顯示在LCD上。此外,可進一步透過WiFi模組經網際網路將量測值傳送至遠端的Server PC做進一步的處理與儲存,使用者可以隨時隨地透過網路瀏覽Server端的資訊,查看當下的用電情形。此外,在沒有網路的情形下,也可經由藍芽模組將微控制器所量測電流大小傳送到手機端顯示。搭配程式的設計,使用者可以設定警戒值,當電流或用


圖1-3
圖1-3

電量超過警戒值時可由微控制器端自動將該電器斷電,以避免因電流超過負荷而造成危險。透過Server端網頁的程式設計,除了讓使用者隨時監視電器設備的使用狀況之外,亦可由遠端隨時開、關插於插座上的家電,用電異常時也可以透過簡訊即時通知使用者。


作品結構

硬體架構

HT66F70A


本作品主要使用HT66F70A晶片,其主要特色工作頻率最高可達 16MHz 、 32KB Flash、2048×8SRAM、128×x8EEPROM Memory 、16 Level Stack、12位元的高速類比 / 數位轉換器、內建比較器及 SPI 及 SPI / I 2 C 或是 USB或UART 介面、全新設計的 Timer Module,可有Capture、Compare、Timer/Event、Single Pulse Output、PWM等五種模式、具有 IAP (In Application Programming) 功能,不僅可將程式空間做為資料儲存之用,更可達到程式更新的功能、採用 64-pin LQFP封裝等。


作品微控制器運作:


本作品以PD4~PD7控制繼電器開關,電流感測部分則是利用ADC模組,讀取PA4~PA7接腳之電流感測器之電壓變化,並經由程式轉換為對應之電流。以HT66F70A的TM0、TM3搭配外部中斷實現Soft UART與WIFI模組溝通,將資料傳至網頁伺服器。



圖4
圖4

SSR固態繼電器


SSR固態繼電器,主要用來做開關切換使用。SSR具有良好的耐壓、防潮、防腐、抗震動等性能。具有工作安全可靠且壽命長、無觸點、無火花、無污染、高絕緣、超過2.5kv的高耐壓、低觸發電流、開關速度快、可與數位電路搭配,因為沒有像傳統電磁繼電器使用機械接點與輸入線圈,所以能在高衝擊、震動狀態環境下穩定工作,提高了使用壽命和可靠性,不至於產生觸點燃弧火花、回跳噪音,以及電磁干擾等問題。


圖5
圖5


電流傳感器

主要量測插於插座上電器的電流。以下是電流感測器規格:

  • 系列:TA12;TA17(額定輸入電流:5A;10A)
  • 全密封,採用超微晶鐵芯 ,線性度優於2 ?
  • 抗電強度:大於6000V AC/1min
  • 阻然特性:撤離火焰燃燒時間小於10秒
  • 使用環境:溫度-55℃~+85℃
  • 相對濕度不大於95%
  • 工作頻率:20Hz~20KHz


圖6
圖6

藍芽、WiFi模組/


藍芽

WiFi

規格型號

藍牙v2.0+EDR

ESP8266-01

電壓

3.3 ~ 3.6V

3.3V

頻率範圍

2.4GHz

2.412GHz-2.484GHz

表一 藍芽WiFi規格


本作品透過WiFi模組經網際網路將量測值傳送至遠端的電腦伺服器做進一步的處理與儲存,使用者可以隨時隨地透過網路瀏覽伺服器端的資訊,立即查看當下的用電量情形。另一方面,在沒有網路的情形下,也可經由藍芽模組將微控制器所量測電流大小傳送到手機端顯示。



圖7-8
圖7-8

軟體架構


圖9
圖9

網頁端



圖10
圖10

網頁前端語言

網頁後端語言

資料庫

HTML

PHP

MYSQL

JavaScript

CSS

表二 網頁語言


網頁主要以HTML寫成,並搭配PHP語言將網頁與資料庫做連結,讀取所需資料,JavaScript 語言以圖表方式將資料顯示,而CSS修飾網頁美觀、友善,讓首次使用的用戶在登入網頁後即可快速上手,網頁之各個頁面都是處理器獨立運算,即時更新資料。


微控制器如何上傳資料至網頁伺服器:


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


HT66F70A經由WiFi模組連結至網頁接收頁面GET.PHP,以網址傳值的方法,將socket1(插座一)、socket2(插座二)、socket3(插座三)、socket4(插座四)、btnstate(按鈕狀態)的值分別讀出,經由換算存入資料庫。


網頁網址傳值抓取:


$socket1 = $_GET["socket1"];


$socket2 = $_GET["socket2"];


$socket3 = $_GET["socket3"];


$socket4 = $_GET["socket4"];


$btnstate= $_GET["btnstate"];


網頁畫面



圖11-12
圖11-12

PC伺服器上除了建立資料庫儲存插座端傳送過來的資料之外,也搭配網頁的撰寫與設計,讓使用者可隨時觀測相關的流量數據以及實現遠端開、關控制的功能。如圖12所示,由網頁的即時流量可知道該插座使用家電用品的消耗功率,若超過該電器所註明的最高額定功率,這可能是一個警訊,這意味著該電器可能因使用超過年限或其他原因而導致效能降低,使用者可以考慮汰換該電器以節省耗電量,並提升用電安全。而當日累積流量的顯示可明確了解該家電用品當天所使用的度數,讓使用者對用電量有所警惕,進而屏除不良的用電習慣,以避免不必要的電力損耗。



圖13-15
圖13-15

圖13為預估用電度數的顯示,其目的是讓使用者了解該家電持續使用一小時所耗用的用電度數,提醒使用者是否該適時關閉電器、或降低使用的功率(如調降風扇轉速、電熱器溫度等等)。


圖14當家電用品使用一段時間,就可幫使用者推算預估分別八小時、一天、一個月的四個插座所始使用總度數,達到警惕使用者對使用電的預警功效。


圖15為網頁的整體畫面,在網頁的最下方統計一年十二個月份四個插座分別所使用的度電數和總度電數,可觀看出十二個月份用電量高低,進而達到警惕的效果,減少不必要的電力使用。此外,藉由此一統計圖表的觀測,可提供使用者了解家電長期用電的耗能狀況,對於長期用電的電器(如冰箱),若有用電狀況呈現成長的趨勢,這有可能是使用年限已至而導致效能降低所致,使用者可依此作為汰換該電器的參考。


手機端


首先手機端開啟藍芽與藍芽模組(微控制器端)進行配對連線的動作,作為傳送資料的重要橋樑。



圖16-17
圖16-17

圖16在手機端主畫面可以點擊不同的功能按鈕,主要是能夠查看目前實際使用度電數與目前為止所累積度電數,也可以選擇切換插座組別,讓使用者清楚目前的現況。


圖17為安全限流斷電機制,可以利用手動滑桿來限制電流與累積度電的大小,只要超過安全限流額定數值,就立刻將智慧插座自動斷電,可以有效降低電線走火的可能性。



圖18-19
圖18-19

圖18為預估度電設定,主要目的只是想讓使用者方便,可以經由預估電流大小,來估算出使用度電數,與實際度電來做適當考量。


圖19各插座電流大小為手機端的主要特色,就是藉由顏色強度來辨識目前的電流大小,可以直接觀看各個插座的電流現況。


測試方法

非侵入式電流量測實驗

(1) 量電流方式有串聯方式與非接觸式,一般非接觸式都是使用霍爾電流感應方式量測,但因為使用感應電流方式取得一定比率的電流再回推實際值,這會因為環境因素影響其準確性,但非接觸式有個好處如其名稱一樣,不需要變更線路設計就能量測到電流。比流器(Curren Transformer,CT)又稱作電流互感器,其原理與變壓器相同,構造為在環形鐵芯上纏繞n圈之二次線圈與貫通電線之間會有n:1的變流比。


(2) 電流輸出型式之應用電路,參考圖20;圖中33Ω即是Burden Resistor。



圖20-21
圖20-21

(3) 採用購買的SCT 013 10A/1V模組為電壓型式,故圖20之33Ω電阻可省略;因為感測的輸出為AC訊號,因此必須以兩顆電阻分壓予以提升至微控制器可處理之電壓範圍。


(4) 量測時要注意鉤環內僅能有AC線的單一條通過;如圖21,否則磁場會被平均,導致無法量測到數據;同時要注意其方向性。


圖22~圖25是以示波器實際量測,測量值均會隨著風扇的轉速高低而有所變化。



圖22-25
圖22-25

數值校正

硬體完成後,連上藍芽或WIFI發現插座沒接上任何電器產品的狀況下,會出現一些雜訊(如圖24所示),推測是電源從AC轉變成DC所造成的訊號干擾問題,所以我們在電源DC輸入點加入π型濾波器來改善訊號干擾的現象,但是偶爾還是會出現些許的雜訊。本組推測是PCB手工焊接的線路佈局、繞線、焊接等問題導致雜訊干擾!最好的解決方式,是以PCB Layout並以機器洗出電路板;但礙於經費,目前尚無法有效克服。



圖26-28
圖26-28

插座插上電器產品後,顯示數值與市售勾錶量測出的數值有些許所誤差,透過程式修正後,數值與勾錶量測結果差距不大(如圖27所示),再依序針對剩餘的插座做修正。


結論

本作品是新型的插座設計,在傳統的插座上添加了微控制器的程式控制,讓電流的用量能得以經由藍芽傳送到手機、或透過WiFi傳送到網頁伺服器讓使用者可以隨時隨地檢視家中電器的用電狀況,而藉由網頁伺服器所建立的資料庫統計分析,可以了解電器的歷史耗能狀況。


未來,此一技術可進一步嵌入至電器用品的內部,或與電器內嵌的微控制結合,讓智慧型家電所提供的資訊更加豐富!


歷史的耗能記錄,也能提供電器製造商評斷自家產品長期使用的節能效率,做為新一代產品設計時的參考。如此,在使用端透過數據的檢視督促用戶養成良好的用電習慣,而設計端藉由歷史耗能記錄提供製造商設計更節能的電器;相信在這雙管齊下的策略運用之下,對於節能減碳的訴求必定能提供相當的助益!


(本文作者鍾啟仁1、陳松榆2、張詠登3、蔡承運4為明新科技大學電子工程系1教授及2-4學生)


參考文獻


[1]物聯網(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]藍芽


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


[4]SSR繼電器


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


[5]電流傳感器


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


[6]HT66F70A使用手冊


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


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