數位居家監控系統研製

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王惠玲

1,*

_許文昌

1

_李其叡

1

_高嘉平

1

_李尚勳

1

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本研究是由 Arduino Mega 控制板、Wi-Fi 模組、 LabVIEW 人機介面、電壓感測器、電流感測器、空氣品質感測器、瓦斯感測器、溫溼度感測器、繼電器、散熱風扇、交流量測模組、伺服馬達、致冷晶片、網路攝影機和延長線結合而成。以 LabVIEW 圖控語言來撰寫程式，結合 Arduino 與其 Wi-Fi 模組，並以無線傳輸方式進行數據的採集與傳送。在操作上使用者能夠使用人機介面透過與 Arduino 模組所連結的感測器，即時獲得被監測電器產品的實功率、虛功率及功率因數等電力參數；同時監測瓦斯、空氣、濕度及溫度等環境參數，並傳送至資料庫，方便使用者查詢。本研究的成果包含數位居家監控系統實體、電力監控子系統、環境監控子系統、手動控制與安全監視系統之研製。 ᙯᔣෟ：數位居家監控、電力監測、環境參數監測、 家用電器控制

ಥă݈֏

在物價飆漲、薪資倒退、整個大環境不景氣的狀況下，水、電、瓦斯等必要的支出是無法避免的。一般消費者只知道電器產品插上插頭就能夠使用，卻從沒想過產品本身是否能有效率的利用電力，而不是純粹消耗。畢竟積沙成塔，被浪費的電力累積起來也是一筆很可觀的數目。本研究利用數位居家監控系統來瞭解電器所消耗的功率，能夠隨時監測電器是否有故障的情況，使用者能明確的知道所購買的電器產品是有效的在利用電力，實為一舉兩得的實用系統。

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系統架構圖如圖 1 所示，以電腦端 LabVIEW 作為人機介面，硬體端使用 Arduino Mega 2560 為控制核心，並利用此核心接收感測器透過 Wi-Fi 回傳至人機介面之數值，並且透過繼電器控制風扇、延長線電源、致冷晶片和伺服馬達的開啟與關閉，使整個環境符合安全以及舒適需求。 ဦ 1 ᇴҜاछႾଠր௚̝ր௚ߛၹဦ 由周邊的環境感測器進行環境參數蒐集，再將參數傳送至微處理機後，透過 Wi-Fi 模組把參數傳送至 1_{亞東技術學院電機工程系} *_{通訊作者：王惠玲} E-mail：[email protected]

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LabVIEW 人機介面端顯示，使操作者能夠即時觀測到環境狀態呈現數值化的表現。同時微處理機會進行比對環境參數與人機介面的設定值是否相符，若不符便進一步透過繼電器控制各受控設備的導通或截止，如果電壓或電流過高和不穩，繼電器會導通使延長線進行斷電防護，當電壓電流穩定後，繼電器截止使延長線恢復正常運作；氣溫高於設定時，啟動致冷晶片進行降溫，氣溫低於設定時，關閉致冷晶片；空氣中懸浮微粒 PM2.5 濃度高於設定時，風扇進行抽風，PM2.5 濃度低於設定時，風扇停止運作；一氧化碳感測高於預設值時，啟動伺服馬達進行安全處理（實務上需注意起動馬達時引起的爆炸問題），低於預設值時關閉伺服馬達；監視器同時進行影像監看，也具備資料存取功能，可在人機介面上觀看所存取的資料或輸出存取資料。 系統功能介紹如下： 1. 將放入延長線內的電壓和電流感測器所讀取的數值傳入 Arduino Mega 控制板。

2. 利用 Arduino Wi-Fi 模組將 LabVIEW 人機介面與 Arduino Mega 控制板相互連接。

3. 將 Arduino Mega 控制板裡的數值，利用 Arduino Wi-Fi 模組傳入 LabVIEW 人機介面進行運算。 4. 將 LabVIEW 人機介面運算的結果（包含視在功率、虛功率、實功率以及功率因數），輸出轉換成電壓與電流的波形圖。 5. 將感測器（電壓、電流、一氧化碳、空氣品質 (PM2.5)、溫溼度）傳回資料庫。 6. 當電壓、電流測量值出現異常時，喇叭發出聲響提醒使用者，並且繼電器啟動切斷電源供應。 7. 當瓦斯測量值出現異常時，喇叭發出聲響提醒使用者，並且使繼電器驅動風扇及伺服馬達。 8. 網路攝影機與人機介面連線，提供即時影像。 9. 當溫溼度測量值發生異常時，繼電器會驅動風扇。 10.當空氣測量值發生異常時，喇叭會發出聲響提醒使用者。 11.提供環境監控模式或是電力監控模式以及手動與安全模式三種模式。主要硬體選用之規格的介紹如下： ˘ăArduino Mega ଠטڕ[1] Arduino Mega 2560 在本系統擔任感測器的溝通與週邊設備的控制，實體如圖 2 所示。Arduino 板只有一組 UART 硬體串列埠，而 Mega 板則有四組。 Mega 板的供電系統有兩種選擇，USB 直接提供電或外部供電，電源的供應選擇會自動切換，而本研究採用 AC-to-DC adapter 以外部供電進行使用。 ဦ 2 Arduino Mega ଠטڕ 產品規格如下： 1. 工作電壓 5V。 2. 輸入電壓（建議）7~12V。 3. 輸入電壓（限制）6~20V。 4. 數位 I/O Pins 54 支（其中有 14 支腳位可提供 PWM 輸出）。 5. 類比 Input Pins 6 支。 6. I/O pin 直流電流 40 mA 。 7. 3.3V pin 直流電流 50 mA 。 8. Flash 記憶體 256KB，其中 8KB 拿去給 Bootloader 使用。 9. SRAM 8KB 。 10.EEPROM 4KB 。 11.時脈 16MHz 。 12.控制器核心：ATmega2560。 ˟ăArduino Wi-Fi ሀ௡[2] 主要功能為人機介面與控制板的溝通，實體如圖 3 所示。Arduino Wi-Fi 模組中負責網路的嵌入式為

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HLK-RM04 ， HLK-RM04 是低成本嵌入式 UART-ETH-WI-FI 模組，內置 TCP/IP 協定，能夠實現用戶在串列、乙太網路和無線網路三個之間的轉換，傳統串列設備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過 Internet 網路傳輸資料。 ဦ 3 Arduino Wi-Fi ሀ௡ 產品規格如下： 1. 無線標準：IEEE802.11(n/g/b) 。 2. 無線傳輸速率： 11n：最高可達 150Mbps。 11g：最高可達 54Mbps。 11b：最高可達 11Mbps。 3. 通道數：1~14 個。 4. 頻道範圍：2.4~4.4835G。 5. 發射功率：12~15DBM。 6. 介面：2 個串列傳輸埠、1 個 USB 埠。 7. TCP、UDP 連接：最大連接數>20。 8. 串列傳輸速率：1200~230400bps。 9. 可選內置板載或者外置天線。 10.工作溫度：-25~75°C。 ˬăACS712 ࿪߹ຏീጡሀ௡ 20A[3] ACS712 電流感測器主要功能為感測延長線之電 源電流，最大為 20A，實體如圖 4 所示: ဦ 4 ACS712 ࿪߹ຏീጡሀ௡ 20A 產品規格如下： 1. 電流傳感器芯片：ACS712ELC-05B。 2. 工作電壓為 5V 。 3. 模塊可以測量正負 20 安培電流，對應模擬量輸出 100mV/A。 4. 沒有檢測電流通過時，輸出的電壓為 VCC/2。 5. 頻寬為 50 kHz。 6. 內部導體電阻為 1.2 m 。 7. 輸出抵銷電壓極為穩定。 8. 輸出電壓與交流電流或直流電流成正比。 αăAC Ϲ߹࿪ᑅຏീጡ[4] AC 交流電壓感測器主要是感測延長線電源電壓，最大值為 220V，實體如圖 5 所示。 ဦ 5 AC Ϲ߹࿪ᑅຏീጡ 產品規格如下： 1. 板載高精度運算放大器電路，對信號做精確採樣和適當補償等功能。 2. 模組可以測量 0~250V 範圍內的交流電壓，對應輸出模擬量可以調節。 3. 供電電壓為 5~30V。 4. 初始電流為 2mA。 5. 工作溫度為-40℃~70℃。 6. 應用在電壓和功率的運算。 7. 匝數比為 1:1。 8. 線性範圍為 0~1000V 和 0~10mA 在電阻為 100k 。 ̣ăMQ-9 ˘উ̼჆ઍീጡ[5] MQ-9 一氧化碳偵測器主要負責偵測環境中之一氧化碳數值，實體如圖 6 所示。

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ဦ 6 MQ-9 ˘উ̼჆ઍീጡ 產品規格如下： 1. 工作電壓：DC5V。 2. 工作電流：150mA。 3. 偵測一氧化碳範圍：10~1000 ppm。 4. 偵測可燃氣體範圍：100~10000 ppm。 5. DO 輸出：TTL 數字量 0 和 1(0.1 和 5V)。 6. AO 輸出：0.1 ~ 0.3V。 ̱ăGP2Y1014AU ۩ঈݡኳຏീጡ[6] 空氣品質感測器主要負責感應偵測空氣品質數值，實體如圖 7 所示。 ဦ 7 GP2Y1014AU ۩ঈݡኳຏീጡ 產品規格如下： 1. 電源電壓：5-7V。 2. 工作溫度：-10℃〜65℃。 3. 消耗電流：最大值為 20mA。 4. 最小粒子檢出值：0.8 微米。 5. 靈敏度：0.5V/(0.1mg/m3_)。 6. 清潔空氣中電壓：典型值為 0.9V。 ˛ăDHT-11 ໢໠ޘຏീጡ[7] 溫溼度感測器主要功能為感測系統中氣溫與濕度的變化，實體如圖 8 所示。 ဦ 8 DHT-11 ໢໠ޘຏീጡ 產品規格如下： 1. 濕度測量範圍：20%~95%。 2. 濕度測量誤差：±5%。 3. 溫度測量範圍：0 度~50 度。 4. 溫度測量誤差：±2 度。 5. 工作電壓： 3.3V、5V。 ˣăαྮᚶ࿪ጡ[8] 四路繼電器主要負責控制周邊設備的運作，實體如圖 9 所示。 ဦ 9 αྮᚶ࿪ጡ 產品規格如下： 1. 四組電源迴路控制。 2. 工作電壓：5V。 3. 可控制交流電壓 250V 及交流電流 10A、直流電壓 30V 及直流電流 10A。 4. 可控制交流電壓 125V 及交流電流 10A、直流電壓 28V 及直流電流 10A。 ˝ăέ྿ AUB0812VH ೸ሤࢲै[9] 散熱風扇主要負責抽風，實體如圖 10 所示。

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ဦ 10 AUB0812VH ೸ሤࢲै 產品規格如下： 1. 電源電壓：12V。 2. 工作溫度：-10 ~ 60°C。 3. 消耗電流：最大值為 190mA。 4. 轉速：3600 RPM。 5. 尺寸：長 80mm x 高 80 mm。 ȈăPZEM-004T Ϲ߹кΑਕณീሀ௡[10] 交流多功能量測模組主要負責量測出電壓、電流及計算出實功率、用電度數、電費等電力參數，當作電力監控系統之數值進行比對，實體如圖 11 所示。 ဦ 11 PZEM-004T Ϲ߹кΑਕณീሀ௡ 產品規格如下： 1. 可量測功率：0~22kW。 2. 可量測電量：0~9999kWh。 3. 可量測電壓：80~260V(AC)。 4. 可量測電流：0~100A。 5. 工作頻率：45-65Hz。 Ȉ˘ăMG995 Ҩڇ፟[11] 伺服機主要負責將門打開負責安全防護開門，實體如圖 12 所示。 ဦ 12 MG995 Ҩڇ፟ 產品規格如下： 1. 產品尺寸：40.7*19.7*42.9mm。 2. 工作扭矩：13KG/cm。 3. 反應轉速：53~62rpm。 4. 使用溫度：-30~+60℃。 5. 轉動角度：最大 360 度。 6. 工作電流：100mA。 7. 使用電壓：3~7.2V。 Ȉ˟ălogitech C310 შྮᛷᇆ፟[12] logitech C310 網路攝影機主要負責監控家中的環境，可以觀看即時影像，實體圖如圖 13 所示。 ဦ 13 logitech C310 შྮᛷᇆ፟ 產品規格如下： 1. HD 視訊通話（1280 X 720 像素），使用建議的系統。 2. HD 視訊拍攝：最高可達 1280 X 720 像素。 3. 羅技 Fluid Crystal™ 技術。 4. 照片：最高可達 500 萬像素（軟體增強處理）。 5. 內建具降低雜音功能的麥克風電壓：5V。 6. 電流：20mA。

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ȈˬăTEC1-4903 ࡭ҽ೿ͯ[13] 致冷晶片主要負責溫度控制，當溫度過高時啟動降溫，實體如圖 14 所示。 ဦ 14 TEC1-4903 ࡭ҽ೿ͯ 產品規格如下： 1. 最大電流：3.4A。 2. 最大電壓：5.5V。 3. 最大產冷功率：12W。 4. 正反溫差：約 62℃（Max.）。系統軟體採用使用 C 語言撰寫 Arduino Mega 2560 控制板程式；人機介面使用 LabVIEW[14]撰寫；資料庫則使用 MySQL [15]語法撰寫。電腦端是用 LabVIEW 書寫人機介面，Arduino Mega 控制板是用 Arduino 程式[16]書寫而成。先將電壓、電流、溫溼度、瓦斯、空氣感測器所接收到的數值傳給 Arduino Mega 控制板再透過 Wi-Fi 模組傳送至 LabVIEW 人機介面，之後可選擇進入電力監控模式或是環境偵測模式，若是進入電力監控模式則透過人機介面進行運算，可得出實功率、虛功率、功率因數的數值，再將波形輸出。如果進入環境偵測模式，則可以得出目前的溫濕度、瓦斯濃度、空氣品質、即時影像，並顯示在人機介面上。

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本系統將上述之硬體和軟體結合，進行實體製作。 ˘ăArduino ඀ё߹඀ဦ 連結 Arduino Wi-Fi，擷取包含電壓、電流、溫度、瓦斯、空氣中懸浮微粒 PM2.5 濃度數據之感測器數值，控制子系統動作，Arduino 控制流程圖如圖 15 所示，功能敘述如下：數位居家監控系統開始動作時，先讀取電壓、電流、溫溼度、瓦斯、空氣感測器數值，將數值傳送到 Arduino Mega 控制板進行運算，再將 Arduino Mega 控制板處理後之數值經由 Arduino Wi-Fi 模組傳送至 LabVIEW 人機介面。 ဦ 15 Arduino ଠט߹඀ဦ ˟ăˠ̬፟ࢬ߹඀ဦ 藉由 Wi-Fi 與控制板進行聯結，由人機介面控制包含電力監控模式和環境監控模式各個子系統的運作，LabVIEW 程式流程圖如圖 16 所示。由 LabVIEW 讀取 Arduino 之參數，使用者可選擇要進入電力監測模式或者環境偵測模式，若進入電力監控模式則會進行電壓及電流值的運算，而當超過額定數值時，將會啟動蜂鳴器來提示使用者並且啟動繼電器將電源供

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應切斷，直到數值正常時再將運算出來的數值轉換成電壓電流波形圖顯現。若是進入環境偵測模式，則會讀取溫溼度、瓦斯、空氣感測器的參數，一旦超過額定數值則繼電器會驅動風扇使其運轉，並使蜂鳴器響起提醒使用者。程式執行一段時間後，使用者可決定是否停止程式。 ဦ 16 LabVIEW ඀ё߹඀ဦ ˬă࿪˧Ⴞଠ̄ր௚߹඀ဦ 電力監控子系統第一種方式係使用電壓和電流感測器量測出電壓、電流並計算實功率、虛功率、視在功率、功率因數。當電流、電壓值過高時，繼電器會切斷電源供應並使喇叭發出警告聲響，系統流程圖如圖 17 所示。 ဦ 17 ࿪˧Ⴞଠ̄ր௚߹඀ဦ(˘) 電力監控子系統另外使用交流多功能量測模組之自動計算功能，量測出電壓、電流及計算出實功率、用電度數、電費等電力參數，並能夠與上述電壓電流感測器之數值進行比對，此子系統流程圖如圖 18 所示。 ဦ 18 ࿪˧Ⴞଠ̄ր௚߹඀ဦ(˟)

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αăᒖဩႾଠ̄ր௚߹඀ဦ 環境監控子系統負責監控環境的安全，透過感測器量測瓦斯、溫溼度與空氣，例如瓦斯感測器感測之數值超過設定值時，繼電器驅動風扇及伺服馬達使門打開，並使喇叭響起，提醒使用者;當恢復低於設定值時，恢復預設狀態。當溫度或者濕度感應超過設定值時，繼電器驅動風扇及致冷晶片讓溫度或濕度降低，當恢復低於設定值時，恢復預設狀態。當空氣感測器數值超過設定值時，繼電器驅動風扇進行抽風，並使喇叭響起，環境監控子系統流程圖如圖 19 所示。 ဦ 19 ᒖဩႾଠ̄ր௚߹඀ဦ ̣ă͘જଠטᄃщБႾෛր௚߹඀ဦ 手動控制與安全監視系統主要是能夠進行即時監控居家狀況，以利做出及時反應，並且可使用四路繼電器手動切換延長線之開關，手動控制與安全監視系統，流程圖如圖 20 所示。 ဦ 20 ͘જଠטᄃщБႾෛր௚߹඀ဦ

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本研究的成果包含數位居家監控系統實體、電力監控子系統、環境監控子系統、手動控制與安全監視系統和資料存取，以下將分別敘述系統之實體功能以及人機介面。 ˘ăᇴҜاछႾଠր௚၁វဦ 數位居家監控系統實體如圖 21 所示，由控制盤體和人機介面組合而成。控制盤體內部包含 Arduino Mega 2560、Arduino Wi-Fi 模組、電流感測器、電壓感測器、一氧化碳偵測器、空氣品質感測器、溫溼度感測器、四路繼電器、散熱風扇、交流量測模組、致冷晶片、延長線和網路攝影機。利用 Arduino Mega 2560 傳送訊號來控制四路繼電器的導通與截止，四路繼電器控制各個子系統設備的啟閉，例如延長線、風扇等。

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ဦ 21 ᇴҜاछႾଠր௚វ၁វဦ ˟ăˠ̬፟ࢬ 數位居家監控系統人機介面之功能為人機介面連接控制板，如圖 22 所示，左上方為開關區，左下方為參數調整區，中間的區域則是電力監控系統的參數顯示區。 ဦ 22 ᇴҜاछଠր௚ˠ̬፟ࢬ ˬă࿪˧Ⴞଠ̄ր௚ 電力監控子系統主要包含電壓感測器、電流感測器、四路繼電器等硬體，介面如圖 22 所示之中間區域，可以觀看電壓有效值、電流有效值、電壓峰值、虛功率、實功率、視在功率、功率因數等參數，並顯示電壓和流波形。另外使用交流多功能量測模組之自動計算功能完成之電力監控子系統，人機介面如圖 23 所示，除了顯示量測之電壓、電流和計算之實功率外，並計算用電度數和電費等電力參數，可供使用者進一步瞭解用電狀態。 ဦ 23 Ϲ߹ณീሀ௡ˠ̬፟ࢬ αăᒖဩႾଠ̄ր௚ 將 Arduino Mega 板所蒐集到的環境參數傳送至人機介面上顯示。環境監控子系統包含瓦斯感測器、空氣感測器、溫溼度感測器，四路繼電器、散熱風扇、致冷晶片、伺服馬達等硬體，介面如圖 24 所示，此介面可以觀看溫度、濕度、瓦斯濃度和空氣品質因數等數值，並以波形顯示。 ဦ 24 ᇴҜاछႾଠր௚ᒖဩႾଠሀё ̣ă͘જଠטᄃщБႾෛր௚ 手動控制與安全監視系統包含網路攝影機、四路繼電器、延長線等硬體，介面如圖 25 所示，此介面主要是可即時監控居家狀況及手動切換延長線開關。

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ဦ 25 ͘જଠטᄃщБႾෛր௚ˠ̬፟ࢬ ̱ăྤफ़ऱˠ̬፟ࢬ 以介面功能為紀錄或輸出存儲的數據，電壓監看與控制資料庫人機介面如圖 26 所示，環境監看與控制資料庫人機介面如圖 27 所示。 ဦ 26 ࿪ᑅႾ࠻ᄃଠטྤफ़ऱˠ̬፟ࢬ ဦ 27 ᒖဩႾ࠻ᄃଠטྤफ़ऱˠ̬፟ࢬ

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數位居家監控系統以網路連線進行操控，透過 Android Wi-Fi 模組與 LabVIEW 進行居家安全監控。由上述討論綜合，本研究得到下列之結論: 1. 使用電壓和電流感測器或交流量測模組完成電力監控子系統。 2. 將空氣品質感測器、繼電器與風扇結合完成空氣品質監控子系統。 3. 使用一氧化碳感測器、喇叭、繼電器與風扇完成瓦斯濃度監控子系統。 4. 採用溫溼度感測器、繼電器與風扇結合完成溫溼度監控子系統。 5. 選用 MySQL 完成數據儲存子系統。 6. 使用網路攝影機與喇叭完成安全監視子系統。

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1. Arduino Mega 2560 說明 https://www.playrobot.com/arduino-board/9-arduino-mega-25 60.html 2. HLK-RM04 說明書 https://www.prometec.net/wp-content/uploads/2015/01/HLK-RM04-user-manual.pdf 3. ACS712 電流感測器模組 20A 說明書 https://www.sparkfun.com/datasheets/BreakoutBoards/0712.p df 4. AC 交流電壓感測器說明書 http://www.zeming-e.com/file/0_2013_10_18_093344.pdf 5. MQ-9 一氧化碳偵測器說明書 6. http://www.playrobot.com/gas/1540-mq-9-semiconductor-sen sor-cocombustible-gas.html 7. GP2Y1014AU 空氣品質感測器說明書 http://media.digikey.com/PDF/Data%20Sheets/Sharp%20PD Fs/GP2Y1010 AU.pdf 8. DHT-11 溫溼度感測器說明書 https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/DHT11-chinese.pdf 9. 四路繼電器模組說明書 http://www.puyang.com.tw/media/products/090599600141 6992809.pdf

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10. 台達 AUB0812VH 散熱風扇說明書 http://www.deltafan.com/Download/Spec/AUB0812VH-AIT. pdf 11. PZEM-004T 交流多功能量測模組說明書 https://world.taobao.com/item/45589922100.html 12. MG995 伺服機說明書 http://www.electronicoscaldas.com/datasheet/MG995_Towe 13. logitech C310 網路攝影機說明書 https://www.logitech.com/zh-tw/product/hd-webcam-c310 14. TEC1-4903 致冷晶片說明書 http://shop.cpu.com.tw/html/587/TEC1-4903.html 15. LabVIEW pro 專業論壇 http://labviewpro.net/ 16. MySQL 首頁 https://www.mysql.com 17. Arduino 介紹 https://www.arduino.cc/

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