中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目：WSN無線電力感測系統-硬體設計與實現

Handware Designs and Implementation of the Wireless Sensor Network Energy Detecting System

系 所 別 ：電機工程學系碩士班 學號姓名 ：M09601006 曾丞延 指導教授 ： 田 慶 誠 博士

中華民國 九十七 年 八

WSN 無線電力感測系統-硬體設計與實現

指導教授︰田慶誠 博士 研究生︰曾丞延 中華大學電機研究所 通訊組

摘要

無線個人區域網路日趨成熟。帶領著消費者進入數位家庭與無線科技 的時代，無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)傳輸技術為現代人的 生活帶來了很大的便利性，此一技術與人們的生活更將緊密的結合，舉凡 監測、保全、控制及資料傳送等，都將走向無線化。

本論文目標主要是將 ZigBee™無線傳輸技術應用到電力感測系統，且 透過異質網路之結合以擴展監控範圍，並運用 ZigBee™豐富的網路拓樸，

將及時監控的裝置資訊回傳到監控端，已達到及時監控及管理。

關鍵詞：ZigBee™、無線感測網路、電力感測、異質網路

Handware Designs and Implementation of

the Wireless Sensor Network Energy Detecting System

Advisor︰Dr. Ching-Cheng Tien Student︰Cheng-Yan Zeng Department of Electrical Engineering

Chung Hua University

Abstract

WPAN becoming riper day by day. Leading consumers into the era of the digital family and the wireless technology. Wireless Sensor Network (WSN) technology making daily life more convenient. Technology and life of people combine closely, all is monitored, security, control and materials convey etc., will move towards being wireless.

The purport of this report is using the ZigBee™ to transmit the Wireless Sensor Network Energy Detecting System，via the combine of different system to extend the control range Using ZigBee™ network topology，via the device to conconvey information and controlled in time

Keyword: ZigBee™, Wireless Sensor Network, Energy Detecting System, Heterogeneous network

致謝

兩年的洗禮讓我從天真無知的大學生進而學習到真正的「做人處事的 態度與方法」，首先感謝田慶誠老師，讓我學會在負面情緒的環境下，如何 調適心情面對，冷靜的按部就班尋找問題、分析問題與解決問題，讓學生 我除了專業知識及技能有所成長，在其他方面也從老師身上看到學習的表 率，學生會將老師所指導的精神繼續保持，在此十分感謝田老師的啟發。

感謝王志湖老師、邱建隆老師的熱心指導幫忙，以及計畫合作對象工 研院材化所潘信宏、李彬州指導，因為你們的參予，讓學生學習更多，再 者感謝就是學長姊們：均達、耿驛、怡誠、大毛、小毛、云于、俊宏、芸 芳、洋蔚感謝您們無私的幫忙。

接著同期的隊友們，感謝一起扛計畫的興俊、永盛，彼此互相摩合適 應到完成任務，一切都放在心上，宣志、貿鴻、星佑、鴻彰、維彥、武華、

茵涵，所幸有各位，讓孤躁苦悶的生活添加許多樂趣及回憶。

再者感謝學弟妹天天、子楊、阿偉、易熾，及大學部學弟妹鼓勵與幫 忙，因為你們的鼓勵，我才有動力繼續下去。

其次感謝陪伴我的朋友孟軒、宗億等朋友們，陪伴我無數的失落與低 潮。

最後要感謝的就是我的父母，感謝您們一直寬心力挺這個任性的兒 子，包容我許多的情緒，也謝謝您們尊重我的決定，讓我可以放心的致力 學業，在此跟您們說聲 “謝謝，您們辛苦了!”

丞延 謹識

中華民國九十八年八月 新竹

目錄

摘要...I Abstract...II 致謝...III 目錄...IV 圖目錄...VI 表目錄...VIII

第一章 序論...1

1.1 研究動機...1

1.2 論文簡介...1

第二章 背景知識...2

2.1 ZigBee™介紹...2

2.1.1 ZigBee™ Stack...2

2.1.2 裝置類型及網路拓樸...6

2.2 TI CC243x 開發套件...8

2.2.1 韌體－IAR 簡介...9

2.2.2 軟體－輔助性軟體工具簡介...10

2.3 異質網路轉換模組...12

第三章 WSN 電力感測系統硬體規劃設計...13

3.1 系統目標...13

3.2 設計流程

...

...13

3.2.1 WSN 電力感測系統規格設計規劃...16

3.2.2 ZigBee™ MCU 子電路…...20

3.2.3 穩壓子電路…...24

3.2.4 Switching Power 子電路………...….25

3.2.5 Energy metering sensor 子電路..………26

3.2.6 AC Current Transformers子電路……….…..29

第四章 WSN 電力感測系統硬體系統測試驗證...33

4.1 WSN 電力感測系統實做...33

4.1.1 ZigBee™ MCU 子電路局部量測驗證...33

4.1.2 Switching Power 子電路局部量測驗證...36

4.1.3 AC Current Transformers子電路局部驗證...39

4.1.4 Energy metering sensor 子電路局部量測驗證...41

4.1.5 WSN 電力感測系統整合測試……….…...44

第五章 結論及未來展望...47

5.1 系統優點分析...47

5.2 系統缺點分析...47

5.3 結論與未來展望...47

參考文獻...48

圖目錄

圖 2- 1 ZigBee™與 IEEE 802.15.4 架構 ... 3

圖 2- 2 ZigBee Stack Architecture... 3

圖 2- 3 ZigBee™ network topology ... 8

圖 2- 4 IAR 與 Z-Stack 開發介面... 9

圖 2- 5 SmartRF 使用介面 ... 10

圖 2- 6 SmartRF® Studio 之使用介面... 11

圖 2- 7 Serial to Ethernet Module WM-120 ... 12

圖 3- 1 WSN 電力感測系統方塊圖………..13

圖 3- 3 研究流程圖... 15

3- 4 架構圖所示。... 16

圖 3- 5 WSN 無線電力感測系統架構圖... 16

圖 3- 7 電工配線鐵盒圖... 17

圖 3- 9 配線鐵盒尺寸規格圖... 18

圖 3- 11 電工插座上蓋圖... 19

圖 3- 13 WSN 無線電力感測系統方塊圖 ... 20

圖 3- 14Wireless node/host circuit block diagram... 22

圖 3- 17 WSN host circuit schematic diagram ... 23

圖 3- 18 ZigBee™ MCU 電路設計圖... 24

圖 3- 20 穩壓電路設計圖... 24

圖 3- 21 Switching Power 電路設計圖 ... 25

圖 3- 23 Switching Power 電路供電方塊圖... 26

圖 3- 25 ADE7758 Block Diagram... 27

圖 3- 26 Energy metering circuit schematic diagram ... 28

圖 3- 29 Energy metering sensor 電路設計圖 ... 29

圖 3- 30 AC Current Transformers ... 30

圖 3- 31 AC Current Transformers 線圈等校電路圖 ... 31

圖 4- 2 ZigBee™ MCU 子電路 Layout 圖 ………...………….33

圖 4- 4 ZigBee™ MCU 子電路實體圖... 34

圖 4- 6 ZigBee™ MCU 子電路驗證情境... 35

圖 4- 8 ZigBee™ MCU 子電路局部驗證結果圖... 35

圖 4- 10 Switching Power 子電路 Layout 圖... 36

圖 4- 11 Switching Power 子電路正面實體圖 ... 37

圖 4- 12 Switching Power 子電路背面實體圖... 37

圖 4- 13 Switching Power 子電路局部驗證圖... 38

圖 4- 17 AC Current Transformers 子電路局 Layout 圖... 39

圖 4- 18 AC Current Transformers 子電路實體俯視圖 ... 40

圖 4- 19 AC Current Transformers 子電路實體側視圖 ... 40

圖 4- 23 Energy metering sensor 子電路實體成品圖 ... 42

圖 4- 25 Energy metering sensor 子電路局部驗證圖 ... 42

圖 4- 29 開發初版成品圖... 44

圖 4- 30 整體 WSN 電力感測系統成品圖 ... 45

圖 4- 32 WSN 電力感測系統實驗情境圖... 45

圖 4- 33 偵測電流、電壓、功率回傳顯示 ... 46

圖 4- 34 偵測 Active Power、 Reactive Power 回傳顯示 ... 46

表目錄

表 2.1 ZigBee™ 使用頻帶以及其參數與調變技術...4 表2.2 ZigBee™裝置功能表...7 表3.1 TransformersSpecifications...32

第一章 序論

1.1 研究動機

數位電錶的問世取代＂電計量＂即所謂的傳統電表，但其主要目的仍 是以電力公司收費為主，並無法將相關數據適當分析，進行有效利用電力 管理監控。

WSN 電力感測系統是未來足以取代目前類比式傳統電錶，該系統使用無 線傳輸方式自動進行資料傳輸，可有效的監控電力能耗及提供即時的消耗 數據，減少人力抄寫電表無形中所耗費之人力及財力資源。

1.2 論文簡介

本論文宗旨為建立一個WSN無線電力感測系統，本系統選用之ZigBee™

MCU晶片為TI CC243x，與電源管理IC ADE7758作結合，並且使用Switching Power做電源轉換，將交流電轉至直流電輸出，做為ADE7758以及CC243x電 力來源，而為了使系統範圍更加延伸，系統將會結合異質網路。

論文架構如下：

第一章 序論：講解研究動機及論文發展架構。

第二章 背景知識：闡述 ZigBee™協定及使用到的開發工具。

第三章 WSN 電力感測系統規劃設計：說明系統發展之方式及其功能性。

第四章 系統測試驗證：第三章規劃之系統實踐與功能驗證。

第五章 結論與未來展望：統整系統之優缺點、功能貢獻及後續發展。

第一章 背景知識

2.1 ZigBee™介紹

ZigBee™[1][2]

，源自於蜜蜂在發現花粉時，展現如同 ZigZag 形狀 的舞蹈，又蜜蜂是 Bee，因此而命名之。

ZigBee™ 主要是由 IEEE 802.15.4 小組與 ZigBee Alliance 組織，分別 制訂硬體與軟體標準。它是一種低傳輸速率(250kbps)、短距離 (一般約為 50-100 m，依耗電量之不同，可提昇至 300m)、低消耗功率、架構簡單的技 術。目前制定的頻段為全球的 2.4GHz ISM 頻段、美國的 915MHz 頻段，

以及歐洲的 868MHz 頻段。在 2.4GHz 的 ISM 頻段，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。ZigBee™ 支援主從式或點對點 方式運作，同時最多可有 255 個裝置鏈結，具有高擴充性。主要應用的方 向在於家庭裝置自動化、環境安全與控制，以及個人醫療照護[3]等功能，

逐漸成為產業共通的短距離無線通訊技術之一。

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）。而 IEEE 802.15.4[6][7]主要負責 ZigBee 的實體層（PHY Layer）以及媒體存取層（MAC Layer）。接著網路層（Network Layer）與應

而將四大層面堆疊成的完整通訊架構，稱為Z 堆疊（ZigBee™ Stack）圖 2.2 所示。

圖2- 1 ZigBee™與 IEEE 802.15.4 架構

圖 2- 2 ZigBee Stack Architecture

DSSS 展頻參數 資料速率

PHY layer 負責啟動和停止無線電收發器、選擇通道、能量偵測以及封

包的傳送和接收且提供了三種頻段應用在不同的區域，分別是歐洲 868

MHz、美澳的 915MHz 及全球性的 2.4GHz，傳輸方式是使用直接序列展頻 (Direct Sequence Sperad Spectrum, DSSS)將資料載於頻道上，如表 2.1。

頻帶 MHz

頻率範圍 (使用地區)

MHz

通 道 數 目

細片率 kchip/s

調變 位元 速率

kbps

鲍率

ksym/s 868 868~868.6(歐洲) 1 300 BPSK 20 20 915 902~928 (美國) 10 600 BPSK 40 40 2450 2400~2483.5(全球) 16 2000 OQPSK 250 62.6

表 2.1 ZigBee™ 使用頻帶以及其參數與調變技術

MAC layer 負責處理 PHY layer 資料存取，主要功能為產生網路信標 (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 ， 亦 提 供 保 證 時 槽 (Guaranteed Time Slots, GTS)來維護重要的資料傳輸。

Network layer 負責工作則是建立，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傳遞路徑的發掘與維護，為了達到 這個目的，網路層必須知道緊臨的裝置，和儲存這些直接相連裝置的資訊。

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)：提供開發者容納多種不同的應用，亦 即應用核心，是要讓使用者寫入應用程式的工作區塊，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 到 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)：其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。並且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，記錄所有鏈結的功能裝置並列表（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 資料實體通道（APS Data Entity）以及 APS 管理實體通道（APS Management Entity）。而這兩種實體通道分別提供服務接點（Service Access Point），APSDE 服務接點（APSDE-SAP）與 APSME 服務接

點（APSME-SAP）可以與應用結構以及 ZDO 連結以便溝通管理。

2.1.2 裝置類型及拓樸類型

IEEE 802.15.4規範中定義了兩種類型的裝置，為全功能裝置（FFD）與 精簡功能裝置（RFD）。

全功能裝置Full-Function Device(FFD)能夠與任何類型節點進行溝通運 作，而且能夠支援任何網路拓樸模式，在一個網路上通常可以扮演一個網 路協調者(coordinator)，主導所在的區域性網路相關連結運作，且必須擁有 IEEE 802.15.4 在MAC Layer 所制定的全部功能。另外也因為其提供完全性 功能機制的節點，尤其是扮演協調者(coordinator)時候可能需要大量的儲存 裝置來存取目前網路上各個節點的各種狀態，所以他要耗費的記憶體會比 較多，此外，也需要有穩定的電源裝置提供FFD 足夠的電力。

縮減功能性裝置Reduced-Function Device(RFD)，與全功能裝置不同的 地方在於，他只能和全功能裝置一對一溝通，且沒辦法成為區域網路上的 協調者角色，所以耗費的記憶體以及電源也會比較小，由於ZigBee 節點有 著不工作就進入休眠狀態的特性，為了達到更好的省電效果，在無特殊要 求之下，通常都供給電池類型的電源，而對於IEEE 802.15.4 所制定的MAC Layer 功能則是選擇性擁有。

ZigBee™裝置則分為三種角色，ZigBee™ Coordinator（ZC）、ZigBee™

Router（ZR）以及 ZigBee™ End Device（ZE），以下分別介紹其相關功能，

表 2-2

表2.2 ZigBee™裝置功能表

ZigBee™ Coordinator（協調者），主要負責設定以及初始化、維持、控 制網路、處理相關資訊，並且負責建立網路。任何的個人區域網路系統架 構中，必定存在一個Coordinator，他負責整個網路的啟動以及bimding 還有 address table 的功能，同時能允許其他網路群體或是任何類型節點參與目前 所建構的的網路，一般都是提供穩定的電源給它以保全整個網路運作正常。

ZigBee™ Router（路由器），主要的功能是負責幫助 Coordinator 傳遞 資料，網路可利用 Router 延伸及擴展。

ZigBee™ End Device（末端裝置），通常設定為低功耗、存活時間久，

可由 Coordinator 設定其工作時問，只負責傳輸節點自身資料，末端裝置是 一個精簡功能設備( RFD)，不具備接受其他設備加入以及 Router 的能力，

故只能成為子節點。

至於 ZigBee™協定所使用的拓樸類型也有三種，分別是 Star (星狀)、

Tree (樹狀)以及 Mesh (網狀)，如圖 2.3 所示。Star 的構成，主要是以 ZC 為 中心點，放射狀連接Ｖ、ZE 等裝置；Tree 的結構，則是以 ZC 為樹根、ZR 為枝幹、ZE 為樹葉的方式向外拓展；而 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，此舉可以避免因為裝置損壞而導 致傳輸路徑中斷的情況，此為 Mesh 最大的好處。

Star

Mesh

ZigBee™ Coordinator ZigBee™ Router ZigBee™ End Device Tree

圖2- 3 ZigBee™ network topology

2.2 TI CC243x 開發套件

由德州儀器(Texas Instruments)製作的 ZigBee™ Development Kit[8][9]

是一套符合ZigBee™協定的開發工具，使用的 IC 為 CC243x，其中包含 8051 MCU 處理 ZigBee™ protocol stack (Z-Stack) 及遵循 2.4 GHz IEEE 802.15.4

的 RF 系統。開發套件包含了發展板硬體、ZigBee™ protocol stack (Z-Stack) 及一些輔助性質的軟體工具，接著將分類介紹這些工具的特性。

2.2.1 韌體－IAR 簡介

為實現 ZigBee™ protocol stack，TI 提供了符合 ZigBee™協定的 open source code：Z-Stack。使用 Z-Stack 做為背景，開發者可省去建立 ZigBee™

protocol stack 的時間，只需專注於應用層的設計即可。

搭配 Z-Stack 的編輯軟體為 IAR Embedded Workbench IDE ，此一介面 提供了程式編寫、組譯、韌體燒錄及除錯之功能，相當便利。圖 2.4 為 IAR Embedded Workbench IDE 及 Z-Stack 開發介面。

組譯 燒錄

Z-Stack

圖 2- 4 IAR 與 Z-Stack 開發介面

2.2.2 軟體－輔助性軟體工具簡介

ZigBee™ Development Kit 包含了幾樣軟體工具，可協助使用者開發驗 證，如 SmartRF[10][11]及 Packet Sniffer 等。

SmartRF 是 CC243x 燒錄 .hex file 用的軟體，當使用者需要做量產應用 時，可將 IAR Embedded Workbench IDE 產生的 .hex file 做直接燒錄的動 作，省去除錯步驟來節省量產時間。SmartRF 除了做一般燒錄工作，還有一 項重要功能，就是可以讀取/寫入 CC243x 之 MAC Address；這個動作可以 協助開發者確認裝置的目前 MAC Address，或將其改寫為系統所需要的值。

圖 2.5 為 SmartRF 使用介面。

圖2- 5 SmartRF 使用介面

SmartRF® Studio 是一個測試 RF 前端軟體，用於評估和配置德州儀器 (TI)的 Chipcon RF-IC。此應用程序必須與適用的開發板一起使用，此工具 對於測試和量測 RF-IC 產品非常有用，配合使用者測試需求，可以更改輸 出功率及頻率，內建暫存器資訊配合使用更改，圖 2.6 所示為 SmartRF®

Studio 之使用介面。

設定頻率

設定TX/RX 模式

圖 2- 6 SmartRF® Studio 之使用介面

2.3 異質網路結合介面

為將 ZigBee™ WPAN 與 Ethernet 結合，採用巨擎科技設計之 Serial to Ethernet Module WM-120；使用上，模組如圖 2.7：

圖 2- 7 Serial to Ethernet Module WM-120

轉換模組使用上，只需設定此模組之 IP 位置及網域，並將設備橋接妥 善，即可透過 Ethernet 得到該設備欲傳輸之資料或亦可對該裝置下達指令。

第二章 WSN 電力感測系統硬體規劃設計

3.1 系統目標

本論文在於開發出 WSN 無線電力感測硬體系統架構，以數位電表取代 傳統機械式電表，並將前端讀取電源資料回傳給後端管理系統，做為最有 效的電源管理，並且為了拓展監控範圍，將會有異質網路的結合，讓 ZigBee™ 區域性的資料能做長距離的流通與掌控，因配合工研院計畫執行

，因此在研究流程上是以可行性與成品的效能作為考量的重點。

圖3- 1 WSN 電力感測系統方塊圖

3.2 設計流程

研究流程的第一步是先訂出系統架構， 第二步是Survey 符合需求的 零件。為了提昇成品的可行性，Survey 的零件是以一般商業市場上容易購 得的為主，但是一般零件不一定能完全符合需求，所以流程的第三步即是 針對現有的零件來做調整架構，使整個電路特性能夠符合規格需求。經過

步驟一到三，整個架構就已經決定了。接下來第四步就是進行軟體模擬。

軟體模擬的目的是希望能夠預估出所選用的架構與零件能否達成需要的 System Performance。 軟體模擬第一步是以廠商提供的規格書進行初步的模 擬，如果模擬結果不符需求，則重複步驟二到三。如果模擬結果符合需求，

就製作各個單一零件的測試板，實地的對各個單一零件進行量測，並將結 果輸入軟體進行更精確的模擬，以求得更精確的預估。

第五步即是進行整體的電路實際製作。第六步就是將完成的各方塊進 行整合測試。整個研究流程圖可以表示如圖 3- 2。

Strat

定出架構

準備零件

軟體模擬

電路實際製 作

整合測試

進行電路修 改

ENＤ 整合測試符合

需求

是否可以修改 電路

重新準備零件 零件符合需求

模擬結果符合需 求

YES

YES

YES

NO

YES

NO NO

NO

YES

NO 調整架構

圖3- 3 研究流程圖

3.2.1 WSN 電力感測系統整體功能規劃

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圖，如圖 3- 4 架構圖所示。

圖3- 5 WSN 無線電力感測系統架構圖

將結合數位電表之 WSN Router 節點佈置於各插座後端，插座後端欲 測火線與電表 IC (ADE7758)量測電壓輸入端連結，且讓火線穿越 AC Current Transformers 之感應線圈，線圈之兩輸出端與 ADE7758 量測電流輸 入端連結。ZigBee™晶片(CC243x)之 MCU 透過 SPI Interface 對 ADE7758 進行電壓、電流、功率等資料之讀取，並經由 CC243x 透過 2.4GHz 無線 Mesh 網路傳送至監控端之 Zigbee PAN Coordinator 收發模組。並經由 RS232 將 Coordinator 傳輸至後端 PC 做管理與資訊融合，並且顯示目前各個 WSN

node 回傳資料訊息，以達到管理監控之功能，此能源管理資料可提供給各 能源管理公司所開發之節能分析軟體資料庫，做為能源效能分析與控管之 參考。

因為礙於此系統需要內置於插座後端，使得體積設計上困難度增 加，此系統優先考量舊式住宅插座，故以舊式電工配線鐵盒為設計外框如 圖 3- 6

圖3- 7 電工配線鐵盒圖

，並且必須符合市售電工法規標準配線鐵盒，所以體積設計上受限在電路 板設計部分將用立體四方體為目標，虛線部分為設計體積大小如圖3- 8

圖3- 9 配線鐵盒尺寸規格圖

，才可以置入配線鐵盒內，高度部份考慮住戶所使用的配線盒內部已經穿 插配線，所以當系統置入後還需要預留走線空間，方便施工人員配線安裝，

RF 射頻上板部分，也配合市售電工上蓋來設計如圖 3- 10

圖3- 11 電工插座上蓋圖

在整個WSN無線電力感測系統中，硬體部分主要分為會有ZigBee™

MCU電路所使用晶片為TI CC243x，負責系統MCU及RF射頻，搭配AC Current Transformers電路與Energy metering sensor電路來將偵測電力進行運 算，而Energy metering sensor電路所使用的晶片是ADE7758，並且使用 Switching Power做電源轉換，將交流電 110V轉至直流電 5V輸出，做為 ADE7758 以及CC243x電力來源，如圖 3- 12 為系統方塊圖

圖 3- 13 WSN 無線電力感測系統方塊圖 下面章節將會針對各部份電路進行說明，一一進行說明。

3.2.2 ZigBee™ MCU 子電路

系統中擔任核心的部份是位於上板的MCU電路，所使用的晶片CC243x (ZigBee™ MCU)整合了ZigBee™射頻(RF)前端、RAM和MCU。它使用1個 MCU(8051)，具有128KB Programmable flash和8 KB RAM，還包含ADC、

Timer、Watchdog-timer、32 kHz Crystal的休眠模式計時器、Power-0n-Reset、

Brown-out-detection，以及21個I／O pins。

CC243x工作時的電流損耗為27 mA。在接收和發射模式下，電流損耗 分別低於27 mA或25 mA。CC243x的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間 的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

CC243x晶片的主要規格如下︰

◆集合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz的RF無線電收發機。

◆硬體支援CSMA／CA功能。

◆電壓範圍(2.0～3.6 V)。

◆數位化的RSSI／LQI支援和強大的DMA功能。

◆具有電池監測和溫度感測功能。

◆集成了14 bit轉換的ADC。

◆支援 USART，以及符合 IEEE 802.15.4 規範的 MAC 計時器，16 bit 計時 器和 8 bit 計時器。

圖 3- 14Wireless node/host circuit block diagram

電路設計以參考 TI 模組 EM 板，如圖 3- 15 所示，作為 WSN 無線電力 感測系統中 MCU 及 RF 前端電路，另外 RF 部份輸出為 Differential，因此 我們必須使用 Balun 將其轉換成 Single Ended 50Ω 輸出，傳輸線部分因為板 厚改變，將線寬作調整，天線則是使用 TI 50 歐姆天線，整體電路大小也

crystal 部份分別有 32 MHz crystal oscillator 以及

32.768 kHz crystal oscillator，其中 32 MHz 是用於 system clock，而 32.768 kHz 則是用於 sleep timer，圖 3- 16 為自行設計 MCU 電路設計圖。

圖3- 17 WSN host circuit schematic diagram

圖3- 18 ZigBee™ MCU 電路設計圖 3.2.3 穩壓子電路

電源電路設為ㄧ般穩壓電路設計，選用大多數設計者採用的電源電路設 計 IC 即 LM1117 IC。LM1117 IC 有分很多種，包括有穩壓 1.8V、3.3V、4.5V、

5V 等不同準位電壓。穩壓電路主要將 Switching Power 所提供直流電 5V 輸 出穩壓成系統內ZigBee™MCU 電源 3.3V 供電。故選用穩壓為 3.3V 的 LM1117，而在同一電源輸出穩壓 IC 下又分成可調整式以及固定式，為方 便起見選擇以固定式LM1117 3.3V 穩壓 IC 來設計穩壓電路。在 IC 兩側分

別接上電容來過濾來自變壓器的高低頻雜訊，圖3- 19 為穩壓電路設計圖

圖 3- 20 穩壓電路設計圖

3.2.4 Switching Power 子電路

圖3- 21 Switching Power 電路設計圖

Switching Power 子電路設計如圖 3-21，依照需求分為不同型態，此論 文中所使用電路，電源端是 AC 90V~258V，經過橋式整流後，整流出來再 經由變壓器（線圈比128:7），轉換為 DC to DC，穩出 DC 9V，透過電晶體 PL431 特性搭配上分壓，達到 DC 5V，並且運用光偶合器加上 NCP1013，

來達到牽制電壓，讓輸出電壓能夠維持在我們需要。

Switching Power 子電路在系統中提供兩部份子電路電源，分別是 Energy metering sensor 電路(右板)以及 ZigBee™ MCU 子電路(上板)，上板

因為 ZigBee™ MCU 工作電壓限定 DC 2.0～3.6 V，因此加上穩壓電路，來 將電壓降壓，以達到工作電壓，圖 3- 22 Switching Power 電路供電方塊圖。

圖3- 23 Switching Power 電路供電方塊圖 3.2.5 Energy metering sensor 子電路

Energy metering sensor 電路所選用的晶片 ADE7758(圖 3- 24)， 此晶片 是一種高精確度三相電能測量 IC。可用於實功率(Active energy)、虛功率 (Reactive energy)、視在功率(Apparent energy)、電壓、電流有效值的測量以 及數字模式校正系統誤差(增益、相位)所必須的信號處理電路。該晶片適用 於各種的三相電路（不論三線或者四線）中測量實功率、虛功率、視在功 率。

圖 3- 25 ADE7758 Block Diagram

ADE7758的電流通道和電壓通道都有一個可編程增益放大器，分別 PGA1、PGA2，放大器的增益為1、2和4，透過設定Gain Register的bit 0和bit 1來選擇PGA1的增益係數，設置Gain Register的bit 5和bit 6來選擇PAG2的增 益係數，設定Gain Register的bit 3和bit 4來選擇ADC的最大輸入電壓，ADC 的最大輸入電壓可以設定為±0.5V、±0.25V、±0.125V，這是利用ADC 的基 準參考端來實現的，Gain Register的bit 7是啟動電流通道中積分器。由分壓 定理和Current transformer的類比信號透過電壓通道和電流通道，經過信號 放大器PGA1、PGA2和ADC轉換成相對應的數位信號，電流信號由電流通 道中的高通濾波器，濾除直流，經過積分器，再將此電流信號平方，經過 高通濾波器和電流有效值偏移量的校準，再開根號即可得電流的有效值，

各相的電流有效值寫入各自的暫存器中。電壓有效值的讀取基本上與電流 有效值相同。

實功率(active energy)的獲得過程是︰電流通道中透過積分器的電流信 號與電壓通道中經過相位校正的電壓信號相乘，即可得到瞬時功率，此時 的瞬時功率再透過低通濾波器得出的就是瞬時實功率了。三相的瞬時實功

虛功率(reactive energy)的計算與實功率的計算不同的是︰ADE7758能 將各次諧波位移90°。電流通道中經過積分器的電流信號位移90°，再與電壓 通道中經過相位校正的電壓信號相乘。

視在功率(apparent energy)就是電壓有效值和電流有效值的乘積透過高 通濾波器，三相的值再加即可得到。

圖3- 26 Energy metering circuit schematic diagram

圖3- 27所示，電壓220V經過1MΩ以及1kΩ分壓後，將0.2V送入

ADE7758的電壓輸入端(VAP)進行電壓的運算，目前使用對象針對家庭式 110V，所以以單向為主。圖3- 28為Energy metering sensor電路設計圖

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。

3.2.6 AC Current Transformers子電路

此電路所選用之 AC Current Transformers 型號為 TX9P-20A。此 AC Current Transformers 是由工研院材化所提供，測試部分先將欲測試電流之導 線穿越環形線圈，導線電流所產生的環形磁場將通過 Transformer 線圈之截 面積。依據法拉第定律，通過截面積之磁場隨時間改變會讓 Transformer 線 圈兩端產生感應電動勢。

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V_CT。

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。

參考文獻

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