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組合式雲端智慧燈具
第十二屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 共同執筆】   2018年01月18日 星期四

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摘要

馬克西姆·高爾基曾說:「人類一切美好的東西都來自太陽之光。」。在原始時代,人類因為「火」的發現而獲得了光和熱,使人類的活動不再侷限於白晝的長短,也漸漸發展出文明。由此可知,光對人類而言是十分重要的存在。人類因為仰賴光,在西元1854年發明了燈泡,從此之後,開啟了人類追求更加完善的照光設備。但在追求文明及進步的過程中,因大量使用能源,使地球資源不斷減少,「節能」成為不可或缺的功能。隨著科技的進步,LED具有節能、環保、壽命長或體積小等特點,被廣泛應用於各種指示、顯示或裝飾等領域。例如:路燈、指示燈及廣告跑馬燈等,成為大家常使用的顯示照光設備。


而在目前客製化與創意並行的時代,我們運用人們對於「光」的吸引力,製作出組合式雲端智慧燈。使用者可以自由組合智慧燈模組貼於牆上,讓室內加點裝飾,美化環境與增加生活智能顯示。同時藉由LED顯示資訊,例如:天氣,時間,與PM2.5空氣品質等。使用者可觸碰觸控開關,自由變換LED的亮度,也可搭配Android App控制LED顏色、亮度及顯示顏色,讓室內充滿不同的氛圍和燈光變化。


壹、前言

在目前的社會中因為全球化的關係,讓人類的競爭愈發強烈,工作、課業及生活上的壓力也是與日俱增,如果沒有好的壓力調適方法,將會導致身心狀況不佳,影響整體生活的品質。懂得享受生活成為人們釋放壓力的重要觀點,適當的休閒活動可以讓人們能繼續面對生活。因此,我們想到了人們對於「光」的喜愛,及目前興起一股「客制化」風潮,決定設計出一款既美觀又實用的組合式雲端智慧燈,不管大人、小孩或老人都能輕鬆使用的產品。


在此作品中,透過Android App來控制燈具,並可透過手機查看目前燈具狀態、控制燈具狀態及查看天氣狀態與空氣品質。若使用者想單純開關燈具,可直接觸碰燈具,將燈具當成照明設備。


此外,本作品可另外供使用者自由組合貼於牆上,讓使用者自行設計組裝形狀,達到自行設計之目的。


貳、工作原理

本作品使用Holtek公司的HT66F2390 8Bit微控制器,與HM-13、BS812A-1及手機App等元件設計而成。主要工作原理:使用者使用手機App傳送使用者要求的指令並透過模組將資訊傳送給8-Bit微控制器,使8-Bit微控制器傳送指令給32-bit微控制器,再由32-bit微控制器控制智慧燈具。因此,可使智慧燈具根據指令改變顯示的狀況,或將目前智慧燈具的連接位置指令經由藍牙模組傳送給手機App,讓使用者觀看目前燈具的位置及顯示情況。


2.1 盛群MCU功能

組合式雲端智慧燈具採用Holtek公司的HT66F52390微控制器為主,以及利用UART與藍牙溝通,得知手機給予微處理器的資訊,並將資訊傳給32bit微控制器使LED動作。


當觸控IC被觸發時,HT66F52390會接收到訊息,將訊息傳送給32bit微控制器,再使LED開起獲關閉。


2.2 藍牙模組

在此,採用HM-13藍牙模組,是新一代藍牙V4.0協議的數據模組,其特色是具有低功耗的功能,並不需要佔用太多頻寬,於是本團隊選擇使用HM-13。此藍牙模組的無限工作頻率為2.4GHz ISM,最大功率為4dBm。


此外,這模組採用T1的CC2540晶片,配置256K Byte空間,支援AT指令,用戶可根據需要更改主、從模式以及串列傳輸速率、設備名稱、配對密碼等參數,使用靈活。如圖 1所示,為藍牙模組實體圖。


圖1 : 藍牙模組實體圖
圖1 : 藍牙模組實體圖

2.3 觸控IC

盛群(Holtek)標準Touch Key週邊IC BS81xA-x系列有3個型號,分別是BS812A-1、BS8112A-3及BS8116A-3。此系列IC透過外部的觸摸按鍵感應可人手的觸摸動作,內部電路可自動對環境變動作校正,以強化觸摸檢測的正確性。


而BS812A-1提供了2個觸摸按鍵,對應2個輸出腳,應用電路只需極少的外部元件即可工作。此外,封裝形式為體積極小的6-pin SOT23,適合有體積限制的應用。因此,本專題使用BS812A-1當作觸控開關使用,以控制智慧燈具的亮度。


此外,BS812A-1特性如下所列:


1. 兩個觸控按鍵輸入


2. 自動校準功能


3. 供應電壓2.2V~5.5V


4. 小待機電流


5. 自動切換待機/工作模式


6. 抗電壓波動


7. 外接電容可調整感度


圖2 : BS2812-1 腳位圖示意圖
圖2 : BS2812-1 腳位圖示意圖

2.4 UART特性與原理

UART是一種通用非同步收發傳輸器,通常稱作UART,其為電腦周邊硬體的一部分,將資料由串列通信與並列通信間作傳輸轉換。UART通常用在與其他通訊協定(如EIA RS-232)的連結上。在串列傳輸通訊協定的格式內容,每一個符號由四種資料共11個位元所組成,共分為:


1. 起始位元(Start Bit)


2. 資料內容(Data)


3. 奇偶同位元檢查碼(Priority Bit)


4. 停止位元(Stop Bit)


如圖3所示,資料透過FIFO(First Input First Output)的方式,由最低有效位元LSB(Least Significant Bit)開始傳輸直至最高有效位元MSB(Most Significant Bit)(奇偶同位元(PB)可以選擇忽略不使用)。



圖3 : UART資料傳輸格式示意圖
圖3 : UART資料傳輸格式示意圖

2.5 I2C特性與原理

2.5.1 I2C串列介面


I2C使用半雙工同步多主從架構,其中任何能夠進行發送和接收的裝置都可以成為主控,控制訊號的傳輸和頻率。而其匯流排的長度可達10英呎,具備慢(小於100Kbps)、快(400Kbps)及高速(3.4Mbps)三種速率,每一種均可向下相容。


2.5.2 I2C傳輸訊號格式


串列介面I2C的I/O一般可分為推挽式輸出、開極集和三態等三種方式。而I2C串列介面本身則為開洩極或是開極集的構造,因此需要外加電源,並且加上提升電阻才能夠運作使用。


如圖4所示,說明I2C串列介面傳輸波形。我們使用外部的提升電阻連接到VCC電源上。



圖4 : 一般的I2C串列介面傳輸波形圖
圖4 : 一般的I2C串列介面傳輸波形圖

在圖4中,資料是首先傳送MSB,然後最後才是LSB。在時脈的最後時刻,主裝置端就會空接SDA線,並允許從裝置端提升SDA為低電位來確認這個傳輸。


為了同步I2C串列介面資料,僅有當SCL是低電位,且SCL在轉變為有效的高電位時,才允許串列資料(SDA)改變狀態。但對於這種規則,還有兩個例外,也就是產生開始與停止狀態時。其中,包含了:


‧開始狀態:當SCL是高電位,SDA從高電位轉換至低電位。


‧停止狀態:當SCL是高電位,SDA從低電位轉換至高電位。


I2C串列介面資料處理的第一個位元組包括了所需的周邊位址。圖1顯示出第一個位元組的格式,有時也稱為控制位元組。這主控端使用9個位元序列,去選擇在這特定位址的I2C周邊裝置,並建立傳輸方向(使用R/W),以及由ACK位元來測試以決定周邊裝置是否存在。


而4個重要位元,SA3-SA0是周邊晶片組的從裝置位址。這個I2C裝置是靠NXP半導體公司預先指定的從裝置位址來決定從裝置型態。DA2~DA0的裝置能被分別定址,以允許同一種裝置類型能有8個不同位址的元件同時連接在一起。而第8個位元(R/W)是用來設定資料傳輸的方向。若是1的話,主裝置執行讀取資料的動作,反之則是執行寫入資料之用。


此外,為了要定址出所連接的I2C從裝置,一般可以分為7-bit短定址與10-bit長定址等兩種類型以符合不同的需求。如圖5所示,分別為7-bit與10-bit定址方式的示意圖。



圖5 : I2C Bus定址方式示意圖
圖5 : I2C Bus定址方式示意圖

參、作品系統設計

本作品主要功能可分為二部分,分別為手機App與硬體。其中,如圖6所示,為作品結構示意圖,以及如圖7所示,則為系統架構圖。以下,將詳細說明各個功能:


第一部分為手機App,運用藍牙模組與手機App作連結,並使用Android介面的App控制及查看組合式雲端智慧燈具的資訊。例如:控制燈的亮度及顏色等,讓智慧燈可以隨時改變亮度及顏色,達到遠端控制的功能。當使用者利用手機App向智慧燈做出指定哪顆智慧燈時,就可以讓特定的智慧燈做出使用者所下的要求。


而手機App配有查看天氣狀況及空氣品質的頁面,可利用藍牙模組傳至智慧燈讓智慧燈顯示目前的天氣圖案及空氣品質。因智慧燈十分簡單操作,不管大人小孩老人都可以馬上學會操作,達到與家人朋友互動的效果。


第二部分為硬體部分(參考圖6),在組合式雲端智慧燈具側面皆有磁鐵,可以讓智慧燈具隨時在牆上組合出不同的形狀。而在內部有一藍牙模組,以隨時接收手機App的指令,使其做出指令,組合式雲端智慧燈具擁有觸控開關,可讓使用者用觸控方式控制智慧燈具亮度。


圖6 : 圖6-7
圖6 : 圖6-7

硬體方面

在硬體方面主要是以智慧燈具的外觀及一些功能做說明。如圖8所示,為使用者直接用手碰觸燈具的流程圖,觸控IC會如開關一般讓燈具開或關,讓使用者可以輕鬆控制燈具。


如圖9所示,則為主燈流程圖,當藍牙與手機App連接後,主燈將接收傳送的訊息,並判斷是否為主燈或是其他子燈的訊息,若沒有跟藍牙連接,主燈將成為一般的照明模式。


而如圖10所示,則為子燈流程圖。當主燈將訊息傳送給子燈,子燈會判斷是否為此子燈的訊息。若是的話子燈顯示資訊,反之,若不是此子燈,子燈會將資訊傳送給其他子燈。


圖7 : 觸控IC流程示意圖/ 主燈流程示意圖/ 子燈流程示意圖
圖7 : 觸控IC流程示意圖/ 主燈流程示意圖/ 子燈流程示意圖

軟體方面

如圖11所示,為傳送軟體流程圖。其中,先讓App與藍牙模組連接後,App將下達不同指令,依照指令的不同藉由藍牙模組傳送給MCU。而MCU接收後,依據指令的不同,藉由藍牙模組傳送給App接收。


此外,指令分有幾個部分,分別為:接收顏色及亮度、天氣狀況及PM2.5狀態、傳送目前狀態等。



圖8 : 軟體流程圖
圖8 : 軟體流程圖

肆、系統測試

緊接著,如下說明如何測試本作品:


1. 首先,將組合式智慧燈具上電,此時會做初始化動作。


2. 把藍牙模組及網路與手機App連結,此時手機App按下介面上的燈具狀態,將顯示目前燈具的連接狀態。


3. 手機畫面呈現出空氣品質與天氣資訊,是如圖12與13所示。


4. 將手機App進入到選擇模式畫面,可以開始下需要的資料指令,MCU也會接收資料指令。


5. MCU將資料指令傳給燈具使其依照功能動作,如圖14及圖15所示。


6. 使用者可以使用手指觸碰燈具控制開啟或關閉。


7. 資料庫會根據行政院環保署的資料做出更新,如圖16所示。


圖9 : 手機畫面-AQI空氣品質示意圖/手機畫面-天氣示意圖/燈具顯示天氣實體示意圖/顯示時間實體示意圖/資料庫資料示意圖
圖9 : 手機畫面-AQI空氣品質示意圖/手機畫面-天氣示意圖/燈具顯示天氣實體示意圖/顯示時間實體示意圖/資料庫資料示意圖

伍、討論與結論

以下,針對本作品做簡單的討論與結論,且如下以功能性,創新性與實用性加以敘述:


功能性

目前的市面上,照明設備通常僅僅用於照明,開啟照明設備通常使用開關或是觸控方式,且體積偏大,難以攜帶。而本作品只需一手即可掌握,不僅方便攜帶,還可以隨時貼於牆上或桌上,成為照明設備。搭配其他雲端智慧燈具,使用者可自由組合,成為牆壁藝術。本作品利用手機App做控制,只要與藍牙模組及網路連接後,使用者就可以使用手機App遠端控制所有雲端智慧燈具。例如,亮度、顏色及顯示的資訊等,手機App可與資料庫做連接,並顯示政府機構的Open Data資料,供使用者使用。


創新性

在目前的社會中,照明設備已經不足為奇,但一般的照明設備僅有一種形狀及體積,例如:檯燈及電燈。而現代人如要知道資訊,通常都是使用手機查詢所要資料,若查詢某些資訊是每天的例行事項,重複的查詢會讓人煩躁。本作品的組合式雲端智慧燈具不僅是可以當作一般照明設備,還有多種顏色任使用者設定,以搭配不同的需求。而在能自由組裝智慧燈具的情況下,可以讓使用者自行設計拼裝的大小及形狀,還可藉由手機App選擇特定的燈具所要顯示的資訊,使每組智慧燈具都能呈現不同資訊。因此,不僅能當成資訊板還能成為增加氣氛的燈具,且擁有美麗的外觀,讓室內充滿藝術氣氛。


實用性

本作品與一般燈具相比,因本身所具有之側邊接點可將每組智慧燈具接合在一起,擁有組合的功能,相對於一般燈具僅有一種顏色,且僅用於照明的單純功能。由於透過側邊接點可使智慧燈具可自由組合於牆上,讓智慧燈具本身變得客製化及獨特性,且智慧燈具可根據使用者的APP來改變亮度及顏色。此外,智慧燈具裝有觸控開關,使用者可以透過觸控方式控制智慧燈具的開關。


最後,透過此作品可實現出智慧居家應用的一個照明情境方案。


(本文作者為虎尾科技大學 資訊工程學系 許永和教授、楊宸瑜、楊沛臻)


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