中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

ZigBee ™智慧型電力偵測系統 ZigBee ™ Intelligent

Power Detection System

系 所 別：電機工程學系碩士班 學號姓名：M09701003 顏子揚 指導教授：田慶誠 博士

中 華 民 國 九十九 年 八 月

i

摘 要

近年來，因為工業革命，造就進步的現代科技。然而，卻也帶來環境汙染及能源 短缺。若我們能偵測得日常用電情況，則可幫助改善我們的用電習慣。

本論文主旨在於使用 ZigBee™[1][2] 無線傳輸技術，實現智慧型電力偵測系 統。此系統將偵測即時之電流及電壓數值，透過無線傳輸技術，使資料回傳至主控端，

以達到及時分析電力使用情況。

關鍵字: ZigBee、無線傳輸、電力偵測

ii

Abstract

Recently, progress of the industrial revolution created the modern science and technology. However, the environment was polluted and the energy was depleted. If we can detect our daily electricity consumption in detail, we can improve the habit of our electricity usage.

The purpose of this thesis is the implementation of Intelligent Power Detection System by using ZigBee™[1][2] wireless communication technology. The system will detect the immediate value of the current and voltage in AC sockets. We can transmit the data to the energy monitoring server by using wireless communication technology, so that we can record the real-time electricity information used to analyze the energy consumption and efficiency.

Keywords: ZigBee, Wireless communication, Power Detecting System

iii

致謝

這篇致謝，在這心裡混合著五味雜陳的滋味中，讓他記錄下我這兩年來對研究生 涯裡的所有感激的心情。

首先，想感謝的是在這兩年來，對我有著許多諄諄教誨的田慶誠老師、王志湖老 師、邱健榮老師，不只指導我學業上不少的疑惑，也在我人生最低潮時，給予我許多 的精神支持，讓我度過我人生中的最難熬過的一段日子。真的，十分感謝。

其次，要感謝工研院的潘信宏先生與李彬州先生，你們常給我很多不錯的建議，

也常點出我在計畫中未想過之盲點，使我在研究的這條路上，省去不少荊棘及障礙。

再來要感謝的是，江俊杰大哥、鍾仁峰大哥，以及前鼎光電各位同仁，指點我許 多從沒想過的職場的應對進退，也點出許多職場上應注意的事項，讓我對這職場，有 一番心得。

繼續要感謝到，這幾年來給我許多許多幫助的好夥伴，鄭權祐、鄭名偉、戴仁倉 大哥。這些日子裡，有了你們的很多精神支持，也受到你們許多幫助，讓我不只在計 畫上能更加順利，也在我當研究生這段人生路上，不會寂寞。

接下來要感謝學弟妹們，吳孟勤、周佳龍、趙彥汝、古一喬、劉華智、張佳偉、

林建州、譚新南，在這段期間內，分擔了許多工作，讓許多計畫都能順利進行。

同時，要感謝，伴我八年，交往四年的前女友，你的離開，讓我反省我許多在生 活上與態度上不對的地方，也謝謝這幾年來你對我的照顧，讓我這幾年的生活裡多了 一份甜蜜。僅在這永遠流傳的論文中，把這份感謝寫下。

最後，我想感謝我的家人，謝謝你們，無怨無悔地為這個家付出，默默支持我，

讓我可以專心走在這人生的路上，不會感到擔憂、難過。不知道還能說些什麼更感謝 的話，只能說，謝謝你們，我最親愛的爸媽，令我尊敬的大哥，及最可愛貼心的小妹。

子揚 謹識 中華民國九十九年八月 新竹

iv

目錄

摘 要 ... i 

Abstract ... ii 

致謝 ... iii 

目錄 ... iv 

表目錄 ... vi 

圖目錄 ... vii 

第一章 序論 ... 1 

1.1 研究動機 ... 1 

1.2 論文簡介 ... 1 

第二章 電力偵測系統簡介 ... 3 

2.1 電力偵測系統特點簡介 ... 3 

2.2 Energy Metering IC – ADE7763 ... 4 

2.3 ZigBee™ 協定 ... 4 

2.1.1 ZigBee™ Stack ... 4 

2.1.2 裝置類型及拓樸類型 ... 7 

第三章 ZigBee™智慧型電力偵測系統之設計 ... 9 

3.1 系統目標 ... 9 

3.2 系統設計流程 ... 10 

3.2.1 電力感測器空間配置規劃 ... 10 

3.2.2 電力感測器系統規劃 ... 11 

3.2.3 低耗能設計： Switching Power and LDO Linear Voltage Regulator .... 12 

v

3.2.4 Energy Metering IC (ADE7763) Design ... 14 

3.2.5 SPI Interface ... 17 

3.2.6 ZigBee™ Coordinator and End Device 程式流程 ... 19 

3.2.7 Serial to Ethernet 轉換模組 ... 21 

第四章 系統測試驗證 ... 22 

4.1 電力感測器硬體部分 ... 22 

4.1.1 上層板 – ZigBee™ CC2530 模組 ... 22 

4.1.2 中間板 – ADE7763 + Linear Voltage Regulator ... 23 

4.1.3 下層板 – Switching Power + Relay + 微電阻 ... 25 

4.1.3 電力感測器獨立驗證 ... 26 

4.2 ZigBee™ Mesh Topology 驗證 ... 28 

4.2.1 ZigBee™ Mesh Topology ... 28 

4.2.2 Mesh Topology 驗證結果 ... 29 

第五章 結論 ... 30 

5.1 系統優點分析 ... 30 

5.2 結論與未來展望 ... 31 

參考文獻 ... 32 

vi

表目錄

表 2-1 邏輯設備類型 [6] ... 7 

表 3-1 Maximum Input Signal Levels for Channel 1 [4] ... 16 

表 3-2 ADE7763 Timing Characteristics [4] ... 17 

表 4-1 Mesh Topology 資料回傳整理 ... 29 

vii

圖目錄

圖 2-1 ZigBee™與 IEEE 802.15.4 架構 ... 4 

圖 2- 2 ZigBee™ Stack Architecture [2] ... 5 

圖 2-3 ZigBee Network Topology [7] ... 8 

圖 3-1 ZigBee™智慧型電力偵測系統方塊圖 ... 9 

圖 3-2 配線出線盒 ... 10 

圖 3-3 配線出線盒可用空間 ... 11 

圖 3-4 電力感測器系統方塊圖 ... 12 

圖 3-5 基本的離線交換式穩壓電源供應器 [8] ... 13 

圖 3-6 LDO Linear Voltage Regulator [9] ... 13 

圖 3-7 ADE7763 功能方塊圖 [4] ... 14 

圖 3-8 電流偵測電路 [10] ... 15 

圖 3-9 電壓偵測電流 [10] ... 15 

圖 3-10 Gain Register 說明 [4] ... 16 

圖 3-11 Serial Write Timing [4] ... 17 

圖 3-12 Serial Read Timing [4] ... 17 

圖 3-16 SPI 腳位定義 ... 18 

圖 3-17 P1SEL ( Port 1 function-select register ) [11] ... 18 

圖 3-18 P1DIR ( Port 1 direction register ) [11] ... 18 

圖 3-19 P1INP ( Port 1 input-mode register ) [11] ... 18 

圖 3-20 ZigBee™程式流程方塊圖 ... 20 

viii

圖 3-21 Serial to Ethernet 轉換模組 [12] ... 21 

圖 4-1 整體電路圖 ... 22 

圖 4-3 中間板實體電路圖 ... 23 

圖 4-4 ADE7763 驗證方式 ... 24 

圖 4-5 以 Function Generator 輸入電壓至 ADE7763 之 V+、V- ... 24 

圖 4-6 以 Function Generator 輸入電壓至 ADE7763 之 I+、I-... 24 

圖 4-7 下層板電路 ... 25 

圖 4-9 電力感測器獨立驗證全圖 [13][14] ... 26 

圖 4-10 電流量測 ... 27 

圖 4-12 電流量測 ... 27 

圖 4-14 Mesh Topology 實驗 ... 28 

1

第一章 序論 1.1 研究動機

近年來，溫室效應之現象越來越嚴重，地球亦已接近負荷極限，北極冰山大量瓦 解及各地氣候陸續發生反常之現象，不斷提醒人們，地球，要反撲了。人們能做到的，

只有節能減碳，以減緩溫室效應對環境之影響。

“If you cannot measure it, you cannot improve it.” < Lord Kelvin >，意思是說，一件 事物若你不能衡量它，你就無法改善它。對於一般家庭而言，可以說絲毫不在意日常 用電情況，若能將日常用電之數據蒐集並統計，以圖表方式顯示，甚至在將來可以提 醒用戶如何改善用電情況，相信一定可以達到節能之效果。

在資料傳輸部分，ZigBee™[1][2]是一種低成本、低功率消耗之無線感測網路 ( Wireless Sensor Network, WSN )，其具有多感測節點 ( multifunctional sensor nodes ) 之特性，可廣泛建立感測節點。

基於以上之敘述，本論文採用德州儀器 ( Texas Instruments ) 之 CC2530[3] 所開 發之模組，並結合 Analog Devices 之 Energy Metering IC – ADE7763[4]，將資料經 ZigBee™網路拓樸自動傳輸至主控端，以達成電力偵測系統之實現。

1.2 論文簡介

本論文之宗旨為建立一個 ZigBee™智慧型電力偵測系統。

本系統結合德州儀器 ( Texas Instruments ) 之 CC2530 所開發之模組，以及 Analog Devices 之 Energy Metering IC – ADE7763，並使用 Switching Power 此低耗 能之設計，作為能源轉換，提供直流電力來源。為使系統能更加完善，本系統更結合 異質網路之功能，使其能以更多方式將資料後傳至主控端。

論文架構如下：

第一章 序論：講述研究動機，並簡介論文整體架構。

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第二章 背景知識：闡述 ZigBee™協定、Energy Metering IC – ADE7763及使用到 的開發工具。

第三章 ZigBee™智慧型電力偵測系統之設計：說明系統功能及動作原理。

第四章 系統測試驗證：本論文之系統實踐與功能驗證。

第五章 結論與未來展望：總結研究心得與系統之未來發展。

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第二章 電力偵測系統簡介 2.1 電力偵測系統特點簡介

市面上常常可見一些電力感測器，其基本功能，必定是感測電流、電壓、功率因 素及耗能累計；本論文之電力偵測系統的基本功能，為偵測即時之電流及電壓有效 值，及實功率、視在功率等數據。此與市售之電力感測器並無太大之差異，但在電力 偵測方面，有些市售之電力感測器為採用 OP Amplifier 電路設計，將電流、電壓之 類比資料經擷取並顯示，此方式若無進行嚴密之校準過程，易使偵測資料無法歸零；

而本系統所採用之 Energy Metering IC 為 Analog Devices 出產之 IC，已接受過嚴密 之測試，只需在電路設計部份做雜訊考量即可。

而在電力感測器上之設備供電部份，市面上部份之電力感測器，因欲壓低設備元 件之價格，通常採用線性穩壓之方式；在此，我們採用 Switching Power 這種低耗能 之設計，以讓使用者在大量架設本系統時，不至於造成另一個大量耗能來源。這樣的 設計，雖使電力感測器單價增加，但卻可在連續使用之過程達到省電與省錢之功用。

另外在資料顯示部份，市售之電力感測器常利用 LCD 顯示之方式，或是利用其 他有線方式作為資料傳輸，而在本系統中，電力偵測所得之數據，設計利用與 ZigBee™無線感測網路作為資料傳輸方式，將資料傳至主控端進行偵測，可達到簡化 複雜配線之問題。

在以下章節中，將簡單介紹本系統中所採用之設計。

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2.2 Energy Metering IC – ADE7763

在本系統中，ADE7763 是 Analog Devices 出產之 IC，為一單相高精準度的電 量量測晶片。可利用分壓方式以量測電壓大小，且可利用電流流經微電阻產生電壓方 式，以量測電流大小。最後可利用 SPI Interface 將實功率 ( Active Energy )、視在功 率 ( Apparent Energy ) 及電流及電壓有效值 ( Current and Voltage rms) 等等資料傳 送出去。另外，使用者亦可透過 SPI Interface 來對 ADE7763 進行各種之 Register 之修改。

2.3 ZigBee™ 協定

2.1.1 ZigBee™ Stack

ZigBee™聯盟於2004 年完成規格制定，並由 IEEE 制定通訊協定標準 - IEEE 802.15.4[5]。而 IEEE 802.15.4 主要制定 ZigBee™的 PHY Layer 以及 MAC Layer。

而 Network Layer 與 Application Layer 是由 ZigBee™聯盟制定的統一規格，如圖 2-1 所示。

將四大層面堆疊成的完整通訊架構，稱為 Z 堆疊（ ZigBee™ Stack ），如圖 2-2 所示。

圖 2-1 ZigBee™與 IEEE 802.15.4 架構

5

圖2- 2 ZigBee™ Stack Architecture [2]

PHY Layer 主要具有負責啟動和停止無線電收發器、選擇通道、能量偵測以及封 包的傳送和接收等等功能。其提供了三種頻段，分別應用在不同的區域，個別為歐洲 868 MHz、美澳的 915MHz 及全球性的 2.4GHz。而這三種不同之頻段，其可使用之 通道數亦不同：在 2.4GHz 頻段中，可使用的通道數為16 個；在 915MHz 的 ISM 頻 段，可使用的通道數為 10 個；在歐洲的 868MHz 頻段，可使用的通道數為 1 個。

MAC Layer 可生成網路信標 ( network beacon ) 用以同步 ( synchronize )、支援 個人區域網路 ( PAN ) 之加盟及脫離、使用載波檢測多路存取/碰撞避免 ( Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA ) 作為防碰撞機制，同時也提供 保證時槽 ( Guaranteed Time Slots, GTS ) 來維護重要的資料傳輸。

Network Layer 負責工作包含加入 ( join ) 及離開 ( leave ) 網路的機制、訊框安 全機制以及把訊框傳輸到目的地。除此之外，Network Layer 的任務還包括傳遞路徑 的發掘與維護。為了達到這個目的，Network Layer 必須知道緊臨的裝置，和儲存這 些直接相連裝置的資訊。

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Application Layer ( APL ) 則屬於本論文中系統開發最重要的一層，也是屬於一般 客製化最常接觸的一環。APL 的構成主要可分為三個區塊：

A. Application Framework (AF)：

此工作區塊，為應用核心，可提供開發者容納多種不同的應用，一個功能裝 置可支援到 240 個應用物件，至於溝通端點 ( End Point ) 共有 0 ~ 255 個：第 0 個端點與 ZDO 連結；第 1 到 240 個端點與應用物件連結；第 241 到 254 個目前保留；最後第 255 個端點為 ZDO 對應用結構內所有應 用物件的廣播介面端點。

B. ZigBee™ Device Object ( ZDO )：

ZDO 之功用在於網路上角色配置設定，並經由 ZDO 管理區塊 ( ZDO Management Plane ) 來與 APS 以及 NWK 溝通聯繫，提供相當完整的功能 來滿足如下列一般操作的需求：

第一，將 APS、NWK、SSS ( Security Services Specification ) 作初始化；

第二，把所有功能裝置的資訊集中，並由配置的資訊來執行搜尋 ( Discovery )、網路管理 ( Network Management )、安全管理 ( Security Management ) 以及鏈結管理 ( Binding Management )。

C. Application Support Sublayer ( APS )：

此區塊主要負責用於維護通訊之間的穩定性，記錄所有鏈結的 Binding Table，以及管理服務與機密性傳輸。至於溝通傳輸是運用兩種實體通道：

APS Data Entity 以及 APS Management Entity。而這兩種實體通道分別提供 Service Access Point ( SAP )，APSDE-SAP 與 APSME-SAP 可以與應用結構 以及 ZDO 連結以便溝通管理。

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2.1.2 裝置類型及拓樸類型

在 ZigBee™協定中，裝置類型制定了三種角色：ZigBee™ Coordinator ( ZC )、

ZigBee™ Router ( ZR )及 ZigBee™ End Device ( ZED )，其功能可見表 2-1。

ZigBee 名稱 ZigBee Coordinator ZigBee Router ZigBee End Device

網路的啟動功能 有 無 無

路由功能 有 有 無

無線信標發行 可以 可以 不可以

管理範圍 所有節點 本身的子節點 僅為本身

允許節點數 僅為一個節點 可以為多個節點 可以為多個節點

耗電量 大 大 小

所需微處理器的資源 大 中 小

表 2-1 邏輯設備類型 [6]

ZC 主要負責初始、維持及控制網路。當然，一個 PAN 之中只能有一個 ZC 的 存在。

ZR 在同一個網路之中，若裝置間使用多點跳躍 ( multi-hop ) 的溝通模式，則必 然存在 ZR 作為繞送資料的節點。

ZED 功能性較為精簡，只負責傳輸節點自身之資料，並且只能成為子節點。

至於 ZigBee™ 協定所使用的拓樸類型有三種，分別是Star (星狀)、Tree (樹狀) 以及 Mesh (網狀)，如圖2-3 所示。

Star 的結構，主要是以 ZC 為中心點，放射狀連接 ZR、 ZED 裝置。Tree 的 結構，則是以 ZC 為樹根、ZR 為枝幹、ZED 為樹葉的方式向外拓展。

Mesh 與 Tree 最大的不同，就是在 Mesh 之中的各個 ZR 只要在傳輸距離之 內，都可以互相通訊，並搭配 ZigBee™協定的演算法來選擇最佳路徑，可以避免因

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為裝置損壞而導致傳輸路徑中斷的情況，此為 Mesh 最大的好處。

圖 2-3 ZigBee Network Topology [7]

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第三章 ZigBee™智慧型電力偵測系統之設計 3.1 系統目標

本論文目標在於建立一個 ZigBee™智慧型電力偵測系統：結合德州儀器 ( Texas Instruments ) 之 CC2530 所開發之模組，以及 Analog Devices 之 Energy Metering IC – ADE7763，透過 ZigBee™ 網路拓樸自動將數據傳輸至 ZC，可經由與異質網路 結合，使獲得之資料可遠距離之傳輸與維護，除此之外，亦可經由 Serial to USB 之 方式，使電力之資料可即時顯示於電腦端，如圖 3-1 所示。

圖 3-1 ZigBee™智慧型電力偵測系統方塊圖

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3.2 系統設計流程

ZigBee™智慧型電力偵測系統運行方式為，首先 ZED 經由 SPI Interface 對 ADE7763 下達讀取或寫入之命令，使電流或電壓之數據資料由 ADE7763 回傳至 ZED，再透過 ZigBee™網路拓樸，將資料傳至 ZC。

ZC 可經由兩種路徑將資料傳遞給主控端，其一是使用 Serial to USB 之路徑，

立即而直接將數值經由終端機收取至資料庫內，另一路徑為使用 Serial to Ethernet 模 組，當主控端與模組連線後，即可收取模組內所接收到之資料。

根據上述說明，系統設計部分應先考量電力感測器部分，亦即 ZED 與 ADE7763 之部分電路設計，其次考慮 ZigBee™網路拓樸與 Z-Stack 程式設計部分，再者考慮 ZC 收到數據資料後之後續動作。

在以下章節中，將更詳細提及電力感測器之設計流程與整個系統之運作方式。

3.2.1 電力感測器空間配置規劃

本系統設計之初，考量將系統相容於舊式建築之配線出線盒的空間，如圖 3-2。

是故，設計之空間亦受此配線出線盒之限制，可使用之空間約為 69mm (長) * 40mm (寬) * 25mm (高)，如圖 3-3。

圖 3-2 配線出線盒

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圖 3-3 配線出線盒可用空間

3.2.2 電力感測器系統規劃

此電力感測器於設備電力來源設計上，採用低耗能設計 – Switching Power 及 LDO Linear Voltage Regulator，以節省電力感測器之耗電情況，如圖 3-4 上方。

此外，電力偵測部分，如圖 3-4 左下，採用 Analog Devices 之 Energy Metering IC – ADE7763，並使用 SPI Interface 與 ZigBee™ CC2530 模組進行資料傳輸，如圖 3-4 右下，於 CC2530 模組中將資料處理後，透過 ZigBee™網路拓樸將資料傳至主 控端，建立資料庫。

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低耗能設計

電力偵測部份

圖 3-4 電力感測器系統方塊圖

3.2.3 低耗能設計： Switching Power and LDO Linear Voltage Regulator 因本論文為電力監測，所以在系統電力消耗方面更要審慎考量。

Switching Power 本身具有以下優點：

z 轉換效率高

z 無負載時消耗電量少

z 重量輕、體積小、功率密度高 z 電壓輸入範圍大

然而，Switching Power 亦有其缺點：

z 產生 EMI/RFI 之干擾 z 輸出鏈波與雜訊高 z 電路設計複雜

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在電路設計上，通常採用圖 3-5 之設計方式。

在本論文之電力設計部分，將有兩個電壓輸出 Vout，各別為 5V 及 12V：5V 提 供 Energy Metering IC – ADE7763 作為電力來源，12V 提供給 Relay 使用。

另外，因本系統之 ZigBee™ CC2530 模組的供應電壓為 3.3V，所以使用 LDO Linear Voltage Regulator，如圖 3-6，其亦具有低成本、低雜訊、無負載時消耗電量少 之優點。

圖 3-5 基本的離線交換式穩壓電源供應器 [8]

圖 3-6 LDO Linear Voltage Regulator [9]

Vout = Vref ( 1 + R2 / R1 ) ， Vref = 1.25V If Vout = 3.3V，R2 = 196.8Ω

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3.2.4 Energy Metering IC (ADE7763) Design

Energy Metering IC 在此選用之晶片為 ADE7763，見圖 3-7，此晶片為單相高精 準度的電量量測晶片，使用 SPI 傳輸介面作為資料輸入輸出介面，可量測實功率 ( Active Energy )、視在功率 ( Apparent Energy )及電流及電壓有效值 ( Current and Voltage rms)。

圖 3-7 ADE7763 功能方塊圖 [4]

目前本論文假想使用對象為家庭式 110V，且輸出最大電流為 15A。是故，於 ADE7763 之電壓、電流偵測電路設計可參考 ADE7763 Evaluation Board[10] 之設 計，如圖 3-8、3-9。

ADE7763 電流偵測部分，使用一個微電阻，當電流流經時，會產生一微小電壓 ( 須小於 ±0.5V )，經濾波電路後，類比訊號輸入至 ADE7763 做 ADC 處理；其電 壓偵測部分，使用 510kΩ 與 1kΩ 作電壓分壓，使 110V 市電得以分壓為一微小電 壓( 須小於 ±0.5V )，經濾波電路後，類比訊號輸入至 ADE7763 做 ADC 處理。

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圖 3-8 電流偵測電路 [10]

圖 3-9 電壓偵測電流 [10]

電流、電壓經處理後所產生之微小電壓，輸入至 ADE7763 後，會先各自經過個 別的可編程增益放大器 ( Programmable Gain Amplifier，PGA )，分別是 PGA1 及 PGA2。可透過 Gain Register 的設定，來個別設定其放大倍率，見圖 3-10。

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圖 3-10 Gain Register 說明 [4]

Gain Register 之 bit0~2 為 PGA1 之增益大小選擇，bit3~4 為 Channel 1 之輸 入最大值選擇，bit5~7 為 PGA2 之增益大小選擇。其中，增益改變大小需考量到輸 入訊號，如表 3-1 所示，盡量達到輸入訊號小於 ADC 之輸入最大值的條件，以避 免 ADC 飽和而致使數值失真。

Max Signal Channel 1

ADC Input Range Selection 0.5 V 0.25 V 0.125 V 0.5 V Gain = 1 − − 0.25 V Gain = 2 Gain = 1 − 0.125 V Gain = 4 Gain = 2 Gain = 1 0.0625 V Gain = 8 Gain = 4 Gain = 2 0.0313 V Gain = 16 Gain = 8 Gain = 4 0.0156 V − Gain = 16 Gain = 8 0.00781 V − − Gain = 16 表 3-1 Maximum Input Signal Levels for Channel 1 [4]

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3.2.5 SPI Interface

上述提到之 Gain Register，其設定方式須透過 SPI Interface 來進行設定，除此 之外，電流、電壓的有效值亦是透過 SPI Interface 來進行讀取之動作，如圖 3-11 及 圖 3-12 所示。除此之外，其 Serial Write Timing 及 Serial Read Timing 皆須符合 ADE7763 所規範之 Timing，如表 3-2。

圖 3-11 Serial Write Timing [4]

圖 3-12 Serial Read Timing [4]

表 3-2 ADE7763 Timing Characteristics [4]

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於 CC2530 程式中需設定其腳位特性。在此，我們使用 P1.4、P1.5、P1.6、P1.7 作為 SPI Interface ，定義 nCS 為 P1.4，CLK 為 P1.5，Din 為 P1.6，Dout 為 P1.7，

腳位定義程式部份如圖 3-16。

圖 3-16 SPI 腳位定義

在此，需要設定之 Special Function Register 為 P1SEL ( Port 1 function-select register )、P1DIR ( Port 1 direction register )、P1INP ( Port 1 input-mode register )，如圖 3-17、圖 3-18、圖 3-19。

圖 3-17 P1SEL ( Port 1 function-select register ) [11]

圖 3-18 P1DIR ( Port 1 direction register ) [11]

圖 3-19 P1INP ( Port 1 input-mode register ) [11]

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P1SEL 為設定 Port 1 為 GPIO ( General Purpose I/O ) 或 Peripheral Function，

在此我們將 P1.4、P1.5、P1.6、P1.7 設定為 GPIO，於程式上執行：

P1SEL&=0x0F; // 清空 bit4、bit5、bit6、bit7

P1DIR 為設定 Port 1 所對應的腳位為 Input 或是 Output，在此設定 P1.4、

P1.5、P1.6 為 Output，P1.7 為 Input，於程式上執行：

P1DIR|=0x70; // 設定 bit4、bit5、bit6

P1INP 為 設 定 Port 1 所 對 應 的 腳 位 於 輸 入 時 為 Pull-up/Pull-down 或 是 Tristate，在此設定 P1.4、P1.5、P1.6 為 Pull-up/Pull-down，於程式上執行：

P1INP&=0x8F; // 清空 bit4、bit5、bit6

3.2.6 ZigBee™ Coordinator and End Device 程式流程

ZigBee™ Coordinator 及 End Device 一開機後，會先各自設定其 Device Type，

如圖 3-20 Step 1。等待設定結束後，End Device 會不間斷執行尋找 Coordinator 之 動作，如圖 3-20 Step 2。等到 Coordinator 已執行完 Allow Binding 後，End Device 將 會收到 Bind Confirm，如圖 3-20 Step 3。

此後，End Device 使用 SPI Interface 將 ADE7763 內之電流、電壓數值傳回，

並經由 ZigBee™網路拓樸將資料傳至 ZigBee™ Coordinator，如圖 3-20 Step 4。

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圖 3-20 ZigBee™程式流程方塊圖

Step 1

Step 2

Step 3

Step 4

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3.2.7 Serial to Ethernet 轉換模組

本論文中，利用 ZigBee™ CC2530 模組的 UART 接腳與此 Serial to Ethernet 轉 換模組，如圖 3-21，的 UART 接腳對接，構成系統之異質網路的結合，此後，主控 端即可遠端透過 Ethernet 接收電流、電壓之數據資料。

圖 3-21 Serial to Ethernet 轉換模組 [12]

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第四章 系統測試驗證 4.1 電力感測器硬體部分

電力感測器之設計部分，已在第三章有粗略的提到其方塊圖部分，如圖 3-4，大 致上可分為：上層板 ( ZigBee™ CC2530 模組 )、中間板 ( ADE7763 + Linear Voltage Regulator ) 及下層板 ( Switching Power + Relay + 微電阻 )。以上所提及之實際硬體 部分，在此章節會有更詳細介紹。

4.1.1 上層板 – ZigBee™ CC2530 模組

本系統採用的 ZigBee™ CC2530 模組，而電力感測器上的 ZigBee™ Device Type 使用 ZED ( ZigBee™ End Device) 作為開發及功能驗證。

開孔部分考量到市售之配線出線盒之鎖孔位置，可使安裝後整體電路固定，另外 高度亦有做保留空間給多餘之配線。

此外，上層板預留有 4 顆 LED 燈及 4 個按鍵，有利於開發程式階段之進行。

圖 4-1 整體電路圖 N

L

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4.1.2 中間板 – ADE7763 + Linear Voltage Regulator

中間板，見圖 4-3，主要為 Energy Metering IC - ADE7763 及 Linear Voltage Regulator – LD1117 所組成。ADE7763 功能在於將下層板之 Analog 訊號做ADC 轉換後，使數值經由 SPI Interface 把資料傳遞到上層板之 ZigBee™ CC2530 模組。

LD1117 功能為將下層板 Switching Power 所穩壓而得之 5V，線性穩壓至 3.3V。

SPI Interface

圖 4-3 中間板實體電路圖

ADE7763 電路之驗證部份，採用圖 4-4 之方式，由 8051 直接與 Energy Metering IC - ADE7763 以 SPI Interface 做資料傳輸，再由 PC 端於 Debug Mode 觀 察其所得之數據，除此之外，輸入之電壓 V+、V- 及 I+、I- 以 Function Generator 直 接提供，已獲取更多更廣之數據。

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圖 4-4 ADE7763 驗證方式

經驗證後將數據整理，可得以下二圖，個別為 ADE7763 電流與電壓偵測路徑之 驗證，由圖可得知，其數據為線性相關，且數據之線性會近乎經過原點，而無經過原 點之原因，猜測為雜訊影響。另外，所得之數據曲線，其斜率及截距可運用於程式校 準中。

圖 4-5 以 Function Generator 輸入電壓至 ADE7763 之 V+、V-

圖 4-6 以 Function Generator 輸入電壓至 ADE7763 之 I+、I-

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4.1.3 下層板 – Switching Power + Relay + 微電阻

下層板部分，見圖 4-7，在 AC 電源輸入部分，考慮到固定問題，是故，將銅 柱鑽孔，使電線穿過銅柱後，可用螺絲將其鎖死，即可解決固定 AC 電源電線之問 題。此外，在電路 Layout 時，亦有考慮到高壓電路隔離問題，在此採用裁線之方式，

見圖 4-8，將板層劃開，以避免往後粉塵累積，導致跳火之現象。

圖 4-7 下層板電路

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4.1.3 電力感測器獨立驗證

根據上述所提及之 ADE7763 量測出的線性圖形，我們可以利用其算出之斜率及 截距，將當下偵測得之 Digital 數值，轉換成十進位之數值，使 LCD 可直接顯示當 下之電流、電壓，即可測得整體電路之準確性。

實際實驗方式，如圖 4-9，使用電流勾表量測電流，及使用三用電表量測電壓，

並將量測 ADE7763 所得之斜率及截距，計算當下所量測得之數位數值，並轉換成十 進位制，以 LCD 作為顯示。

圖 4-9 電力感測器獨立驗證全圖 [13][14]

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圖 4-10 電流量測 圖 4-11 電壓量測

實際電壓

= 117.8V

LCD 顯示電流

= 118.7V 實際電流

= 1.05A

LCD 顯示電流

= 1.11A

圖 4-12 電流量測 圖 4-13 電壓量測

實際電壓

= 106.1V

LCD 顯示電流

= 107.6V 實際電流

= 11.09A

LCD 顯示電流

= 11.38A

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4.2 ZigBee™ Mesh Topology 驗證

在驗證完電力感測器後，尚有 ZigBee™網路拓樸之實驗尚須驗證。我們所使用 之範例程式 – SimpleApp，其可使用 Mesh 網路拓樸，是故，此處即驗證Mesh Topology 之功能。

4.2.1 ZigBee™ Mesh Topology

關於 Mesh Topology 之實驗，如圖 4-14，在此我將利用 Serial to Ethernet 模 組，將 Coordinator 所接收之數據資料傳回至 PC 端。

在此實驗中，ZED1 的位置將放置於 ZC 可直接連結之範圍內，而 ZED2 及 ZED3 放置於 ZC 不可直接連結之位置，待 ZC 及各個 ZED 開啟後，再開啟 ZR，

使 ZED2 及 ZED3 經由 ZR 將資料回傳至 ZC，並在電腦上做記錄，以確認資料是 否有因碰撞而資料丟失之現象。

圖 4-14 Mesh Topology 實驗

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4.2.2 Mesh Topology 驗證結果

此實驗最主要之目的，即驗證數據是否會因碰撞而導致資料遺失，是故，在程式 中，回傳資料部分添加了 Short Address 及 Serial Number，以增加其可判讀性，亦可 藉此判讀出資料是否因碰撞而丟失。

下表為統計結果：

傳送資料筆數 70 丟失率 0%

實際電流 (A) 1 LCD 顯示電流 (A) 0.96 誤差 -4%

實際電流 (A) 10.9 LCD 顯示電流 (A) 10.31 誤差 -5%

實際電壓 (V) 122.4 LCD 顯示電壓 (V) 124.9 誤差 2%

表 4-1 Mesh Topology 資料回傳整理

由上表可知，資料並無丟失之現象，且電流、電壓之誤差也在誤差範圍5%以內。

但亦有可能為 ZED 個數不足以達碰撞之現象，故在此實驗無法顯示因碰撞而資料丟 失之狀況。

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第五章 結論 5.1 系統優點分析

本論文，ZigBee™智慧型電力偵測系統，在電力感測器上，不只考慮到空間配置 問題，能讓施工時，配線及安裝更加順利，也可以達到簡化佈線複雜之效果。另外，

更使整體電路可內嵌於市售之配線出線盒，使此電力感測器可相容於舊式建築之使 用。

此電力感測器也有安全保護措施。在電力感測器本身失常時會進行斷電。在負載 過電流時，會進行斷電保護之機制，以保護使用者之安全，更甚至可利用無線感測網 路之資料傳輸路徑，遠端下達斷電之指令，以構建智慧型電力偵測系統之回饋機制。

除安全保護措施外，更設計使用 Switching Power 作為設備電力來源，以達到省 電之功效，與其他電力感測器之電力來源比較，使用線性穩壓方式與使用 Switching Power 方式，可省 20 ~ 40 倍之電力。

除此之外，電力感測器上安裝有 ZigBee™之模組，可構建成 ZigBee™無線網路拓 樸，將電力感測器上所得之電流、電壓偵測數值資料，回傳至 ZigBee™ Coordinator，

再透過 UART，將資料回傳至主控端建立資料庫，以達到電力即時監控之效果。而 ZigBee™無線網路拓樸，在此使用 Mesh Topology 模式傳輸，可確保資料傳輸路徑之 通暢，避免因路徑上其中一個 Router 發生異常時，資料便無法再回傳。

在資料回傳主控端之方式上，更與異質網路作結合，使整體系統於應用上更愈有 彈性，如將本系統之 ZigBee™ End Device 所配合之感測器轉換成其他感測器，例 如：照度感測器、瓦斯感測器、…等等，亦可使用本系統之架構作為發展依據。

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5.2 結論與未來展望

本論文所致力於開發之 ZigBee™智慧型電力偵測系統，目前在電力偵測上，以能 順利將電流、電壓及功率等數據資料作完整地即時監控，並利用與異質網路的結合，

可達遠端監控之效果。

然而，目前本系統在製作上，採用單一電力感測器校準之方式，達到量測準確之 目標。是故，於量產時，會產生嚴重之時程延遲問題。因此，在本論文往後之研究發 展上，電力感測器校準方面應增加量測數據，建立一套標準之校準作業流程，可使電 力感測器之量產時程縮短。

除此之外，目前本系統於主控端之資料庫建立的軟體設計方面，尚處於開發階 段，因此，尚無法以圖像式說明顯示於主控端。在往後本論文之研究發展上，若能建 立更完善之圖像式顯示之說明的軟體，應能更適用於一般家庭使用，亦可使 ZigBee

™更人性化地融入人類社會，使 ZigBee™之應用更加廣泛。

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參考文獻

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[2] ZigBee Alliance, ZigBee Specification, Version 1.0[r17], October 19, 2007.

[3] Texas Instruments, CC2530 Data Sheet, SWRS081A–APRIL 2009–REVISED APRIL 2009.

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http://www.analog.com/en/analog-to-digital-converters/energy-measurement/ade7763/prod ucts/product.html

[5] IEEE Standard for Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs),

September 2006.

[6] 鄭立, ZigBee 開發手冊, 2008

[7] Sinem Coleri Ergen, ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary, September 10, 2004 [8] 梁適安, 高頻交換式電源供應器原理與設計(第二版),

[9] SGS-THOMSON, LD1117 Series Data Sheet, April 1998 [10] Analog Devices, EVAL-ADE7763EB Data Sheet, Rev. 0

http://www.analog.com/static/imported-files/eval_boards/ADE7763EB.pdf [11] Texas Instruments, CC253X User Guide, SWRU191, April 2009 [12] 巨擎科技股份有限公司, URL: http://www.infosystem.com.tw/

[13]

FLUKE,URL : http://us.fluke.com/usen/products/Fluke+330.htm?catalog_na me=FlukeUnitedStates

ng=zh#

[14] PROVA, 泰儀電子,

CM-02, http://122.116.155.222/prova/jsp/provafront/prova.jsp?la