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第九届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛─蓝色家电绿色智慧生活
[作者 林振漢教授、姚凱文等]   2015年11月11日 星期三 浏览人次: [29437]


蓝色家电是融合IT技术的新型家用电器,也是在传统家电基础上,提升其性能,成为更强大的新一代电器。一般说法是:只要能够与网际网路相连结的家电产品,都可以称为蓝色家电。因此蓝色家电产品种类很多,有网路电冰箱、网路洗衣机,网路电视、还有通讯功能的手持行动装置,如智慧型手机、平板电脑,笔记型电脑等。蓝色家电的应用,涵盖领域相当广泛,主要以满足家庭生活四大需求:资讯取得、娱乐休闲、通信沟通和家庭自动化。展望未来,蓝色家电势必将逐渐成为未来家电市场的主角,提供人们更便捷的数位生活机能。


目前市场上蓝色家电仍在萌芽阶段,相关标准仍在整合中,真正贩售产品仍不普及,且集中在少数高单价且功能较复杂家电产品。一般家庭使用机会少,尤其是低价且使用量多的家电产品,短期内要全面改装设计成蓝色家电,有其困难度。一般家庭接触机会少,导致一般民众要接受度不高,蓝色家电要全面推广与普及化,仍有很长的路要走。


蓝色家电连上网路的方案很多,目前常见的Ethernet、Wi-Fi或ZigBee网路,都可连接到Internet。由于家电大多配置在家庭或办公室中,且节点众多,Ethernet以有线方式配置,家电多一条网路线并不适合。 Wi-Fi与ZigBee都采用无线方式上网,且多点配置容易,目前Wi-Fi又比ZigBee网路更为普及,因此Wi-Fi上网应该是蓝色家电的首选。此外,家电分布在家庭的各个房间,如何整合上网,也是一个大问题。G.hn是最新一代的电力线通讯规格标准,将可解决智慧家庭连网的问题。 The Sigma Designs 推出的G.hn CG5200HEP series的智慧家庭连网模组,可提供蓝色家电在不同房间与空间的连网管道,强化蓝色家电上网功能。


现在人几乎人手一支智慧型手机,而且随着智慧手机的不断演进,拥有的功能越来越丰富。如何让智慧型手机与蓝色家电结合,也是现今热门的研究主题。蓝牙低功耗(Bluetooth Low Energy, BLE)是最新推出的蓝牙4.0技术,提供智慧型手机与其他装置更便利的互动,若能引进蓝色家电领域,相信延伸出更多智慧型手机与家电之间互动的功能。例如以智慧型手机取代家电的红外线遥控器。


近年来环保意识抬头,绿色节能已成为普世的价值。如何运用现代先进科技,提出绿色节能的解决方案,已经成为大家努力的目标。一般家电的单一耗电量的比重虽然不大,但数量庞大且使用频繁,若能适当节约控制使用,可省下的电能也相当可观。近年来政府大力推动智慧电网(Smart grid),通过智慧电表(Smart meter),随时监测电力使用的状况,或调整家电及企业用户的耗电量,将可降低损耗,达到节约能源的目的。因此蓝色家电若能内建智慧电表,透过上网功能,便能成为智慧电网的一环,除提供便捷的家庭自动化功能外,还可成为具有绿色节能概念的蓝色家电。


基于上述市场考量,本作品先从通用型外挂式蓝色家电模组着手,只要一般家电使用电源插头插上蓝色家电模组,即可升级为具有网路远端监控能力的蓝色家电。因此很容易让目前各种电器产品升级为蓝色家电。当一般家庭有更多机会接触蓝色家电,建立一般民众使用概念与熟悉操作技巧后,一般家电制造商就可以认真考虑,将成熟的外挂式蓝色家电模组,直接内建到家电内部。届时,市场将有庞大需求,蓝色家电普及化,指日可待。


盛群半导体的HT66FU50晶片是快闪记忆体A/D型8位高性能RISC架构微控制器。内建的UART模组功能,是支援资料通信网路之间的低成本微控制器。家电上网并与智慧型手机连线功能,就可透过UART模组连接目前常用的BLE模组做通讯传输,可做成具上网功能的家电设备。此外,HT66FU50晶片的多通道12位A/D转换器和双通道比较器功能,可提供霍尔元件侦测家电耗电量,提供家电具有智慧电表功能。因此HT66FU50晶片很适合用来开发具有绿色节能概念的蓝色家电。


本作品使用HT66FU50晶片结合BLE/IR技术、智慧电表概念,制作外挂式蓝色家电模组,提供目前一般家电,透过BLE、Wi-Fi网路、红外线遥控技术,G.hn,整合到物联网上,成为行动监控与智慧电网的一环,提供具有居家节能监控与舒适便利功能的智慧生活。作品规划构想如图1。



图1 : 作品规划构想图
图1 : 作品规划构想图

蓝色家电具体实现绿色居家节能监控与舒适便利功能的智慧生活功能如下:


(1)使用者透过智慧型手机/平板等行动装置,以蓝牙无线传输方式,无所不在的开关家电,并取代红外线遥控器设定与调变家电功能,提供人们更为便捷的智慧生活。


(2)蓝色家电的智慧电表功能,协助使用者随时掌握家电用电状况,提醒用户节能。


(3)提供蓝色家电节电管理功能,例如排程功能:在指定时间开启/关闭或改变家电的使用模式。在契约容量的监控上,对过量用电做自动卸载功能,提供一个具有环保节能概念的居家环境。


(4)蓝色家电搭配环境感测装置(如温、湿、光感测器),预设最佳环境温湿度状态,自动调节空调与照明家电电源。提供更优质的居住环境品质。


家庭自动化与家电的远端监控的研究相当多,但使用BLE与G.hn并结合智慧型手机的相关技术与研究,仍是一块有待开发的领域。智慧型手机取代红外线遥控器的运用,目前仍少见,相信未来的蓝色家电,一定会往此方向发展。我们想将此概念与技术导入蓝色家电,创造新的价值与应用,相信可以将蓝色家电赋予绿色节能的新概念。


工作原理

本作品使用嵌入式晶片与介面技术、BLE蓝牙通讯、红外线遥控(IR)与智慧电表技术,研发外挂式蓝色家电模组的硬体电路与韧体程式。将目前常见的家电透过电源插座或红外线遥控讯号,连接外挂式蓝色家电模组,将一般家电提升到准蓝色家电的位阶。透过BLE与智慧手机、并运用G.hn智慧家庭连网模组,整合到物联网上,成为行动监控与智慧电网的一环。蓝色家电工作原理如图2,功能说明如下:


(1)使用HT66FU50晶片,连接BLE模组BM79BLEDKMC2与霍尔元件ACS712,制作一款具有蓝牙无线传输与智慧电表功能的外挂插座型模组,提供目前一般家电透过电源插座连接,使其具有蓝色家电功能。


(2)针对具有红外线功能的家用电器,内建红外线遥控功能的外挂无线转换模组,提供目前一般红外线摇​​控家电使用。


(3)蓝色家电可使用具有蓝牙4.0智慧型手机,透过App程式,可直接开关家电,可调控红外线家电。家电开关状态耗电量可直接上传到手机上。


(4)手机可将开关状态与耗电量透过G.hn 智慧家庭连网模组(CG5200HEP),连接到云端伺服机做节能监控。



图2 : BLE蓝色家电工作原理
图2 : BLE蓝色家电工作原理

以下简单摘要介绍本作品使用的HT66FU50晶片BLE技术与模组晶片、智慧电表功能与ACS712-霍尔元件、G.hn 智慧家庭连网模组(CG5200HEP)。


1.HT66FU50晶片

HT66FU50单晶片是一款「A/D型具有8 位元高性能精简指令集的Flash 单晶片」,其 Flash 记忆体可重覆多次线上烧录。这款单晶片包含一个多通道 12 位 A/D 转换器和双比较器功能。 HT66FU50具有高抗杂讯、具备省电模式与唤醒功能,低功率耗电、价格便宜…等功能与特性。 HT66F50单晶片内建完整的SPI、I2C与UART功能,为设计者提供了一个易与外部硬体通信的介面。可应用在一般消费电子上。本作品的感测器需要用到各种介面,可充份利用HT66FU50晶片的功能特性。


2.BLE技术与模组晶片

蓝牙技术联盟最新推出主打低功耗4.0版本,目前已有相关产品上市,是一项低功耗无线通信技术的国际标准。在蓝牙4.0规格中有效传输距离可明显提升至最高约60公尺。制造商可以自行根据产品属性调整其射频范围,让蓝牙传输的应用范围有效拉大。 BLE优点包括:与传统蓝牙和无线网路相比:功耗更低,连接速度更快,与ZigBee技术相比,通讯协定更简单,抗干扰性能更好。与其他2.4GHz的私有技术相比:通用性和互通性更好。本作品使用的BM77SPP03MC2蓝牙模组,包含有蓝牙3.0标准SPP与蓝牙4.0标准设计蓝牙模组。可透过UART介面与微控制器连接。


3.ACS712-霍尔元件

ACS712是专为工业、商业和通信系统中的交流或直流电流感测,提供精确的解决方案的霍尔元件电流侦测器。应用范围包括电动机控制、载荷检测和管理、开关式电源和过电流故障保护。 ACS712感测元件具有精确的低偏置线性霍尔感测器电路。 ACS712 采用小型表面安装SOIC8封装。



图3 : ACS712电路图
图3 : ACS712电路图

4.G.hn 智慧家庭连网模组

本作品使用的G.hn 智慧家庭连网模组是Sigma Designs公司的G.hn CG5200HEP系列产品。 G.hn是1Gpbs透过一般插座桥接电力线与乙太网路设计而成。 CCG5200HEP提供一个完整的开发工具,支援持MIMO(多输入,多输出)和SISO单输入单输出(单输入单输出)G.hn模式。 CG5200HEP操作范围在85-265VAC,50 /60Hz和在不同国家或地区,提供不同的交流插头和插座。实体照片如图4。


图4 : G.hn 智慧家庭连网模组
图4 : G.hn 智慧家庭连网模组

作品结构

1.硬体电路设计

本作品在硬体电路设计使用HT66FU50晶片、BLE模组晶片、ACS712-霍尔元件、红外线发射电路、电源插座配合继电器等元件,制作蓝色家电模组电路,电路规划之方块图如图5。电路与实体如图6。设计说明如下:


(1) 使用HT66FU50晶片TX与RX接脚连接BM79BLEDKMC2模组UART串列通讯脚。


(2) HT66FU50晶片的AN0连接ACS712 霍尔元件ADC 脚位元,主要用来量测交流电流与电压。


(3) HT66FU50晶片的CPU的接脚连接继电器做输出的节点,控制家电电源开关。


(4) HT66FU50晶片的GPIO接脚连接LED,做为红外线IR发射模组。



图5 : 蓝色家电模组方块图
图5 : 蓝色家电模组方块图

图6 : 蓝色家电模组电路(注: 测试用原型电路)
图6 : 蓝色家电模组电路(注: 测试用原型电路)

2.HT66FU50韧体程式

HT66FU50韧体设计使用HT-IDE (Holtek Integrated Development Environment)- IDE3000整合开发环境。蓝色家电的HT66FU50轫体程式开发,包括下列几个部份重点:


(1)硬体层的定义,必须配合硬体电路的规划,方便函式库与主程式的使用。


(2)针对UART、ADC等介面电路的资料传输,必须先建置好相对的函式库,方便主控程式取用。例如ADC,UART通讯传输,依照Data Sheet,建置函式库,主程式可直接使用。


(3)智慧电表功能是使用ACS712 霍尔元件透过A/D 转换后套入公式计算出实际电流值。计算交流电流值是利用积分方式取得转换之AD 值。换算公式是透过量测数据与实际电流做校准分析,得出校准曲线斜率得知。蓝色家电的耗电量就可以透过UART发出无线传输讯号。耗电量超过某一内设数值,立即透过GPIO接脚的Off电源。此外,亦可透过外部电源管理系统发出指令,开关电源。


(4)蓝色家电与外部装置的通讯透过UART转BLE无线传输,传输资料的封包格式必须先订定通讯协定。


(5)主程式的流程规划如下:蓝色家电外挂模组启动后,等待外部指令,并执行功能动作,如开关继电器,发射红外线讯号。并定期传送蓝色家电的耗电量状况。



图7
图7

3.手机App程式

智慧型手机使用Apps程式可透过BLE直接监控蓝色家电,也可以直接连接网际网路,做为蓝色家电与外部网路转发讯息的桥梁。 Apps程式的开发,我们选用Eclipse这套软体开发工具。本作品的Apps程式开发流程如下:


(1)首先安装开发工具JDK(Java Development Kit),安装Eclipse整合开发工具,Android开发工具套件-ADT(Android Development Tools Plugin)与Android SDK工具包。开发手机应用程式。


(2)撰写Java人机介面与输出入监控程式。程式传送的指令封包依据事先规划好的网路通讯协定。封包指令可直接控制网路的BLE/IR蓝色家电,或要求回传蓝色家电耗电量资料,并将资料显示在手机萤幕上。


(3)撰写可在App程式设定排程、耗电过量卸载等功能。可接收环境感测器,并判断回传值后,可开关灯光与空调设备。


(4)App程式可透过Wi-Fi与G.hn 智慧家庭连网模组,连接远端伺服主机,将蓝色家电状况上传远端伺服主机,也可以从远端伺服主机监控蓝色家电。


4.远端节能监控程式

本作品远端节能监控程式可分为PC电脑远端监控与Web-Based云端监控两部份,分别说明如下:


(1) PC电脑远端监控:在远端PC电脑上使用VB 2010透过Socket物件,连接Wi-Fi与G.hn智慧家庭连网模组,监控蓝色家电。 PC电脑在远端可直接开关与控制家电,或送出红外线遥控器控制家电功能。电脑画面显示每个蓝色家电耗电量。并提供电源管理功能,例如可预先排程在指定时间电源开关、用电量在超出容量契约时,可自动卸载非必要电力。电脑亦可显示环境感测装置(如温度、光感测),预设最佳环境温湿度状态,自动调节蓝色家电中,可调控的空调与照明设备。提供更优质的居住环境品质。


(2)Web-Based云端监控:在PC电脑使用Apache Server架设一个私有云的远端伺服主机,并使用PHP程式撰写远端监控/云端监控之节能管理程式。透过MySQL资料库与VB 2010介面监控程式连接,可直接监控远端的蓝色家电。人们只要使用能连接网际网路的装置,如个人电脑、平板电脑,手机上网,都可以透过云端监控,做无所不在的节能监控。


测试方法

1.蓝色家电装置基本功能测试

启动蓝色家电外挂模组后,使用笔记型电脑的COM埠蓝牙通讯介面,透过Docklight通讯测试软体,传送通讯协定的封包资料到蓝色家电,依次测试开关电源、红外线摇控功能、回传耗电状况。 Docklight测试画面如图8。



图8 : 蓝色家电基本功能测试工具Dock;light
图8 : 蓝色家电基本功能测试工具Dock;light

2.智慧型手机测试监控

启动蓝色家电外挂模组,使用智慧型手机蓝牙通讯传送通讯协定的封包资料到蓝色家电,依次测试开关电源、红外线摇控功能、回传耗电状况。智慧型手机测试方法如图9。智慧型手机采图形控制。



图9 : 智慧型手机测试监控测试方法
图9 : 智慧型手机测试监控测试方法

3.蓝色家电G.hn模组连接云端测试

蓝色家电G.hn模组连接云端测试方式有两种,如图10示,一种是透过手机上网直接到云端伺服主机。另一种是透过G.hn模组智慧家庭连网模组(CG5200HEP)桥接到云端伺服主机。由于手机是随身携带,不固定放置在家庭中,因此还是以透过G.hn模组方式符合实际应用。



图10 : 蓝色家电G.hn模组连接云端测试方法
图10 : 蓝色家电G.hn模组连接云端测试方法

4.云端节能监控测试

使用PC或手机上网,连接到云端伺服主机的节能监控管理网页,测试项目如下:


(1)从节能监控管理网页点选家电装置,可直接开关远端蓝色家电开关,或遥控红外线家电。


(2)测试蓝色家电自动排程功能,设定电源开启/关闭或红外线遥控调变的时间。


(3)测试蓝色家电自动卸载功能,在家庭用电超过契约容量时,自动卸载或调变蓝色家电。例如超载时将冷气或风扇运转耗电下降。


5.环境节能监控测试

使用温度感测器针对空调与风扇这类的蓝色家电的耗电量做最佳化的调变。使用光照度感测器针对灯光系统与台灯这类的蓝色家电的耗电量做最佳化的调变。让生活环境的舒适度与环保节能皆能兼顾。


结语

本作品使用HT66FU50晶片,结合BLE短程无线传输技术、IR与智慧电表技术,制作具有绿色节能概念的外挂式蓝色家电模组。一般家用电器连接外挂模组,即成为具备无线上网与智慧电表功能的蓝色家电。透过G.hn 智慧家庭连网模组与网际网路连接,成为行动监控与智慧电网的一环,提供具有居家节能监控与舒适便利功能的智慧生活。


目前市场上蓝色家电仍在萌芽阶段,本作品采外挂式模式,可用来推广具有节能概念的蓝色家电,未来配合政府的推广政策,市场与民众的接受度会渐渐增高。一般家庭养成使用蓝色家电时,家电制造商制作内建模组,将发展出更多有趣好用的蓝色家电产品。未来蓝色家电普遍使用时,将会分布在家庭不同房间的每个角落。相信G.hn技术连网模组成功整合蓝色家电,相信对蓝色家电的发展,将是更大的助力。


(本文作者为修平科技大学电机工程系林振汉教授、姚凯文、魏嘉宏、杨世缄、简伟杰)


参考文献

[1] 杨胜帆副所长,”物联网大趋势”,拓墣产业研究所June, 2014.


[2] I. A. Zualkernan, A. R. Al-Ali, M. A. Jabber and I. Zabalawi, "InfoPods: ZigBee-based remote information monitoring devices for smart-homes," IEEE Trans. Consumer Electronics, vol. 55, no. 3, pp. 1221-1226, Aug. 2009.


[3] J. E. Kim, G. Boulos, J. Yackovich and T. Barth, "Seamless Integration of Heterogeneous Devices and Access Control in Smart Homes," in Proc. 8th International Conference on Intelligent Environments (IE 2012), pp. 206-213, June 2012.


[4] Minal S. Khandare ;Anjali Mahajan Mobile (2010) Monitoring System for Smart Home ,Emerging Trends in Engineering and Technology (ICET), 2010 3rd International Conference on .pp. 848 – 852,2010.


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