Upload
others
View
8
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
實實務務專專題題報報告告書書
隨隨插插即即用用智智慧慧萬萬用用電電錶錶
指 導 老 師 : 呂奇明
專題製作學生:四技電四甲 謝鎮鴻 BD97047
四技電四甲 許修銓 BD97021
修 平 科 技 大 學 電 機 工 程 系
DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING
HSIU-PING INSTITUTE OF TECHNOLOGY
1
中 華 民 國 一 百 年 十 二 月 七 日
摘要
近年來國際能源日益匱乏,環保意識抬頭,綠色節能已逐漸成為
普世的價值。如何運用現代先進科技,提出綠色節能的解決方案,已
經成為大家努力的目標。
本作品將使用使用TI的CC2530電流感晶片,搭配 Zigbee 無線感
測模組、霍爾元件電流偵測器、繼電器開關元件等,製作一個具綠色
節能概念的智慧電表(Smart-Meter)。
智慧電表結合Zigbee 無線感測技術,建構一套具有綠色節能與環
境監控功能的Zigbee 網路系統,可應用在商業大樓及家庭自動化的
能源與環境監控管理上。
本作品具體實現綠色節能的展示功能包括:
(1)使用Zigbee 搖控器或NB 等行動裝置,可無所不在的監控電源控
制開關。達到可隨手開關電源的節能目標。
(2)智慧電表上的資訊可透過電腦,協助使用者掌握用電狀況。
(3)智慧型能源管理功能可預先排程在指定時間電源開關、用電量在
超出容量契約時,可自動卸載非必要電力。
(4)自動抄表功能是指抄表人員只需經過每家用戶就能自動存取該用
戶的用電量,能達到省時、省人力的功用。
2
目錄
目錄 ------------------------------------------------- 2
摘要 ------------------------------------------------- 1
第一章 緒論
1-1 創作動機 ---------------------------------------- 4
1-2 創作背景 ---------------------------------------- 4
1-3 創作目的 ---------------------------------------- 5
1-4 創作構想 ---------------------------------------- 5
第二章 Zigbee 無線感測網路簡介
2-1 Zigbee 原理與應用 ------------------------------- 7
2-2 CC2530 系統晶片 -------------------------------- 10
第三章 軟硬體開發工具與應用
3-1 感測器介紹 ------------------------------------- 13
3-1.1 ACS712-05B 霍爾組件 ----------------------- 13
3-1.2 S-35190A RTC ------------------------------ 14
3-2 CC2530 韌體程式 IAR ----------------------------- 15
3-3 VB2008 程式開發工具 ---------------------------- 16
第四章 硬體電路與軟體程式實作
3
4-1 CC2530 系列裝置的韌體程式 ---------------------- 18
4-1.1智慧電錶裝置程式流程----------------------- 18
4-2 基本款智慧電錶與進階款智慧電錶比較 -------------- 20
4-2.1 基本款智慧電錶 --------------------------- 20
4-2.2 進階款智慧電錶 --------------------------- 22
第五章 系統整合測試與功能展示 ----------- 25
第六章 結論 ------------------------------------- 27
參考文獻 --------------------------------------------- 28
4
第一章 緒論
1-1 創作動機
在國際能源逐漸匱乏,環保意識抬頭的時代中,全球溫室氣體排
放問題日趨嚴峻,直接影響化石能源的利用與能源使用的結構。國際
上節能減碳已逐漸成為普世價值,需要全民共同的參與。
如何運用現代先進科技,提出綠色節能的解決方案,已經成為大
家努力的目標。近年來無線感測網路(Zigbee)技術應用在資訊化大
樓、智慧型居家照明設備、溫濕空調設備、防災保全設備等監控、提
供一個家庭安全、節能減碳、舒適和方便生活。
依據產業界對無線感測網路技術的產業應用型態與市場分析,居
家與商業大樓的空調、照明、能源管理、裝置監控、保全等,是未來
最被看好具有節能潛力的應用。
1-2 創作背景
Google 於2009 年2 月首度發表PowerMeter,該軟體能從智慧電
表接收資訊,並即時顯示在網站上,讓住戶能即時監控電力使用狀況,
Power Meter 必須建構在穩定、大量佈建的網路監控系統上。
根據研究指出,消費者只要看到自己的用電資訊,進一步加以調
5
整用電量,就會減少 5%至15%的用電量,達到節能省電的效果。
1-3 創作目的
本作品將使用TI的CC2530電流感晶片,搭配 Zigbee 無線感測模
組、霍爾元件電流偵測器- ACS712、繼電器開關元件等,製作成智慧
電表(Smart-Meter),並結合 PC 電腦,建構一套具有綠色節能與環
境監控功能的Zigbee 網路系統,可應用在商業大樓及家庭自動化的
能源與環境監控管上。
1-4 創作構想
ZigBee (IEEE 802.15.4)是一種低傳輸速率、短距離、低消耗功
率、低成本、高節點密度之無線網路能力、雙向傳輸、無線通訊、抗
雜訊干擾能力及架構簡單的技術,具有高擴充性。Zigbee 技術主要
應用在一般低傳輸率的感測與監控資料擷取,例如環境監測、家電自
動化控制、個人醫療、工業廠房監控、商務大樓自動化、保全監控...
等。目前產業界對Zigbee 無線感測網路技術的產業應用型態與市場
分析,將『工業應用』、『商業大樓應用』、『居家應用』、『自動
化讀表應用』、『環境監測與污染防治應用』列為最具潛力的應用型
態,尤其是商業大樓自動控制及家庭自動化控制市場居大宗。在居家
與商業大樓應用領域中,主要目標以節能(能源管理)與安全兩項為
主,目前最被看好的未來應用是『HAVC』、『照明』、及『能源管理』
6
三項。對於居家與商業大樓應用來說,節能與安全是兩大重要取向,
其中節能更具潛力。
智慧節能電錶是Zigbee技術應用在節能領域上最具代表性的裝
置,結合綠色節能、智慧電錶與環境監控等概念與技術,建構一套具
綠色節能與環境的Zigbee無線感測網路。
本系統展示與驗證的功能包括:
(1) 建構Zigbee無線感測網路
本作品利用CC2530之Zigbee無線技術在一個空間或是長距離場
所中建構一個Zigbee無線感測網路。其中,硬體部分包括我們的
Zigbee無線智慧型電錶、智慧型插座、電腦監控裝置等,透過這個網
路無所不在的燈光開關、電源開關、環境優化等設定。
(2) 智慧電錶
功能包括, 提供用戶輕易地掌握用電狀況, 提醒用戶節能管理,
自動卸載非必要電力, 智慧型綠色能源管理功能。具體實現節約能
源。
7
第二章
Zigbee 無線感測網路簡介
2-1 Zigbee 原理與應用
ZigBee 是一種開放式的基於 IEEE 802.15.4 協定的無線個人網
路(Wireless Personal Area Networks) 標準。IEEE 802.15.4 定義了物理
層和媒體接入控制層,而 ZigBee 則定義了更高層如網路層及應用層
等。 ZigBee/IEEE 802.15.4 主要應用於需要較低的資料傳輸率的領
域,相比於其他的無線通訊技術,ZigBee聯盟成立於2002年,在不同
區域有不同的定義的頻段(全球2.4GHz、美國915MHz、歐洲868MH),
ZigBee/IEEE 802.15.4
有以下一些優勢:
低功耗
靈活,可靠並具備自愈功能
配置快速便捷
可以全球使用
生產商互相獨立
價格低廉
支持大量節點
使用安全
產品相互相容
8
Zigbee的應用非常廣泛,目前市面上很多電子產品都改為無線裝
置。其中,Zigbee就是一個很好的解決方案。從消費電子產業、居家
安全照護、娛樂設備、智慧型居家與商業大樓控制等都能使用Zigbee
技術,如圖2.1。
圖2.1:Zigbee技術的應用範圍(資料來源:zigbee.org)
9
圖: Zigbee技術結合智慧電錶用於居家設備
基於Zigbee具有的傳輸速率、低功耗、低成本的技術。對於建立
一個無線感測網路或是一些低傳輸量之裝置,使用Zigbee是最佳的選
擇。表1顯示討論三個無線傳輸介面之特性,包IEEE802.11b(Wi-Fi)、
Bluetooth與Zigbee。
表1:無線系統比較表
10
2-2 CC2530 系統晶片
CC2530是TI專為 IEEE 802.15.4、ZigBee、ZigBee RF4CE 與
Smart Energy 應用量身訂做的晶片系統。擁有高達 256 KB 容量的
大型快閃記憶體,CC2530 特別適合 ZigBee PRO 的應用。64 K 與以
上的版本將針對 ZigBee RF4CE 支援新的 RemoTI™ 堆疊,這是業界
第一個符合 ZigBee RF4CE 之協定堆疊。此外,CC2530 將完全整合
的高效能 RF 收發器、8051 MCU、與其他威力強大的功能與周邊相結
合,如內建ADC、SPI、USB..等功能,方便與其它感測器連接。系統
架構如圖2.15。
11
圖2.15:CC2530系統晶片架構
本作品利用CC2530完成智慧型電錶,以下針對CC2530晶片做一個
簡單的介紹其基本的功能與特性 :
第一點 : 2.4GHz IEEE802.15.4 RF
第二點 : 32MHz系統頻率
第三點 : 非常少外部組件
第四點 : 8 kB的RAM ,32/64/128/256 KB快閃記憶體。
12
第五點 : 2個UART、12位ADC、4個計時器、21個I/O。
第六點 : 4種供電模式、2.0-3.6V工作電壓。
第七點 : RSSI/LQI支援、DMA功能、支援CSMA/CA。
第八點 : AES128加密功能、看門狗計時器。
第九點 : 輸出功率+4.5dBm、接收靈敏度-102dBm。
第十點 : RX:24mA、TX:29mA、低功耗:0.4uA。
圖2.16:CC2530 MCU的SCHEMATIC線路圖
13
圖2.17:CC2530 MCU的PCB電路圖
第三章
軟硬體開發工具與應用
3-1感測器介紹
本系統使用之感測器包含量測電流之霍爾元件、RTC晶片、串列
記憶體等。利用這些感測器完成本作品智慧型電錶成品。
14
3-1.1 ACS712-05B 霍爾組件
名稱 敘述
讀取介面 ADC
輸入電壓 穩定的5V
回應輸出時間 5μs
量測電流形態 AC或DC
•ADC轉換界面傳輸
•輸入電壓:5V
•響應輸出時間:5μs
•可測量AC或DC電流
•可量測5A以内的電流
•輸出誤差:1.5%
15
量測電流範圍 5A以內
輸出誤差 1.5%
圖 : ACS712-05B特性敘述
3-1.2 S-35190A RTC
本作品使用 RTC於 CC2530智慧型電錶,主要目的為抄表功能使
用,準確取得年、月、日、時、分與秒。晶片接腳如圖 3.9。
圖 3.9: S-35190A 接腳方塊圖
16
表:S-35190A RTC特性敘述
3-2 CC2530 韌體程式 IAR
所有的 CC 2530晶片都必頇撰寫 C語言韌體程式,使用的開發工
具是 IAR Embedded Workench IDE,內容包括:硬體接腳的配置與定
義,介面傳輸函式庫的建立,使用的通訊協定,以及主控程式的流程。
17
3-3 VB2008 程式開發工具
在整個Zigbee網路上的PC電腦,我們使用VB2008程式開發工具,
透過Zigbee閘道、利用Visual Studio的SeialPort中斷物件讀取與接
收資料資料與結合圖形化人機介面控制單元,撰寫可以監控整個
Zigbee網路節點的圖形監控程序。
圖:VB2008程式開發工具
開發與撰寫 VB人機介面程式必頇先撰寫與定義整個網路之傳輸
通訊協定,不同的系統中會有不同的通訊協定。如表 9,10所示為撰
寫 TI CC2530之智慧節能屋的網路通訊協定(Zigbee Communication
Protocol)。
18
表:裝置傳送資料到協調器之通訊協定
表:設定裝置狀態之通訊協定
19
第四章
硬體電路與軟體程式實作
4-1 CC2530系列裝置的韌體程式
在本作品建構的 Zigbee無線感測網路利用撰寫 CC2530之
Z-Stack晶片韌體程式。在介面傳輸函式庫的建立上,包括霍爾元件
的 ADC電流偵測函式(包括元件的 ADC_Init()與 ADC_GetValue());
PWM輸出函式(包含 PWM_Init(),PWM_On (uint8 duty)與 PWM_Off
(uint8 duty),建立這些介面傳輸函式庫,提供主程序呼叫,方便程
式的撰寫。
本作品通訊協定的部份包括Zigbee通訊協定與自訂功能整合的
通訊協定。此外,為了方便系統功能整合,我們自訂一套通訊協定,
方便下達監控指令。每個Zigbee裝置都有CC2530晶片軔體的主程序。
程式的架構與相關演算法說明細項分成幾個類別,分別撰寫其晶片程
式。
4-1.1 智慧電錶裝置程式流程圖
Zigbee智慧電錶功用是讀取電流值分兩部分,第一部分是累加
計算電度流程圖,系統計算使用電度是透過 RTC 計時並累加其功率,
然後儲存到 EEPROM 內。程式流程如圖 4.5。配合量測電壓傳到電腦
20
上做功率的運算,並能夠做自動卸載非必要的插座裝置,可設定初始
電流值、優先順序關閉裝置與關閉等待時間。其次,自動卸載非必要
用電流程圖,程式流程如圖 4.6。
圖 4.5 : 累加計算電度流程圖
圖 4.6 : 自動卸載非必要用電流程圖
21
4-2 基本款智慧電錶與現在智慧電錶比較
4-2.1 基本款智慧電錶
Zigbee無線電表的硬體電路包括 HT-46F49E、ACS712霍爾元
件、電源插座配合繼電器。HT-46F49E使用 PA5~PA7連接 Xbee模組
的 TX與 RX兩個串列通訊腳。PA5(INT)外部中斷接腳連接 Xbee的 TX
腳,可利用中斷方式立即處理 Xbee傳來的串列接收訊號。使用
PB0~PB3連接 ACS712霍爾元件的 ADC腳位元,主要用來量測交流電
流與電壓。 PC0~PC3四條線連結繼電器做輸出的節點。基本款智慧
電錶實體如圖 4.7所示。其 Schematic電路圖與 PCB電路如圖 4.8,
4.9所示。
圖 4.7:基本款智慧電錶實體圖
22
圖 4.8:基本款智慧電錶 Schematic 電路圖
圖 4.9:基本款智慧電錶 PCB 電路圖
23
4-2.2 進階款智慧電錶
改裝玖鼎的智慧電表 :
硬體電路設計成 XBEE的接腳與尺寸
軟體程式:了解與電表間的通訊協定
我們將製作一個可取代 XBee模組的 Zigbee發射接收模組
圖 : 玖鼎的智慧電表
圖 : 玖鼎的智慧電表內部硬體
24
我們以基本款智慧電錶為基地硬體電路,重新規劃設計更加進階
的電錶。電錶硬體部分增加插座可作自動卸載非必要用電之功能、保
全功能按鍵、警報器電路與更換 LCD顯示器成 128x64繪圖型 LCD顯
示器。此繪圖型顯示器只需要 4只 IO即可使用,本作品使用 PA0~PA3
作為其 LCD接腳之 CS、A0、SCL與 SI。節省晶片使用之接腳。其
Schematic電路如圖 4.10所示與 PCB電路如圖如圖 4.11。
圖 4.10:進階款智慧電錶 Schematic電路圖
25
圖 4.11:進階款智慧電錶 PCB電路圖
圖 : 進階款智慧電錶實體圖
26
第五章 系統整合測試與功能展
使用TI的CC2530電流感晶片,搭配 Zigbee 無線感測模組、霍爾
元件電流偵測器、繼電器開關元件等,製作一個具綠色節能概念的智
慧電表(Smart-Meter)。
智慧電表結合Zigbee 無線感測技術,建構一套具有綠色節能與
環境監控功能的Zigbee 網路系統,可應用在商業大樓及家庭自動化
的能源與環境監控管理上。
圖 : 智慧電錶實體圖
27
我們可以使用Zigbee 搖控器或 NB 或電腦等等,設定好預設電
流值,當超過預設電流值,可以立即斷電功能,無所不在的監控電源
控制開關。達到可隨手開關電源的節能目標。
圖 : 智慧電錶實體測試
圖 : 電腦 VB程式來監控智慧萬用電錶
28
第六章 結論
近年來 Zigbee無線感測網路技術蓬勃發展,廣泛應用家庭自動
化、綠色節能、消費電子、和可攜式裝置上,未來前景看好。本作品
使用德州儀器公司於 2009年最新推出功能強大的 SOC晶片-CC2530、
結合微機電技術、Zigbee定位功能、綠色節能智慧電錶,環境品質
監控等技術,建構一套具有多樣化功能的 Zigbee無線感測網路,擴
大其應用層面。
本作品應用在商業化產品上,提供人們更舒適、安全、綠色節能
與便捷的生活機能。實際的功能效益包括摘要如下:
(1) 建構的Zigbee無線感測網路,使用Zigbee搖控器或手機/PDA/NB
等行動裝置,無所不在的開關家庭燈光與電源。
(2) 整合微機電與Zigbee定位技術的產品,適合應用行動不便者、老
人、殘障者的居家照護上。或是應用在需要利用手勢與動作傳遞控制
訊息的場合,例如防災救難與交通指揮人員上。
(3) 使用智慧電錶協助使用者掌握用電狀況(電源用戶可從Internet
上查詢到用電的資料,或由社區/大樓管理員定期列印用電報表公告
給社區/大樓用戶,讓用戶掌握使用狀況,提醒用戶做為節能管理的
參考),自動卸載非必要電力,做智慧型綠色能源管理功能。具體實
現節約能源,提供一個具有環保節能概念的居家環境。
29
參考文獻
1. 徐愛帝,“無線感測網路應用模式研究-應用形態與市場分析”
工研院產經中心,2009/03/20
2. 李俊賢,“無線感測網路與Zigbee 協定簡介”,電信國家型科技
計畫,vol. 77,2006 年1 月
3. Mikhail Galeev,“採用Zigbee 建立家用網路“,電子工程專輯,
2005/07/11
4. 郭長佑, “Zigbee 無線技術新趨勢“,EE Watch 2008/03/10