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第九屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽報告─Window’s風
 

【作者: 陳智勇教授】   2015年05月15日 星期五

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本作品將橫流風扇裝置於窗戶上,利用氣旋加速之原理帶動窗戶內外空氣之流動以產生氣流,並透過機構控制下方所吹出的風之流向。機構上方四組感測器,分別為溫度、灰塵、雨滴與風速感測器,依這些感測器之數據決定是否需將窗戶關閉及所需要的氣流方向,使室內環境達到最舒適的溫度與品質,減少不必要的空調能源消耗。本裝置還能以G.hn晶片模組連接網路後與手機溝通,使用者透過手機應用程式可觀看目前窗戶與環境狀態,亦可依使用者喜好手動設定氣流方向與窗戶的開閉狀態。



現在天氣溫差變化大[1],室內溫度調節不易。為使室內溫度控制適宜,保持空氣流通,一般做法是將窗戶打開通風。但是窗戶開啟後若進出的風量有限,進一步的做法就是在窗戶上加裝抽風機。但傳統抽風機不僅擋住視線不美觀,同時控制開關及抽風的方向也相當不便。


本作品利用氣旋加速[2]之原理,製造出強勁的氣流,加速通風的效果以求室內達到最舒適的溫度。這樣不僅達到通風的效果,亦可欣賞窗外的風景。若氣溫實在太高,使用者選擇開啟冷氣時,本作品也會自動將窗戶關閉,達到整個流程的順暢性。本作品以盛群微控制器HT66FU50做為控制核心,首先讀取室內外兩側的溫度感測模組之數值,再以所量測的數值作為判別所需氣流方向的依據,以達到室內最舒適的環境溫度。


另外,盛群微控制器也會偵測冷氣開關狀態,當冷氣機被開啟時,便會自動將窗戶關上,避免冷氣流失,達到節能的目的。而本作品透由G.hn晶片模組連結電力線網路,再以路由器與手機溝通,使用者可依自己喜好設定氣流方向及窗戶開關狀態。


工作原理

下圖為本作品的系統架構圖,主要以盛群晶片HT66FU50為核心,控制底部馬達機構及開關窗戶機構。與使用者溝通方面則是透過G.hn晶片模組連結電力線網路。



圖一 :  系統架構圖
圖一 : 系統架構圖

系統流程圖

下圖為本作品的系統流程圖,可比對室內外溫度後決定所需氣流之方向,最後達到舒適的室內溫度。且偵測冷氣開關狀態來決定是否需要將窗戶關上。而使用者也可依自己喜好來做設定。



圖二 :  系統流程圖
圖二 : 系統流程圖

窗戶自動化開關功能

當冷氣開啟時窗戶自動關閉

當室內冷氣開啟時,系統會偵測到冷氣已啟動,並連動窗戶,使窗戶關上。


戶外下雨時窗戶自動關閉

當雨滴感測器的感應板偵測到有水滴時,系統將判斷為下雨,並連動窗戶,使窗戶關上。


室外灰塵過高時窗戶自動關閉

當灰塵感測器感測到,室外的灰塵量到達我們所設定的值,系統將會連動窗戶,使窗戶關上。


控制風向功能

當室外溫度低於室內時,風向往內吹

當系統偵測到室內比室外悶熱時,風扇會開啟,將室外的風吹進室內,達到內外溫度一致。



圖三 : 調節溫度示意圖
圖三 : 調節溫度示意圖

下圖為本作品的機構控制圖,主要以伺服馬達拉動內框,帶動氣流往不同方向吹出,內框向左靠則氣流向同方向吹出;反之則相反。


圖四 : 機構控制圖
圖四 : 機構控制圖

行動裝置通訊與G.hn傳輸

下圖為本系統之G..hn運作流程。首先盛群晶片模組(HT66FU50)先透過TCP/IP網路轉換器(PM-S2E-S01TR25)將UART訊號轉換為TCP/IP通訊格式,接著再透過晶片端之G.hn模組傳送至無線AP端之G.hn模組,最後將手機連上此無線AP,即可以TCP/IP通訊協定與盛群晶片傳輸數據。



圖五 : G.hn運作流程圖
圖五 : G.hn運作流程圖

本作品開發之手機APP,提供使用者觀看目前窗戶狀態及手動控制之功能,讓使用者不需自行前往指定窗戶即可控制窗戶之開閉,以及可依自己喜好來控制氣流方向。手機硬體需求只需有WiFi功能,並且連線到指定的無線路由器即可與盛群晶片連結,再透過使用者介面來觀看控制窗戶狀態與氣流方向。



圖六 : 手機APP使用者介面
圖六 : 手機APP使用者介面

作品結構

微控制器

盛群微控制器HT66FU50將量測到的感測器數據經過A/D轉換後,判別目前需要的氣流方向及窗戶狀態,且控制風扇轉動。最後再透過G.hn模組與手機溝通。


溫度感測模組

本作品使用同為電阻式的熱敏電阻與濕度元件達成溫濕度偵測。熱敏電阻藉由不同的參雜氧化金屬與半導體材料,對不同溫度有不同電阻變化。而電阻濕度感測是在感濕高分子膜上下各蒸鍍上齒狀電極,當濕度改變時,高分子膜吸收水分,使水分改變電極進而使電阻改變。將這類比訊號傳至盛群晶片HT66FU50,再透過數位類比轉換後的數值做判斷,決定所需氣流之方向。


灰塵感測器

光學灰塵感測器(GP2Y1010AU0F)在檢測非常細的顆粒,如香煙煙霧,是特別有效的,並且是常用的空氣淨化器系統。


該裝置中,一個紅外發光二極體和光電電晶體,對角佈置成允許其檢測到在空氣中的灰塵反射光。


該傳感器具有極低的電流消耗(最大20mA,11毫安培典型的),可以搭載高達7VDC的感測器。輸出的是一個類比電壓正比於所測得的粉塵濃度,敏感性為0.5V/0.1mg/m3。


雨滴感測器

本感測器為TTL電位輸出,TTL輸出有效信號為低電位,驅動能力100mA左右,可直接驅動繼電器,蜂鳴器,小風扇...等等。


接上5V電源電源燈亮,感應板上沒有水滴時,DO輸出為高電位,開關指示燈滅;當感應板上有水滴時,DO輸出為低電位,開關指示燈亮,刷掉上面的水滴,又會恢復到,輸出高電位狀態。


雨滴感測器可以利用在智慧農場、環境檢測...等應用。


風速計

風速計可以量測目前空氣的流量大小,若是量測到室外的自然風速流量足夠,盛群晶片會將窗戶打開,透過自然風來調節室內溫度。


橫流風扇

裝置於機構底部,並且透過盛群晶片控制風扇的旋轉與停止,再由機構控制風向。


馬達與螺桿

裝置於窗戶上,透過盛群晶片控制馬達轉向,再由螺桿推動窗戶,來達成窗戶的開啟或關閉。


微動開關

裝置於窗戶上,用來感測窗戶目前狀態是開啟或關閉,再將狀態輸入於盛群晶片之IO腳,若窗戶已關緊或開畢則不再驅動馬達。


G.hn晶片模組

作為連接電力線網路的設備,可將從手機傳輸至路由器的訊號,透過電力線網路傳至盛群晶片HT66FU50。


將本系統連結電力線網路,只需要將電源插上插座,便可與另一端的G.hn晶片模組溝通,而另一端的G.hn晶片模組可連結路由器,如此一來手機便可連上路由器,傳輸訊號給本系統,可以自行設定所需的氣流方向或是窗戶開閉狀態。


測試方法

硬體系統安裝

本作品共有六處需要安裝連結,分別是電源供應器、直流馬達、G.hn模組、感測器、微動開關以及伺服馬達,均連接完成後,電源供應器插上插座即可供電使用。


圖七 : 硬體安裝圖
圖七 : 硬體安裝圖

開啟APP

硬體安裝完成後,即可開啟本隊伍開發之APP來觀看目前窗戶狀態及手動喜好設定。



圖八 :  APP介面說明圖
圖八 : APP介面說明圖

開啟冷氣

按下下方之【開啟冷氣】按鈕來模擬冷氣開啟之狀態,隨後窗戶自動關上。


偵測下雨

當雨滴感測器偵測到下雨時,窗戶也會自動關上,模擬方法為將濕紙巾碰觸於雨滴感測器上。


懸浮粒子過多

當灰塵感測器偵測室外懸浮粒子過多時,窗戶也會自動關上,測試方法為將物品插入灰塵感測器之中,模擬巨大懸浮物之狀態。


室外自然風

當風速計偵測到室外的風速很強時,會將窗戶打開,自然送風,不必再開啟風扇,節省能源,測試方法為將風扇置於風速計之前,風速計便會感測到風的流量,如圖所示。



圖九 : 風速流量大示意圖
圖九 : 風速流量大示意圖

室外溫度較室內低

當溫度感測器感測到室外的溫度低於室內時,會將窗戶打開,並且向內送風,調節室內溫度,達到舒適的環境,測試方法為用手將溫度感測器握住,使溫度感測器量測到較室溫高的體溫,如圖所示。



圖十 : 室內溫度過高示意圖
圖十 : 室內溫度過高示意圖

手動喜好設定

使用者只需按下按鈕,便可以依自己喜好來決定氣流風向以及窗戶是否要關閉。


(本文作者陳智勇為樹德科技大學電腦與通訊系教授,簡敬儒、林子涵、杜子麟、于銘峻為樹德科技大學電腦與通訊系研究生)


參考文獻

[1] http://www.cwb.gov.tw/V7/climate/climate_info/backgrounds/backgrounds_2.html,交通部中央氣象局-全球暖化與氣候變遷


[2] http://technews.tw/2014/08/09/air-multiplier/科技新報-無葉風扇原理圖解


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