department of electrical engineering -ping institute...

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

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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。

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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。

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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。

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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）。

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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。

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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

department of electrical engineering -ping institute...

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