第三章 WSN 電力感測系統硬體規劃設計
3.2 設計流程
3.2.6 AC Current Transformers子電路
圖 3- 29 Energy metering sensor 電路設計圖
而電流部份透過AC Current Transformers(詳細介紹參考下一節)將 其轉換成對應的交流電壓送入電流輸入端(IAP、IAN)進行電流的運算。
圖3- 30 AC Current Transformers
以下為 AC Current Transformers 感應電動勢之推導公式。由下列公 式推導得知，導線中的電流穿越環形線圈，所產生電荷均勻分佈在環形線
圈中，所產生電磁場以逆時鐘切線方向，其大小為 φ
φ π ˆ
r 2 ) I ˆ⋅ ( = 0
= H r
Hv ，
π φ φ
π φ
φ φ φ
μ μ μ
μ μ
π
r ˆ 2 ) I ˆ (
) ( 2 ) ( ) ˆ ˆ (
) C
Contour (
I d
B
) (
I d H
H H
0
0 2
0
r 0 c
0 c
0 r 0
=
⋅
=
=
=
⋅
=
⋅
⋅
⋅
⋅
=
⋅
=
⋅
=
=
∫
∫
∫
∫
r H H
I r rH r
r H d I
r d r
H B B
c
v
r l r
l r
r r
包圍的總電流 被
安培定律
內 外 外
內 內
因此假設導線磁場在 AC Current Transformers 中是均勻分布，利用此假設推 導得VCT。
t j 0 0
t j 0
t j 0 0
0
N
...
e 2 I
dt -j -d
e I dt j
dI
e I I ...
2
ˆ 2 ˆ
ω ω
ω
π μ ωμ ε
ω π
μ μ
φ π φ
μ μ
t j 0 0
CT I e
-j 2 N
V ω
π μ ω μ
ε = ⋅
⋅
=
∴
⋅ Φ =
=
⋅
=
⋅
=
⋅
=
⋅
=
=
⋅
=
Φ
∫ ∫
b A b A
I
b A A I
d B A d B
r r
r
圈時
單圈 其中
b A N r
r r r r
再將感應電壓送至 ADE7758，藉由內部的 ADC 轉換成對應之電流值數位 資料。
圖3- 31 AC Current Transformers 線圈等校電路圖
當 I P=20A 流進 AC Current Transformers 產生磁場，在線圈比為 1：1000 的 線圈中產生電動勢，負載端電阻使用 100Ω，運用歐姆定律得知感應
Vout=2V，轉阻為 0.1Ω。(表 3-1)
表3.1 Transformers Specifications
第三章 WSN 電力感測系統硬體系統測試驗證
4.1 WSN 電力感測系統實做
本論文之目的在於提出一完整之 WSN 無線電力感測系統架構，並針對 各子系統進行開發，設計各子電路需考慮結合問題，以及尺寸大小；以下 各小節將依序闡述實做的過程。
4.1.1 ZigBee™ MCU 子電路局部量測驗證
系統實做方面選用晶片是 TI CC243x，在 2.1 節所提到的三種規格中設 定為用 ZR(ZigBee™ Router)方便開發與功能驗證，設計電路部份考慮結構 強度，所以板厚與原參考電路有所變化，如圖4- 1，四邊分別預留塑膠角柱 插孔方便做電路立體連結，上下兩端也預留螺絲鎖孔，配合電工插座上蓋
圖4- 2 ZigBee™ MCU 子電路 Layout 圖
，可以固定在電工鐵合兩端，將整個結構固定，也可讓結構下方多點空間，
方便讓多餘的配線有足夠空間，中間預留部分給插座使用，本結構目前只 針對單一負載，插孔也預留單一，以下為實體圖圖 4- 3
圖4- 4 ZigBee™ MCU 子電路實體圖
電路驗證透過 TI CC243x 的開發套件，將自行開發的子電路，設定成 Coordinator，另一裝置則設定成 Router，透過前端 RF 電路，當兩裝置連結 成功，會互相傳遞資料，並且解開封包，當資料顯示在LCD，如圖 4- 5，
是驗證情境
圖 4- 6 ZigBee™ MCU 子電路驗證情境
成功後將可以發現兩個裝置，將會顯示換傳資訊，如圖 4- 7。
4- 8 ZigBee™ MCU 子電路局部驗證結果圖
4.1.2 Switching Power 子電路局部量測驗證
在發展 WSN 無限電力感測系統的中，Switching Power 子電路擔任整 個系統中電源來源，在電路中不僅有大電力與小電力並存，且因為此電路 位於整體架構之左側，元件將會呈現九十度，在設計要考慮元件是否互相 抵觸，大電力區塊考慮電工安全以及電路老化，將線寬加寬到安全範圍之 上，電路中大小電力相結合地方，也做了裁線，來預防電路使用過久累積 粉塵所造成跳電現象，圖 4- 9 Switching Power 子電路 Layout 圖。
圖 4- 10 Switching Power 子電路 Layout 圖
圖4- 11 Switching Power 子電路正面實體圖
圖 4- 12 Switching Power 子電路背面實體圖
測試部分直接將電路銜接室電 AC 110V，且透過 FLUKE 電表來確認 電路是否有正常動作，先檢測輸入端為 AC 110V，經過電路轉換後，穩出 DC 5V 來提供給上板穩壓電路進行降壓以及右板電源來源。
圖 4- 13 Switching Power 子電路局部驗證圖
4.1.3 AC Current Transformers子電路局部驗證
位於下板的AC Current Transformers子電路如圖 4- 14，銜接兩邊側板，
且也是室電直接進入的電路，由於考慮電路安全性，在走線也設計在安全 規範內，會加上粗裸銅線還補強走線強度，插座底座預留位置，將會透過 粗裸銅線來將底部電源送上插座，提供負載使用。圖 4- 15、圖 4- 16 為實 體圖。
圖 4- 17 AC Current Transformers子電路局 Layout圖
圖4- 18 AC Current Transformers子電路實體俯視圖
圖4- 19 AC Current Transformers子電路實體側視圖
AC Current Transformers子電路測試將會在下一個章節，結合Energy metering sensor子電路來做測試驗證。
4.1.4 Energy metering sensor 子電路局部量測驗證
位於右側的 Energy metering sensor 子電路圖 4-20 所示，負責將所讀 取的電壓值，透過內部運算，在將值經由 SPI 介面傳到上板 MCU，在 SPI 介面部分常會因為接觸不良而導致傳輸錯誤或是亂碼，目前橋接部份都透 過九十度牛角來作為銜接支撐用，在這章節會配合上一章節來驗證電路成 功與否，圖 4- 20、圖 4- 21 所示為實體圖。
圖4- 22 Energy metering sensor 子電路 Layout 圖
圖4- 23 Energy metering sensor 子電路實體成品圖
透過模組來將所讀到的資訊，直接顯示出來，搭配上儀器來驗證，
電路有正常工作，並且將也驗證 SPI 介面傳輸正常，圖 4- 24 所示。
4- 25 Energy metering sensor 子電路局部驗證圖
圖4- 26 Energy metering sensor子電路&AC Current Transformers子電路量 測驗證圖
4.1.5 WSN 電力感測系統整合測試
將所有子電路組合起來，透過九十度牛角來結合並且作為傳輸 介面，組合後的整體架構在焊接與偵錯會造成很大的不便，往後需要去克 服以下為組合後的架構如圖 4- 27、圖 4- 28。
圖 4- 29 開發初版成品圖
圖4- 30 整體 WSN 電力感測系統成品圖
將 WSN 電力感測系統設定為 ZR，將負載端的用電資訊回傳到 ZC 並且顯示資訊在 LCD 上，來驗證整體系統是正常，如圖 4- 31。
圖 4- 32 WSN 電力感測系統實驗情境圖
回傳回來的資訊分別左上角為電流，右上為電壓，左下及右下都為Apparent Power，如圖。
圖4- 33 偵測電流、電壓、功率回傳顯示
4- 34 偵測 Active Power、 Reactive Power 回傳顯示
第四章 結論與未來展望
3.3 系統優點分析
本論文實踐無線電力感測系統與以往的市售感測系統比較，不僅在空 間上有絕對的突破，體積也縮小成市售電工插座鐵盒大小，並且製作成內 嵌式可置入待測裝置之插座，透過結合 ZigBee™網絡來達成將所監控的電 力資訊，不僅可以及時性顯示也可以透過遠端進行管理監控，此外，異質 網路之結合也讓 ZigBee™的應用更有彈性，不只是本論文提到之系統，舉 凡各式需要定時抄表系統，或是不同領域等監測，都可藉由此種架構做為 發展依據。
3.4 系統缺點分析
目前系統體積上還稍嫌過大還有縮小空間，電力之偵測常因外界環境 影響，準確度仍待改善，架構所使用天線採外接SMA指向型天線，在使用上 還稍嫌不便，未來要利用Chip Antenna把天線部份取代，或是透過平面天 線等取代。
3.5 結論與未來展望
本論文中所發展的 WSN 電力感測系統皆可順利完成電力偵測等功
能，大體上來說，ZigBee™無線網路及遠端控制之綜合應用架構已成型，
未來電器產品、智慧型住宅等節能應用可依循此種方式做為發展依據，此
系統之初步架構目前針對家庭式用電，如能克服體積及成本上困難，運用 於生活住宅中，並且配合 Ethernet 將資料回傳遠端管理公司建立監控資料 庫，將可達到智慧化建宅之遠景。