全 國 高 職 學 生 102 年 度 專 題 製 作 競 賽 報 告 書 居 家 環 境 智 慧 控 制 系 統 群 別 : 電 機 與 電 子 群 參 賽 作 品 名 稱 : 居 家 環 境 智 慧 控 制 系 統 關 鍵 詞 : 環 境 監 控 ZigBee 感 測 元 件
目 錄 壹 摘 要... 2 貳 研 究 動 機...2 參 研 究 方 法...3 一 研 究 器 材...3 二 研 究 步 驟...4 三 研 究 理 論...5 ( 一 ) 感 測 元 件 選 擇 的 探 討...5 ( 二 ) 居 家 環 境 數 據 的 探 討...5 ( 三 ) 居 家 窗 簾 使 用 步 進 馬 達 控 制 探 討...7 ( 四 )89S51 單 晶 片 理 論 研 究...8 ( 五 )ZigBee 無 線 通 訊 探 討...9 ( 六 )Basic Stamp 2 微 處 理 器 應 用 探 討...10 ( 七 ) 居 家 下 雨 天 的 測 知 與 模 組 製 作 探 討...11 ( 八 ) 居 家 空 氣 品 質 探 討...11 ( 九 ) 利 用 小 電 流 控 制 家 用 電 器 原 理 探 討...12 肆 研 究 結 果...13 一 ZigBee 無 線 傳 輸 之 測 試 與 模 組 建 置...14 二 室 內 外 光 線 偵 測 控 制 之 製 作...15 三 濕 度 控 制 模 組 研 究 與 製 作...15 四 戶 外 雨 天 感 知 模 組 之 建 置...16 五 Basic Stamp 2 微 處 理 器 之 使 用...16 六 ZigBee 家 電 驅 動 模 組 之 研 究 與 建 置...16 七 居 家 環 境 智 慧 控 制 系 統 模 擬 情 境 之 建 置...17 ( 一 ) 硬 體 偵 測 模 組...17 ( 二 ) 硬 體 管 理 控 制 模 組...18 ( 三 ) 軟 體 管 控 模 組...18 伍 討 論...19 一 系 統 測 試 之 探 討...19 二 未 來 展 望...20 陸 結 論...20 柒 參 考 資 料 及 其 他...21 1
居 家 環 境 智 慧 控 制 系 統 壹 摘 要 對 照 於 目 前 無 線 網 路 系 統 以 及 3C 通 訊 科 技 的 便 利 與 普 及, 家 庭 電 器 在 通 訊 化 便 利 化 與 無 線 化 方 面, 相 較 之 下 仍 有 很 大 的 提 升 空 間, 因 此 本 專 題 在 研 製 一 個 智 慧 型 的 居 家 控 制 系 統, 自 動 調 節 室 內 的 溫 度 濕 度 亮 度, 以 營 造 出 讓 人 們 感 覺 最 舒 適 自 在 的 生 活 環 境 本 專 題 結 合 電 腦 以 及 各 項 感 測 元 件, 建 置 出 一 套 居 家 環 境 監 控 系 統, 可 結 合 現 有 的 家 庭 設 施 用 品 如 : 冷 氣 電 扇 窗 簾 照 明 系 統 等..., 以 主 動 偵 測 的 方 式, 去 調 控 居 家 的 生 活 環 境, 提 高 生 活 品 質, 並 提 供 使 用 者 輕 鬆 掌 控 居 家 環 境 之 方 式, 能 達 到 主 動 提 醒 用 戶 居 家 生 活 問 題 及 協 助 使 用 者 解 決 居 家 問 題 等 功 能 貳 研 究 動 機 夏 日 炎 炎, 當 我 們 外 出 後 進 到 家 中, 常 感 到 空 氣 悶 熱 不 流 通, 不 免 要 拖 著 疲 憊 的 身 軀, 將 窗 子 風 扇, 亦 或 是 冷 氣 打 開, 為 的 就 是 營 造 出 一 個 自 己 覺 得 最 舒 適 的 環 境 觀 察 中 不 難 發 現, 一 般 家 庭 中 的 電 器 資 訊 產 品, 總 是 一 項 家 電 器 具 即 配 置 一 套 控 制 開 關, 而 每 套 控 制 開 關 只 能 為 特 定 家 電 所 用, 所 以 每 項 家 電 的 開 關 控 制, 使 用 者 都 需 逐 一 管 理 有 鑑 於 此, 本 專 題 小 組 開 始 進 行 構 思 研 究 居 家 環 境 智 慧 控 制 系 統 的 建 置 方 式, 並 利 用 專 題 製 作 課 程 來 實 現, 期 待 藉 由 結 合 計 算 機 概 論 課 程 生 活 科 技 課 程 軟 體 應 用 實 習 課 程 基 本 電 學 及 實 習, 及 二 年 級 的 程 式 設 計 實 習 課 程 電 子 學 及 實 習 數 位 邏 輯 及 實 習 與 單 晶 片 實 習 課 程 所 學 的 理 論 和 新 知, 再 運 用 電 腦 程 式 設 計 硬 體 的 設 計 與 製 作, 設 計 製 作 出 一 套 居 家 環 境 智 慧 控 制 系 統, 以 整 合 居 家 電 器 用 品 的 使 用 控 制, 同 時 藉 由 已 高 度 普 及 的 行 動 上 網 功 能, 讓 家 人 可 隨 時 隨 地 查 詢 居 家 現 有 的 環 境 狀 況 在 本 專 題 小 組 的 討 論 下, 我 們 想 探 討 建 置 一 個 可 改 進 上 述 情 形 的 方 法, 最 終 建 置 一 個 有 效 可 行 的 解 決 方 案, 以 下 是 我 們 的 研 究 目 的 : 一 研 究 如 何 利 用 各 種 的 感 測 元 件 ( 溫 感 濕 度 光 感 等 ) 來 達 成 監 控 環 境 的 2
目 的 二 研 究 如 何 藉 由 硬 體 的 設 計 與 製 作, 來 達 成 自 動 監 控 住 家 的 環 境 系 統 三 研 究 如 何 於 PC 平 台 上, 撰 寫 出 能 連 結 及 驅 動 各 項 家 庭 電 器 的 系 統 四 研 究 如 何 有 效 的 連 結 各 項 無 線 通 訊 設 備, 使 居 家 生 活 更 為 便 利 舒 適 五 探 討 所 建 置 的 系 統 是 否 能 對 各 項 居 家 環 境 品 質 有 所 改 善 的 可 行 性 以 下 是 我 們 此 次 專 題 製 作 的 研 究 構 想 方 塊 圖, 如 圖 1 所 示 : 參 研 究 方 法 圖 1 研 究 構 想 方 塊 圖 一 研 究 器 材 本 次 研 究 我 們 使 用 了 許 多 設 備 與 材 料 來 完 成 研 究, 以 下 就 是 我 們 研 究 設 備 及 器 材 的 清 單 列 表 : 表 1 研 究 設 備 表 研 究 設 備 數 量 規 格 備 註 01 桌 上 型 電 腦 2 台 Intel I3 02 手 提 式 電 腦 1 台 Pro83Q Duo T3000 03 80S51 程 式 撰 寫 軟 體 1 套 SimLab 8051 04 程 式 撰 寫 軟 體 2 套 VB6.0 05 電 源 供 應 器 1 台 可 供 應 5V 電 壓 源 3
06 Basic Stamp 實 驗 板 3 套 Parallax Bs2 Class 07 ZigBee 通 訊 模 組 3 套 XBee 1mw Wire 無 線 通 訊 用 08 ZigBee Usb 及 TLL 轉 接 器 2 組 CMZ0027 CMZ0024 系 統 連 結 用 09 空 氣 清 淨 器 1 台 小 型 110V O 3 清 淨 產 生 系 統 測 試 用 10 三 用 電 表 3 組 數 位 式 及 指 針 式 11 電 子 實 習 工 具 包 3 套 各 項 電 子 實 習 工 具 硬 體 製 作 用 表 2 研 究 材 料 表 研 究 材 料 數 量 規 格 備 註 01 BS2 微 處 理 IC 2 Parallax Basic Stamp 2 02 電 路 板 9 13cm 11cm 5cm 8cm 03 電 容 器 2 10uf 25V 04 電 容 器 4 30P 陶 瓷 電 容 05 80S51 單 晶 片 2 ATMEL 89S51 06 振 盪 器 2 11.0592 MHZ 07 電 阻 40 2.2KΩ 220Ω 39kΩ 08 繼 電 器 10 Input 5V Output 11oV 09 排 針 5 40PIN 5 支 10 LED 40 綠 色 紅 色 各 20 個 11 排 阻 3 9PIN 220Ω 12 OK 線 4 藍 黃 綠 紫 色 各 一 13 資 料 排 線 10 8 線 彩 虹 線 14 IC 腳 座 10 8 16 18 24 40pin 15 電 晶 體 4 Tip41C 16 電 晶 體 16 C1384 17 步 進 馬 達 2 5 線 12V 0.2A 18 二 極 體 4 N4001 19 小 風 扇 小 檯 燈 4 各 2 組 20 感 測 模 組 5 光 感 溫 度 濕 度 感 測 21 觸 控 開 關 2 小 型 微 控 式 二 研 究 步 驟 為 有 效 掌 控 整 個 研 究 計 劃 流 程, 我 們 的 時 間 規 劃 表 如 下 圖 所 示 ( 圖 2): 4
時 間 項 目 1 組 隊 探 討 專 案 2 相 關 資 訊 討 論 收 集 3 規 劃 主 題 及 專 題 4 感 測 元 件 及 硬 體 設 計 製 作 5 S51 Bs2 及 PC 程 式 撰 寫 6 硬 體 軟 體 系 統 測 試 7 問 題 探 討 分 析 及 改 進 8 撰 寫 報 告 說 明 書 8 成 果 發 表 9 月 10 月 11 月 12 月 1 月 2 月 3 月 圖 2 研 究 計 畫 之 時 間 管 理 甘 特 圖 三 研 究 理 論 ( 一 ) 感 測 元 件 選 擇 的 探 討 在 學 校 的 專 業 課 程 裏, 經 由 師 長 的 教 授, 我 們 接 觸 了 機 器 自 走 車 的 相 關 課 程 在 研 究 初 期, 為 了 能 有 效 偵 測 出 居 家 各 項 光 度 溫 度 濕 度 等 數 據, 我 們 經 過 討 論 及 測 試 後, 決 定 將 自 走 車 的 相 關 感 測 元 件 應 用 在 這 項 研 究 專 題 上 我 們 構 想 : 使 用 感 測 元 件 進 行 環 境 監 控, 再 利 用 ZigBee 無 線 傳 輸 將 監 控 的 數 據 資 料 傳 回 至 PC 端, 讓 使 用 者 可 以 有 效 得 知 目 前 居 家 的 環 境 狀 況, 以 便 能 進 一 步 決 定 該 如 何 控 制 家 中 相 關 的 各 項 電 器 用 品 ( 圖 3 圖 4) 圖 3 機 器 自 走 車 ( 二 ) 居 家 環 境 數 據 的 探 討 圖 4 各 式 的 感 測 元 件 為 有 效 提 昇 居 家 生 活 的 舒 適 程 度, 就 必 須 正 確 掌 握 各 項 溫 度 濕 度 光 度 及 空 氣 品 質 等 訊 息, 因 此 各 項 數 據 的 獲 取 及 判 讀 極 為 重 要, 以 下 是 本 小 組 成 員 針 對 溫 度 濕 度 光 度 等 影 響 居 家 因 素 進 行 探 討 : 5
1 溫 度 濕 度 : 溫 度 是 表 示 物 體 冷 熱 程 度 的 物 理 量, 微 觀 上 來 講 是 物 體 分 子 熱 運 動 的 劇 烈 程 度, 目 前 國 際 上 用 得 較 多 的 溫 度 單 位 有 攝 氏 溫 度 ( C) 華 氏 溫 度 ( F) 凱 氏 溫 度 (K) 大 氣 層 中 氣 體 的 溫 度 稱 為 氣 溫, 是 氣 象 學 常 用 名 詞, 它 直 接 受 日 射 所 影 響 : 日 射 越 多, 則 氣 溫 越 高 濕 度 一 般 指 的 是 空 氣 濕 度, 它 是 空 氣 中 水 蒸 氣 的 含 量 空 氣 中 液 態 或 固 態 的 水 不 算 在 濕 度 中, 由 於 大 氣 中 的 水 蒸 氣 可 以 佔 空 氣 體 積 的 0% 到 4%, 一 般 在 列 出 空 氣 中 各 種 氣 體 的 成 分 時, 指 的 是 這 些 成 分 在 乾 空 氣 中 所 佔 的 部 分 空 氣 的 溫 度 越 高, 它 容 納 水 蒸 氣 的 能 力 就 越 高 空 氣 中 水 蒸 氣 的 溶 解 量, 隨 溫 度 不 同 而 有 所 變 化 一 立 方 米 空 氣 可 以 在 攝 氏 10 度 下 溶 解 9.41 克 水, 在 30 攝 氏 度 下 溶 解 30.38 克 水 一 般 標 示 濕 度 的 高 低, 可 用 蒸 汽 壓 絕 對 濕 度 相 對 濕 度 比 濕 露 點 等 方 式 表 達, 而 常 用 的 單 位 則 是 絕 對 濕 度 (Absolute Humidity) 和 相 對 濕 度 (Relative Humidity) 絕 對 濕 度 (Absolute Humidity) 是 指 單 位 容 積 內 水 汽 的 重 量, 其 單 位 是 克 / 立 方 公 尺 (g/m 3 ), 這 跟 密 度 單 位 是 一 樣 的 相 對 濕 度 (Relative Humidity), 通 常 用 百 分 比 % 表 示, 即 大 氣 中 實 際 水 汽 含 量 與 該 溫 度 下 且 同 壓 時 之 飽 和 水 汽 含 量 之 比 其 定 義 如 下 : 實 際 水 汽 重 量 相 對 濕 度 = 同 溫 同 壓 下 的 飽 和 水 重 量 100% 在 電 視 台 的 氣 象 報 告 中 所 說 的 濕 度 指 的 就 是 相 對 濕 度 (RH), 而 一 般 的 濕 度 計 所 標 示 的 也 是 以 相 對 濕 度 (RH) 來 表 示 每 個 人 的 體 質 及 對 溫 度 及 濕 度 的 感 受 並 不 相 同, 根 據 研 究, 相 對 濕 度 維 持 在 60% 到 70% 時, 是 最 適 合 人 體 的 濕 度 ; 而 溫 度 則 是 夏 季 的 溫 度 為 25~27 時 最 舒 爽, 冬 季 的 溫 度 為 20~22 時 最 舒 適 下 表 3 為 溫 濕 度 對 人 的 影 響 表 3 溫 度 濕 度 對 人 體 的 影 響 對 照 表 溫 度 濕 度 影 響 溫 度 ( ) 濕 度 (RH) 春 夏 季 時 節 最 舒 爽 環 境 25 ~ 27 45% ~ 55% 秋 冬 季 時 節 最 舒 適 環 境 20 ~ 22 60% ~ 70% 容 易 中 暑 的 環 境 38 ~31 30%~80% 霉 菌 生 長 的 最 佳 環 境 23 ~ 32 80%-100% 6
呼 吸 道 疾 病 治 療 康 復 最 佳 環 境 22 ~ 25 55% ~ 65% 2 光 度 : 1967 年 法 國 第 十 三 屆 國 際 計 量 大 會 規 定 了 以 坎 德 拉 (Ca) 坎 德 拉 / 平 方 米 (Ca/m 2 ) 流 明 (Lm) 勒 克 斯 (Lux) 分 別 作 為 發 光 強 度 光 亮 度 光 通 量 和 光 照 度 等 的 單 位 ( 表 4) 表 4 光 的 各 項 計 量 單 位 名 稱 單 位 說 明 光 通 量 流 明 (lm) 從 光 源 實 際 輻 射 出 的 光 的 數 量 或 者 光 能 量 光 照 度 勒 克 斯 (Lux) 物 體 表 面 被 照 亮 的 強 度 發 光 強 度 堪 德 拉 (Ca) 光 束 的 強 度 學 習 效 率 和 光 照 度 是 有 關 連 的 一 般 說 來, 暗 的 照 明 易 令 人 疲 勞, 太 亮 的 照 明 則 令 人 心 情 不 能 安 定 作 業 效 率 研 究 的 工 業 心 理 學 上 指 出 : 讀 書 學 習 上 最 適 合 的 照 明 度 是 40 ~ 300 Lux 再 者, 利 用 經 由 天 花 板 或 牆 壁 反 射 的 間 接 照 明, 比 起 由 光 源 直 射 的 照 明, 其 疲 勞 度 較 低 稍 微 看 一 下 書 就 覺 得 眼 睛 疲 勞 的 人, 大 多 肇 因 於 照 明 的 不 適 表 5 為 居 家 裡 各 種 環 境 的 光 照 度 值 表 5 各 種 環 境 的 光 照 度 (Lux) 所 處 環 境 光 照 度 值 所 處 環 境 光 照 度 值 烈 日 100,000 lux 辦 公 室 教 室 300 lux 陰 天 8,000 lux 路 燈 5 lux 繪 圖 600 lux 滿 月 0.2 lux 閱 讀 500 lux 星 光 0.0003 lux 夜 間 棒 球 場 400 lux ( 三 ) 居 家 窗 簾 使 用 步 進 馬 達 控 制 探 討 為 使 居 家 窗 簾 能 達 到 控 制 採 光 的 功 用, 本 小 組 擬 採 用 百 葉 窗 式 的 窗 簾 做 為 控 制 屋 外 採 光 的 設 備 ( 圖 5) 但 經 由 實 際 實 驗 之 後, 發 現 採 光 控 制 並 不 理 想, 採 光 效 果 也 不 顯 著, 因 此 在 組 員 的 討 論 下, 改 採 用 上 下 拉 簾 式 的 布 簾, 結 果 實 驗 證 明 對 光 線 的 控 制 有 著 較 佳 的 效 果 ( 圖 6) 本 小 組 原 採 用 伺 服 器 馬 達 作 為 窗 簾 控 制 的 動 力 來 源 ( 圖 7), 但 發 現 伺 服 器 馬 達 常 用 於 機 器 人 關 節 部 位, 最 大 角 度 範 圍 只 有 0 度 ~180 度, 並 不 符 合 我 們 的 使 用 需 求, 在 師 長 的 建 議 下, 本 小 組 改 採 用 步 進 馬 達 作 為 窗 簾 的 動 力 來 源, 這 樣 一 來, 就 能 更 精 確 地 控 制 窗 簾 ( 圖 8) 7
圖 5 百 葉 窗 式 的 窗 簾 圖 6 小 組 設 計 的 布 簾 式 的 窗 簾 圖 7 伺 服 器 馬 達 圖 8 步 進 馬 達 步 進 馬 達 是 一 種 利 用 數 位 信 號 控 制 的 電 機 裝 置, 能 將 數 位 的 輸 入 信 號, 產 生 相 對 應 的 角 度 變 化, 每 當 輸 入 一 個 脈 波 信 號 時, 將 使 步 進 馬 達 旋 轉 一 固 定 的 步 進 角, 步 進 馬 達 一 般 可 分 為 2 相 4 相 和 5 相, 其 中 小 型 步 進 馬 達 以 4 相 使 用 的 最 為 普 遍, 轉 矩 和 解 析 度 都 比 2 相 步 進 馬 達 較 優 越, 常 使 用 於 需 要 精 密 控 制 的 地 方 步 進 馬 達 的 激 磁 的 方 式 是 使 線 圈 通 過 電 流, 以 4 相 步 進 馬 達 而 言, 其 定 子 共 有 4 個 相 位, 稱 為 A /A,B /B( 圖 9), 其 激 磁 方 式 有 一 相 激 磁 二 相 激 磁 一 二 相 激 磁, 藉 由 一 步 驟 一 步 驟 的 相 位 激 磁, 可 使 轉 子 達 成 正 轉 反 轉 的 運 動, 並 能 精 確 的 控 制 步 進 角 數, 以 二 相 激 磁 方 式, 其 步 驟 時 序 如 ( 圖 10) 圖 9 四 相 步 進 馬 達 結 構 圖 圖 10 二 相 激 磁 時 序 圖 ( 四 )89S51 單 晶 片 理 論 研 究 8
經 由 小 組 的 測 試, 我 們 必 須 對 窗 簾 模 組 加 以 控 制, 於 是 以 單 晶 片 實 習 課 程 中 所 學 的 技 術, 決 定 採 用 89S51 晶 片 做 為 硬 體 控 制 的 介 面 由 8051 單 片 內 部 結 構 圖 中 ( 圖 11) 我 們 可 知 8051 晶 片 具 有 以 下 之 特 性 : 1 專 為 控 制 使 用 所 設 計 的 8 位 元 單 晶 片 2 具 有 位 元 邏 輯 運 算 能 力 3 具 有 128 位 元 的 RAM, 以 及 4K 位 元 的 ROM 4 具 有 4 個 8 位 元 I/O 埠 5 具 有 2 個 16 位 元 的 計 時 / 計 數 器 6 具 有 全 雙 工 的 UART 7 具 有 5 個 中 斷 源 及 兩 層 中 斷 優 先 權 結 構 8 具 有 時 脈 產 生 電 路 9 具 有 外 部 電 路 擴 充 64 位 元 程 式 記 憶 體 的 能 力 圖 11 ATMEL 98S51 晶 片 內 部 結 構 圖 在 程 式 撰 寫 及 編 譯 方 面, 我 們 採 用 SIMLAB-8051( 圖 12) 撰 寫 51 程 式, 並 用 ATMEL ISP V1-2 為 燒 錄 軟 體 ( 圖 13) 圖 12 SIMLAB-8051 軟 體 圖 13 89S51 ISP 燒 錄 軟 體 ( 五 )ZigBee 無 線 通 訊 探 討 9
ZigBee 一 詞 源 於 蜜 蜂, 蜜 蜂 透 過 ZigZag 字 形 舞 蹈 與 同 伴 通 信 傳 遞 花 與 蜜 的 位 置 方 向 距 離 等 訊 息, 因 而 以 此 做 為 這 短 距 無 線 通 訊 新 技 術 的 命 名 ZigBee 是 一 種 短 距 離 無 線 通 訊 標 準, 具 有 低 成 本 低 耗 電 雙 向 傳 輸 高 可 靠 度 及 感 應 網 路 功 能 等 特 性, 容 易 整 合 個 人 無 線 數 位 環 境 並 可 廣 泛 應 用 於 多 樣 產 品 ZigBee 這 種 低 速 短 距 離 傳 輸 的 無 線 網 路 協 定, 底 層 是 採 用 IEEE 802.15.4 標 準 規 範, 主 要 由 Honeywell 等 數 十 家 公 司 組 成 的 ZigBee Alliance 聯 盟 所 制 定 從 1998 年 開 始 發 展, 於 2001 年 向 電 機 電 子 工 程 師 學 會 (IEEE) 提 案 納 入 IEEE 802.15.4 標 準 規 範 之 中, 目 前 ZigBee 技 術 漸 漸 成 為 各 業 界 共 同 通 用 的 低 速 短 距 無 線 通 訊 技 術 之 一 而 Digi International Inc 所 開 發 的 2.4GHz XBee 模 組 ( 圖 14) 也 是 以 ZigBee 為 基 礎, 並 且 是 一 個 平 價 低 功 率 的 無 線 感 測 網 路 這 個 模 組 為 IEEE 802.15.4 為 架 構, 並 且 包 覆 到 簡 易 使 用 的 Serial Command 設 置 中 這 個 模 組 容 許 微 處 理 器 電 腦 系 統 任 何 東 西 含 有 串 列 埠 (Serial Port) 的 設 備 間 可 靠 及 簡 單 的 通 訊, 適 用 於 點 對 點 及 點 對 多 的 使 用 場 合, 而 XBee 特 色 有 下 列 各 項 : 1 2.4 GHz 工 作 頻 率,1 mw (0 dbm) 低 功 率 消 耗 2 RPSMA U.FL. Chip or Whip 三 種 可 選 擇 的 天 線 3 工 業 級 工 作 溫 度 範 圍 (-40 C to 85 C),3.3V @ 50mA 4 最 大 通 訊 速 率 250kbps, 最 大 傳 輸 距 離 可 達 1.6km( 室 外 ) 至 16 mile 5 Fully FCC 認 證, 具 128-bit 加 密 6 含 6 個 10-bit ADC 輸 入 pins 及 8 個 數 位 的 IO pins( 圖 15) 7 單 一 網 路 容 許 可 超 過 65000 個 裝 置, 具 AT or API 等 命 令 設 置 圖 14 Digi 公 司 的 XBee 晶 片 圖 15 XBee 的 腳 位 圖 ( 六 )Basic Stamp 2 微 處 理 器 應 用 探 討 Basic Stamp 是 由 美 國 的 Parallax 公 司 所 研 發, 是 一 個 簡 單 的 小 型 微 處 理 器 ( 圖 16), 它 具 有 記 憶 體 (EEPROM), 可 以 儲 存 使 用 者 所 開 發 的 程 式, 並 且 具 有 輸 出 輸 入 裝 置 (I/O), 這 些 輸 出 輸 入 的 裝 置 可 以 利 用 PBASIC 語 法, 非 常 容 易 規 劃 及 使 10
用, 如 馬 達 控 制 或 sensor 資 料 接 收 等 等 PBASIC 的 語 法 使 用 起 來 非 常 簡 單, 使 用 者 並 不 需 要 了 解 微 電 腦 的 硬 體 架 構 或 電 路 設 計, 便 可 迅 速 完 成 所 要 的 機 電 整 合 系 統,BASIC Stamp 本 身 還 附 有 一 款 免 費 的 整 合 式 編 輯 環 境 軟 體 以 供 使 用 者 編 寫 程 式 及 燒 錄 工 作 ( 圖 17) 圖 16 各 式 的 BS2 微 處 理 器 圖 17 BS2 整 合 式 編 輯 環 境 軟 體 ( 七 ) 居 家 下 雨 天 的 測 知 與 模 組 製 作 探 討 經 由 老 師 的 指 導, 本 組 組 員 使 用 CAD 軟 體 繪 出 雨 天 感 測 銅 板 圖 ( 如 圖 18), 並 使 用 EP2006L 雕 刻 機 雕 刻 出 一 塊 雨 天 感 測 之 電 路 銅 板 ( 圖 19) 我 們 所 構 想 的 原 理 是 : 利 用 雨 水 的 導 電 性 ( 實 測 阻 值 15k~25k), 透 過 銅 板 上 的 通 道, 是 否 下 雨 淋 濕 會 造 成 電 路 板 上 的 電 路 導 通 與 否, 將 訊 號 傳 回 系 統 即 可 偵 測 到 外 面 是 否 正 在 下 雨 圖 18 CAD 電 路 板 繪 製 軟 體 圖 19 EP2006L 雕 刻 操 作 ( 八 ) 居 家 空 氣 品 質 探 討 為 改 善 空 氣 品 質, 我 們 對 居 家 空 氣 品 質 進 行 探 討, 得 知 空 氣 中 含 有 相 當 多 的 成 份, 因 此 通 常 會 以 空 氣 污 染 指 標 為 參 考 依 據 來 評 斷 空 氣 的 品 質 好 壞 空 氣 污 染 指 標 是 將 當 日 空 氣 中 懸 浮 微 粒 (PM10) 二 氧 化 硫 (SO2) 二 氧 化 氮 (NO2) 一 氧 化 碳 (CO) 等 數 值, 以 其 對 人 體 健 康 的 影 響 程 度, 分 別 換 算 出 不 同 污 染 物 之 副 指 標 值, 再 以 當 日 各 副 指 標 值 之 最 大 值 為 該 測 站 當 日 之 空 氣 污 染 指 標 值 (PSI) 11
表 6 空 氣 污 染 指 標 值 (PSI) PSI 0~50 51~100 101~199 200~299 >=300 健 康 良 好 普 通 不 良 非 常 不 良 有 害 影 響 Very Good Moderate Unhealthful Hazardous 程 度 Unhealthful 對 一 般 民 對 敏 感 族 對 敏 感 族 群 對 敏 感 族 群 會 對 敏 感 族 群 除 了 眾 身 體 健 群 健 康 無 會 有 輕 微 症 有 明 顯 惡 化 現 不 適 症 狀 顯 著 惡 人 體 康 無 影 立 即 影 狀 惡 化 的 現 象 並 降 低 其 運 化 並 可 能 造 成 某 健 康 響 響 象 動 能 力 ; 一 般 大 些 疾 病 提 早 發 影 響 眾 則 視 其 身 體 病 正 常 人 的 運 動 狀 況 而 定 能 力 降 低 圖 20 啟 動 窒 內 對 流 風 扇 圖 21 空 氣 濾 清 啟 動 小 組 成 員 針 對 居 家 室 內 空 氣 品 質 提 出 改 善 的 方 法 為 : 偵 測 室 內 不 佳 時, 即 啟 動 室 內 外 空 氣 對 流 風 扇 及 室 內 空 氣 濾 清 器 進 行 室 內 空 氣 的 改 善 ( 圖 20 圖 21), 以 達 到 室 內 空 氣 保 持 清 新 乾 淨 的 效 果 ( 九 ) 利 用 小 電 流 控 制 家 用 電 器 原 理 探 討 家 庭 中 的 家 電 用 品, 其 多 數 皆 是 110V 的 大 電 壓, 在 對 其 進 行 控 制 時, 多 以 繼 電 器 予 以 阻 絕 控 制 端 及 被 控 制 端 繼 電 器 是 一 種 電 子 控 制 器 件, 實 際 上 是 一 種 用 較 小 電 流 去 控 制 較 大 電 流 的 自 動 開 關 故 在 電 路 中 有 著 自 動 調 節 安 全 保 護 轉 換 電 路 等 作 用, 繼 電 器 的 種 類 常 用 的 有 電 磁 式 繼 電 器 ( 圖 22 圖 23) 固 態 繼 電 器 (SSR) ( 圖 24 圖 25) 等, 固 態 繼 電 器 相 較 於 電 磁 繼 電 器 有 以 下 特 點 : 1 沒 有 接 點, 所 以 不 會 產 生 火 花 燒 損 接 點, 壽 命 長, 可 靠 性 高 2 反 應 速 度 快, 工 作 頻 率 高 3 體 積 小, 重 量 輕 4 消 耗 功 率 小, 以 光 電 隔 離 型 為 最 多 12
圖 22 電 磁 式 繼 電 器 圖 23 電 磁 式 繼 電 器 原 理 圖 24 固 態 繼 電 器 (SSR) 圖 25 固 態 繼 電 器 (SSR) 原 理 肆 研 究 結 果 系 統 在 經 過 多 次 修 改 測 試, 以 及 同 學 師 長 的 建 議 回 饋 後, 我 們 完 成 了 居 家 環 境 智 慧 控 制 系 統, 如 圖 26 為 我 們 的 系 統 架 構 圖, 茲 將 我 們 的 研 究 結 果 羅 列 如 下 : 圖 26 系 統 架 構 圖 13
一 ZigBee 無 線 傳 輸 之 測 試 與 模 組 建 置 ZigBee 無 線 傳 輸 模 組 在 小 組 成 員 測 試 下, 以 1mW 的 小 型 XBee 點 對 點, 其 傳 輸 距 離 極 長, 且 不 易 受 到 干 擾,XBee 原 始 的 Mac 設 定 值 為 0, 對 於 各 點 XBee 的 定 位, 我 們 採 用 兩 種 方 法 以 達 到 設 定 的 效 果 : 圖 27 X-CTU 程 式 設 定 XBee 的 Mac 圖 28 AT Cammand 設 定 XBee ( 一 ) 利 用 Digi 公 司 的 X-CTU 程 式 對 XBee 的 記 憶 體 的 高 位 元 (DH) 及 低 位 元 (DL) 進 行 讀 出 與 寫 入, 以 達 成 Mac 設 定 的 功 能 ( 圖 27), ( 二 ) 利 用 程 式 撰 寫 手 機 常 用 的 AT Command 指 令, 對 XBee 進 行 Mac 及 各 項 設 定 的 變 更 及 讀 出 寫 入 的 動 作 ( 圖 28) 在 系 統 的 運 用 上,X_CTU 程 式 的 更 改 資 料 適 用 工 程 人 員 直 接 或 初 次 對 XBee 進 行 設 定 使 用, 而 使 用 撰 寫 AT Command 程 式 對 XBee 進 行 更 改 的 方 法 則 可 將 XBee 的 修 改 動 作 植 入 程 式 中 以 XBee 的 定 位 及 找 尋, 均 需 依 照 每 個 XBee 所 設 定 的 Mac 來 確 認 之 XBee 的 無 線 通 訊, 在 PC 端 我 們 使 用 XBee 的 Usb 轉 接 板, 在 硬 體 模 組 介 面 上, 經 測 試 後 以 XBee TTL 轉 接 板 效 果 較 佳 ( 圖 29 圖 30) 圖 29 XBee Usb TTL 轉 接 板 圖 30 PC 端 與 硬 體 端 之 無 線 通 訊 14
二 室 內 外 光 線 偵 測 控 制 之 製 作 圖 31 光 感 元 件 TSL230R IC 圖 32 光 感 模 組 的 建 置 為 讓 居 家 照 明 能 處 於 舒 適 狀 態, 同 時 兼 顧 節 能 及 利 用 戶 外 太 陽 光 源, 以 減 少 電 力 使 用 於 照 明 上, 本 組 利 用 TSL230R IC ( 圖 31) 來 感 測 溫 度, 於 戶 外 及 室 內 各 建 置 一 組 光 線 感 測 模 組 ( 圖 32), 我 們 利 用 Basic Stamp 撰 寫 程 式 控 制 微 處 理 器, 讀 取 由 TSL230R 環 境 的 光 線 流 明 值 ( 圖 33 圖 34) 圖 33 TSL230R IC 接 腳 圖 34 系 統 感 測 的 光 源 的 程 式 三 濕 度 控 制 模 組 研 究 與 製 作 濕 度 通 常 是 一 個 不 容 易 測 量 的 物 理 量, 但 有 很 多 設 備 ( 如 冷 暖 氣 機 除 濕 機 等 ) 都 需 要 讀 取 溫 度 和 濕 度 值 做 補 償 我 們 利 用 SHT11 sensor 這 顆 溫 濕 度 感 測 器 來 獲 得 溫 度 濕 度 的 數 據, 並 使 用 BASIC Stamp 控 制 器 經 由 兩 導 線 和 串 列 傳 輸 介 面 來 讀 取 溫 度 和 溼 度 值, 於 程 式 中 利 用 數 學 式 變 換 為 攝 氏 溫 度 值 及 相 對 濕 度 值 ( 圖 35 圖 36) 圖 35 SHT11 溫 濕 度 感 測 IC 圖 36 溫 度 濕 度 讀 取 程 式 15
四 戶 外 雨 天 感 知 模 組 之 建 置 為 讓 居 家 主 人 能 在 遠 端 隨 時 得 知 住 家 的 天 候 狀 況, 小 組 構 想 建 置 一 套 雨 天 感 知 模 組 裝 置, 初 期 一 直 無 法 突 破 硬 體 製 作 上 的 難 題, 但 在 科 上 老 師 指 導 下, 我 們 利 用 電 晶 體 放 大 及 雨 水 導 電 的 特 性, 設 計 了 一 套 下 雨 感 知 電 路 置 放 於 屋 外, 去 偵 測 是 否 下 雨 當 感 測 板 上 有 水 份 滴 入 水 滴 時,9013 電 晶 體 導 通 輸 出 訊 號 便 會 至 主 系 統, 告 知 下 雨 訊 息 ( 圖 37 圖 38) 圖 37 下 雨 感 知 電 路 圖 38 裝 於 戶 外 的 下 雨 感 知 器 五 Basic Stamp 2 微 處 理 器 之 使 用 由 於 主 系 統 中 必 須 建 置 環 境 感 知 硬 體 模 組 與 環 境 控 制 硬 體 模 組, 我 們 便 規 劃 兩 顆 Basic Stamp 微 處 器 分 別 負 責 輸 入 與 輸 出 的 控 制, 依 微 處 理 器 的 腳 位 銲 接 製 作 於 系 統 主 板 上 ( 圖 39 圖 40) 圖 39 BS2 微 處 理 器 腳 位 圖 說 明 圖 40 BS2 微 處 理 器 銲 接 於 主 板 上 六 ZigBee 家 電 驅 動 模 組 之 研 究 與 建 置 針 對 居 家 中 的 電 器, 多 為 110V 電 壓 系 統, 我 們 利 用 模 組 化 理 念, 結 合 ZigBee 的 無 線 通 訊, 內 部 以 89S51 IC 為 控 制 核 心, 驅 動 繼 電 器 (Relay) 對 電 器 用 品 進 行 開 關 監 管 控 制, 設 計 出 與 PC 無 線 監 控 的 模 組 ( 圖 41 圖 42) 如 此 一 來, 居 家 的 主 人 便 可 藉 由 系 統 的 設 定, 將 家 電 用 品 納 入 系 統 監 管 的 模 組 中 16
圖 41 ZigBee 家 電 驅 動 模 組 電 路 圖 42 ZigBee 家 電 驅 動 模 組 實 體 圖 七 居 家 環 境 智 慧 控 制 系 統 模 擬 情 境 之 建 置 為 模 擬 及 探 討 居 家 環 境 智 慧 控 制 系 統 建 置 的 可 行 性, 我 們 建 置 了 一 小 型 模 擬 情 境 系 統, 其 中 包 含 硬 體 偵 測 模 組 硬 體 管 理 控 制 模 組 軟 體 管 控 模 組 三 大 部 份 : ( 一 ) 硬 體 偵 測 模 組 硬 體 偵 測 模 組 包 含 有 雨 天 感 知 模 組 ( 圖 43) 光 度 濕 度 溫 度 感 測 模 組 ( 圖 44) ZigBeeTTL 模 組 及 BS2 微 處 理 器 硬 體 ( 圖 45 圖 46) 等 部 分 圖 43 雨 天 感 知 模 組 圖 44 光 度 濕 度 溫 度 感 測 模 組 圖 45 ZigBee TTL 及 BS2 微 處 理 器 圖 46 主 電 路 板 銲 接 背 面 17
( 二 ) 硬 體 管 理 控 制 模 組 硬 體 管 理 控 制 模 組 主 要 有 窗 簾 硬 體 模 組 ( 圖 47) 照 明 控 制 模 組 ( 圖 48) 濕 度 控 制 模 組 空 氣 清 淨 模 組 ( 圖 49) 冷 氣 空 調 控 制 模 組 ZigBee 家 電 控 制 模 組 及 控 制 總 成 模 組 ( 圖 50) 等 部 分 圖 47 窗 簾 硬 體 模 組 圖 48 照 明 控 制 模 組 圖 49 空 氣 濕 度 清 淨 冷 氣 模 組 圖 50 控 制 總 成 模 組 ( 三 ) 軟 體 管 控 模 組 軟 體 管 控 模 組 主 要 有 : 採 用 組 合 語 言 撰 寫 的 窗 簾 控 制 模 組 ZigBee Usb 模 組 PC 監 控 模 組 自 動 監 控 模 組 等 圖 51 窗 簾 控 制 模 組 圖 52 窗 簾 控 制 模 組 程 式 18
圖 53 PC 監 控 自 動 監 控 模 組 圖 54 PC 監 控 自 動 監 控 模 組 程 式 伍 討 論 一 系 統 測 試 之 探 討 在 小 型 模 擬 情 境 的 系 統 中, 我 們 利 用 線 路 配 線 方 式 ZigBee 無 線 建 置 方 式, 在 建 置 系 統 完 成 後, 小 組 針 對 居 家 環 境 智 慧 控 制 系 統 的 運 行 進 行 探 討, 我 們 在 校 內 對 師 長 及 同 學 進 行 系 統 的 解 說 ( 圖 55 圖 56), 並 詢 問 老 師 同 學 們 的 看 法 及 意 見, 以 進 行 系 統 的 改 進 與 優 化 圖 55 對 學 校 老 師 進 行 系 統 解 說 圖 56 對 學 校 同 學 進 行 系 統 解 說 經 過 本 次 的 系 統 設 計 研 究 與 探 討, 讓 組 員 學 習 到 很 多 的 知 識, 也 讓 我 們 認 為 建 置 居 家 環 境 智 慧 控 制 系 統 是 可 行 的 方 案, 並 經 由 上 述 的 過 程, 我 們 歸 納 出 五 點 討 論 議 題, 茲 討 論 如 下 : ( 一 ) 利 用 ZigBee 無 線 傳 輸, 可 以 很 容 易 地 對 家 電 進 行 監 控 管 理 ( 二 )ZigBee 無 線 傳 輸 針 對 每 個 節 點, 皆 可 定 義 個 別 的 Mac, 且 數 量 可 達 65000 個 之 多, 在 家 電 用 品 的 監 控 上 相 當 方 便 ( 三 ) 藉 由 Web Server 的 架 設, 住 家 擁 用 者 可 隨 時 利 用 各 項 數 位 設 備, 即 時 得 知 自 己 居 家 的 環 境 品 質 及 狀 況 19
( 四 ) 針 對 現 有 家 庭 電 器 用 品, 採 用 ZigBee 無 線 控 制 模 組 是 有 效 且 可 行 的 方 式 ( 五 ) 在 居 家 的 電 源 開 關 建 立 無 線 傳 輸 模 組, 可 快 速 結 合 數 位 系 統 對 家 電 進 行 監 控 動 作 二 未 來 展 望 在 本 次 的 專 題 製 作 過 程 中, 我 們 也 發 現 了 以 下 的 問 題, 值 得 再 深 入 研 究 探 討 : ( 一 ) 居 家 的 環 境 變 因 非 常 多, 如 樓 層 窗 戶 的 多 寡 空 間 大 小 等, 這 些 變 因 不 易 制 定 環 境 監 控 模 組, 所 以 仍 需 依 個 居 家 情 形 來 修 正 模 組 ( 二 )ZigBee 無 線 模 組, 目 前 價 格 仍 然 偏 高, 加 入 家 電 用 品 內 將 會 增 加 成 本 ( 三 ) 由 於 ZigBee 無 線 模 組 屬 低 速 傳 輸, 有 關 影 像 監 控 方 面, 仍 待 加 強 ( 四 ) 小 組 成 員 對 模 組 的 建 立 方 案 因 時 間 關 係, 只 能 提 出 概 念 及 建 立 少 數 幾 組 模 組, 未 來 家 電 模 組 的 建 立, 仍 需 衡 量 整 體 狀 況, 並 且 廣 邀 各 家 電 製 造 廠 商 共 同 參 與 討 論 制 定 ( 五 ) 由 於 BS2 微 處 理 器 只 提 供 較 少 的 IO Port, 未 來 可 能 無 法 因 應 整 體 大 量 數 量 的 居 家 家 電 用 品, 宜 改 用 多 IO Port 之 微 處 理 器 ( 六 ) 未 來 遠 端 管 理 人 機 介 面 部 份, 可 建 立 於 多 種 作 業 平 台, 如 Android Linux Windows OS 等 OS 上 ( 七 ) 有 關 系 統 驅 動 各 家 電 用 品 模 組, 限 於 經 費 而 採 用 較 便 宜 之 電 磁 式 繼 電 器 實 驗 結 果 發 現 相 當 耗 電, 宜 改 採 SSR 設 計 較 佳 陸 結 論 經 由 我 們 對 居 家 環 境 智 慧 控 制 系 統 的 建 置 及 研 究 探 討 發 現 : 我 們 把 ZigBee 無 線 通 訊 用 於 控 管 居 家 環 境 改 善 居 家 舒 適 度 及 便 利 性 的 想 法 是 可 行 的 小 組 嘗 試 建 立 模 組, 在 未 來 的 居 家 所 使 用 的 家 電 產 品, 只 要 加 入 各 感 測 元 件, 立 即 可 針 對 住 家 環 境 進 行 監 控 管 理 ; 利 用 ZigBee 通 訊 模 組, 也 能 隨 時 針 對 住 屋 各 項 家 電 用 品 進 行 數 位 化 無 線 化 雲 端 化 的 管 理 與 結 合 對 於 人 們 掌 握 家 居 環 境 與 提 昇 住 宅 品 質 方 面, 一 定 能 有 更 好 的 效 益 20
柒 參 考 資 料 及 其 他 一 楊 明 豊 編 著,8051 單 晶 片 設 計 實 務, 碁 峰 資 訊 有 限 公 司,2002 年 二 李 克 宇 編 著,8051/52 單 晶 片 微 電 腦 原 理 與 應 用, 知 城 數 位 有 限 公 司, 2002 年 三 吳 一 農 編 著, 單 晶 片 8051 實 務 ( 增 修 版 ), 松 崗 圖 書 有 限 公 司,2008 年 四 黃 世 陽 吳 明 哲 何 嘉 益 張 志 成 吳 志 忠 曹 祖 聖 編 著,Visual Basic 6.0 中 文 版 學 習 範 本, 文 魁 資 訊 股 份 有 限 公 司,2003 年 五 廖 信 彥 編 著,Active Server Pages 應 用 大 全 -ASP 與 資 料 庫 之 整 合, 博 碩 文 化 股 份 有 限 公 司,1999 年 六 黃 嘉 輝 編 著,Visual Basic 網 際 網 路 程 式 設 計 -TCP/IP 與 Internet Programming 篇, 文 魁 資 訊 股 份 有 限 公 司,2002 年 八 蕭 念 慈 編 著, 從 範 例 清 鬆 學 SQL Server2000, 博 碩 文 化 有 限 公 司,2001 年 九 范 逸 之 陳 立 元 著,Visual Basic 與 串 並 列 通 訊 控 制 實 務, 魁 資 訊 股 份 有 限 公 司,2001 年 十 黃 國 軒 廖 哲 義 編 著, 電 子 電 路 實 習, 全 華 科 技 圖 書 股 份 有 限 公 司,2002 年 十 一 鄧 明 發 陳 茂 璋 編 者, 微 電 腦 專 題 製 作 應 用 電 路, 知 行 文 化 有 限 公 司, 2003 年 十 二 SQL 語 法 教 學 SQL 語 法 教 學 網 站 取 自 : http://www.1keydata.com/tw/sql/sql.html 十 三 XBee 特 性 及 用 法 Digi International INC 取 自 http://www. Digi.com 21