修平科技大學...

實務專題報告書 Raspberry PI 家庭電器整合物聯網之應用

指導老師：黃淳德教授

專題製作學生：四技電四甲范君威 BD101506

中華民國一百零五年一月三日

修平科技大學電機工程系

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING

HSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

修平科技大學

電機工程系 HSIU-PING UNIVERSITY OF SCIENCE

AND TECHNOLOGY

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING

指導老師：黃淳德

專題製作學生：范君威

製作日期：105年 1月 3日

摘要

在能源日益匱乏的今日，如何運用現代先進科技，並兼顧

節約用電與生活便利性，提供綠色智慧生活，已是熱門的研

究議題。本作品導入現今最熱門的物聯網概念，使用功能強

大的 Raspberry pi 2B晶片，建置 Apache Server，透過 ZigBee、

Wi-Fi、藍牙等網路通訊介面，將家庭常用電器如空調、照

明、與電器用品，彼此相互連線，構成家電可以彼此互動的

網路監控平台。智慧型手機、平板電腦、或遠端電腦，透過

藍牙或 Wi-Fi 直接開關家電的電源/插座，或取代紅外線遙

控器功能，控制家電，並可記錄或查尋家電使用狀況。進一

步可在 Raspberry pi 2B伺服主機上，規劃節能方案，在兼

顧人們生活的方便性與舒適性，做最佳用電的調度與配置。

例如家電用電優先順序排程方案，調配尖峰/離峰的電器用

電優先使用順序；透過溫濕度感測器，調配多個空調設備的

用電量，提供節能舒適的生活環境；透過光感測器，調配各

種照明燈源的用電量，提供節能舒適的照明環境，具體實現

綠色節能智慧生活的目的。

關鍵字：Raspberry pi，物聯網，無線感測網路，家電節

能監控

目錄

第一章緒論 ..............................................................................................................................1

第二章相關原理及技術 ........................................................................... 3

2.1 Raspberry Pi B2+介紹 ............................................................ 3

2.2 CC2530晶片介紹 ...................................................................... 6

2.3 Notepad++ ................................................................................. 9

2.4 MYSQL ....................................................................................... 10

2.5 ZIGBEE ..................................................................................... 11

2.6 Wi-Fi ....................................................................................... 15

2.7 Apache ..................................................................................... 19

第三章系統架構及功能 ........................................................................ 20

3.1硬體電路 .................................................................................. 21

3.2軟體設計 .................................................................................. 24

3.3節能方案 .................................................................................. 26

I

第四章製作方式及過程 ........................................................................ 29

4.1 CC2530軟韌體程式撰寫及硬體製作 ..................................... 29

4.2 Raspberry Pi內部設定 ......................................................... 31

4.3 軟體程式撰寫 ......................................................................... 34

第五章系統整合及功能展示 .............................................................. 35

第六章結論 ................................................................................................. 37

文獻資料 ...................................................................................................... 38

II

圖目錄

圖 1.專題架構圖 ............................................................................................. 2

圖 2.RASPBERRY PI 的外型 ............................................................................... 3

圖 3.RASPBERRY PI 功能 ................................................................................... 4

圖 4.CC2530接腳圖 ........................................................................................ 6

圖 5.CC2350電路描述方塊圖 ....................................................................... 8

圖 6.NOTEPAD++程式介面及所支持的程式語法 .......................................... 9

圖 7.MYSQL資料庫介面 ............................................................................... 10

圖 8.德州儀器公司推出第一顆的 ZIGBEE晶片 CC2480 ......................... 11

圖 9.APACHE SERVER ......................................................................................... 19

圖 10.實際之系統架構圖 ........................................................................... 20

圖 11.HT66FU50之模組架構圖 .................................................................. 21

圖 12.模組電路圖及成品圖 ....................................................................... 21

圖 13.CC2530外掛式家電控制模組架構圖 ............................................ 22

圖 14.具 ZIGBEE功能之 EA100插座 .......................................................... 22

圖 15.RASPBERRY PI監控伺服機架構 .......................................................... 23

圖 16.IAR之使用介面 ................................................................................. 24

圖 17.RASPBERRY PI內部之撰寫程式 ......................................................... 25

圖 18.PUTTY連線介面 ................................................................................... 25

III

圖 19.空調互動節能方案示意圖 .............................................................. 27

圖 20.照明互動節能方案示意圖 .............................................................. 27

圖 21.使用 IAR撰寫 CC2530閘道器之韌體程式 .................................. 29

圖 22.WI-FI板配置圖 .................................................................................. 30

圖 23.WI-FI板上各元件之接腳圖 ............................................................ 30

圖 24.RASPBERRY PI設定使用編碼 .............................................................. 33

圖 25.設定 MYSQL使用者密碼 ................................................................... 33

圖 26.使用 NOTEPAD++撰寫 PHP程式 .......................................................... 34

圖 27.RASPBERRY PI和閘道器運作之情形 ................................................. 35

圖 28.控制網頁畫面 .................................................................................... 35

圖 29.耗電量顯示及電費計算畫面 .......................................................... 36

表目錄

表 1︰常用家電的耗電分析與策略規劃 ................................................. 26

IV

第一章緒論

近年來物聯網(IOT-The Internet of Things)概念興起，利用無

所不在的網路技術，將所有物品通過感測設備與通訊網路連接起來，

提供智慧化識別與管理，應用範圍覆蓋各行各業，也將帶動相關行業

的技術進步和快速發展。若能將物聯網概念引進一般家庭日常用電器，

未來發展的空間將不可限量。

目前家電連接上 Internet的方案有 Ethernet、Wi-Fi、或 ZigBee

網路。一般家庭各式家電眾多，Ethernet以有線方式配置，多一條

網路線並不適合。Wi-Fi與 ZigBee都採用無線方式上網，且多點配

置容易，目前 Wi-Fi又比 ZigBee網路更為普及，因此 Wi-Fi上網應

該是家電的首選。此外，現在人幾乎人手一支智慧型手機，而且隨著

智慧手機的不斷演進，擁有的功能越來越豐富。如何讓智慧型手機與

家電結合，也是現今熱門的研究主題。

藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy, BLE)是最新推出的藍牙 4.0

技術，提供智慧型手機與其他裝置更便利的互動。不同通訊介面與協

定如何整合，是未來家電普遍都能上網的一大關鍵。至於物聯網要普

遍運用在家電上，所要面臨挑戰的課題有二：通訊介面與協定的整合，

以及如何發揮物聯網實質功能與效益，達到綠色節能與智慧生活的理

想，應是大家共同努力的目標。 1

近年來環保意識抬頭，綠色節能已成為普世的價值。一般家電的

單一耗電量的比重雖然不大，但數量龐大且使用頻繁，若能適當節約

控制使用，可省下的電能也相當可觀。近年來政府大力推動智慧電網

（smart grid），通過智慧電表（smart meter），隨時監測電力使用

的狀況，或調整家電及企業用戶的耗電量，將可降低損耗，達到節約

能源的目的。因此家電若能內建智慧電表，透過上網功能，便能成為

智慧電網的一環，除提供便捷的家庭自動化功能外，還可成為具有綠

色節能概念的家電管理系統。專題整體架構如圖 1。

圖 1.專題架構圖

2

第二章相關原理及技術

2.1 Raspberry Pi 2 B+介紹

Raspberry Pi(圖 2)是源自一個開放源程式碼的硬體專案平台,

該平台包括一塊具備簡單 I/O功能的電路板以及一大堆的 Linux 軟

體。Raspberry Pi可以用來開發交互產品,比如它可以讀取大量的開

關和感測器信號,並且可以控制電燈、電機和其他各式各樣的物理設

備;Raspberry Pi也可以開發出與 PC一樣的周邊裝置,也可以運行在

Linux PC 上的軟體進行通信。Raspberry Pi的硬體電路板可以自行

焊接組裝,也可以購買已經組裝好的模組,而程式開發環境的軟體則

可以從網上免費下載與使用。

圖 2.Raspberry Pi 的外型

3

這個 Raspberry 功能非常的強大，他分成幾大功能，如圖3所示：

1.SD 卡

Raspberry會把 SD卡當成內建的硬碟使用，詳細如何準備 SD卡，

下一個章節會提到，一般來說最少需要有 4GB 的容量，建議用比較

穩定的牌子，這樣可以確保讀取資料正常。

2. 2a.HDMI輸出顯示

2b.RCA 輸出顯示

3.USB 的輸入連結，如滑鼠與鍵盤。

4.網路線連接

5.透過 Micro USB 的電源，最少電源需要最少有 700mA 5V 的電力。

6.Audio Jack 聲音輸出。

圖 3.Raspberry Pi 功能

4

Raspberry Pi 2B之性能規格

SoC： Broadcom BCM2836

CPU： 900 MHz;Quad-core ARM Cortex-A7

GPU： Dual Core VideoCore IV® Multimedia Co-Processor; Open

GL ES 2.0; hardware-accelerated OpenVG; 1080p30 H.264

high-profie decode

記憶體： 1GB LPDDR2（和 GPU 共享）

視訊輸出： Composite RCA; HDMI

音訊輸出： 3.5 mm jack; HDMI(1.3 & 1.4)

儲存： microSD

USB： USB 2.0 x 4

Ethernet： 10/100 RJ45

GPIO： 40-pin 2.54 mm (100 mil) expansion header: 2×20 strip

工作電流： 700 mA

尺寸： 85mm x 56mm x 17mm

重量： 42g

5

2.2CC2530晶片介紹

CC2530這顆晶片是 TI公司專為 IEEE 802.15.4、ZigBee應用量

身訂做的 SOC晶片。擁有高達 256 KB 容量的大型快閃記憶體，CC2530

適合 ZigBee PRO應用。此外，CC2530 將完全整合的高效能 RF 收

發器、8051 MCU、與其他威力強大的功能與周邊相結合，如內建 ADC、

SPI、USB…等功能(圖 4)，方便與其它感測器連接。

CC2530F256 結合了德州儀器的業界領先的黃金單元 ZigBee 協

議棧（Z-Stack™），提供了一個強大和完整的 ZigBee 解決方

案。還結合了德州儀器的黃金單元 RemoTI，更好地提供了一個強大

和完整的 ZigBee RF4CE 遠程控制解決方案。

圖 4.CC2530接腳圖

(1) CC2530之 RF佈局

–適應 2.4-GHz IEEE 802.15.4 的 RF 收發器

–極高的接收靈敏度和抗干擾性能

–可編程的輸出功率高達 4.5 dBm 6

–只需極少的外接元件

–只需一個晶體振盪器，即可滿足網狀網路系統需要

–6mm ×6mm 的 QFN40 封裝

–適合系統配置符合世界範圍的無線電頻率法規：ETSI EN

300 328 和 EN 300440（歐洲），FCC CFR47 第 15 部分(美國)

和 ARIB STD-T-66（日本）。

(2) CC2530之優點

·低功耗

–主動模式 RX（CPU 空閑）：24 mA

–主動模式 TX 在 1dBm（CPU 空閑）：29mA

–供電模式 1（4 μs 喚醒）：0.2 mA

–供電模式 2（睡眠定時器運行）：1 μA

–供電模式 3（外部中斷）：0.4 μA

–寬電源電壓範圍（2 V–3.6 V）

·微控制器

–優良的性能和具有代碼預取功能的低功耗 8051 微控制器

內核 32、64或 128KB 的系統內可編程快閃記憶體 8KB RAM，具

備在各種供電方式下的數據保持能力、支持硬體調試

·外設

7

–強大的 5 通道 DMA

–IEEE 802.5.4 MAC 定時器，通用定時器（一個 16 位定時

器，一個 8 位定時器）

–IR 發生電路

–具有捕獲功能的 32-kHz 睡眠定時器

–支持精確的數字化 RSSI/LQI

–電池監視器和溫度感測器

–具有 8 路輸入和可配置解析度的 12 位 ADC

–AES 安全協處理器

–2 個支持多種串列通信協議的強大 USART

–21 個通用 I/O 引腳（19×4 mA，2×20 mA）

–看門狗定時器

圖 5.CC2350電路描述方塊圖

8

2.3 Notepad++

Notepad++是 Windows操作系统下的一套文本編輯器(軟體版權

許可證: GPL)，有完整的中文化接口及支持多國语言编寫的功能

(UTF8技術)。

Notepad++功能比 Windows 中的 Notepad(記事本)强大，除了可

以用來製作一般的纯文字说明文件，也十分適合编寫電腦程式代碼。

Notepad++ 不僅有語法特殊字元顯示，也有語法折叠功能，並且支持

相當大量之擴充基本功能的外掛模组。

Notepad++是免費軟體，內建有中文版本，支持許多程式語言，

常見的有：

C,C++,Java,pascal,C#,XML,SQL,Ada,HTML,PHP,ASP, ,Python,Java

script, VHDL,AutoIt,Matlab

圖 6.Notepad++程式介面及所支持的程式語法 9

2.4 MySQL

phpMyAdmin 是由 PHP 寫成的 MySQL 資料庫系統管理程式，讓

管理者可用 Web介面管理 MySQL 資料庫。藉由此 Web 介面可以成為

一個簡易方式輸入繁雜 SQL 語法的較佳途徑，尤其要處理大量資料

的匯入及匯出更為方便。其中一個更大的優勢在於由於 phpMyAdmin

跟其他 PHP 程式一樣在網頁伺服器上執行，但是您可以在任何地方

使用這些程式產生的 HTML 頁面，也就是於遠端管理你的 MySQL

資料庫。使用 phpMyAdmin 您就可以方便的新增、修改、搜尋、刪

除資料庫及資料表。

圖 7.MySQL資料庫介面

10

2.5 ZIGBEE

ZigBee是 IEEE 802.15.4 協議的代名詞。根據這個協定規定的

技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。ZigBee的命名，源自

於蜜蜂的八字舞，由於蜜蜂(bee)是靠飛翔和"嗡嗡"(zig)地抖動翅膀

的"舞蹈"來與同伴傳遞花粉所在方位資訊，也就是說蜜蜂依靠這樣的

方式構成了群體中的通信網路。其特點是短距離、低複雜度、低功耗、

低資料速率、低成本。主要應用的方向在於家庭裝置自動化、環境安

全與控制、個人醫療照護、自動控制和遠端控制領域、嵌入式各種設

備。

簡而言之，ZigBee 就是一種便宜，低功耗的近距離無線組網通

訊技術。

ZigBee在中國被譯為"紫蜂"，它與藍牙相類似.是一種新興的短

距離無線技術，用於感測控制應用 (sensor and control)。此想法

在 IEEE 802.15 工作組中提出，於是成立了 TG4 工作組，並制定規

範 IEEE 802.15.4。

圖 8.德州儀器公司推出第一顆的 Zigbee晶片 CC2480

11

2002年，ZigBee Alliance 成立。

2004年，ZigBee V1.0 誕生，它是 ZigBee 第一個規範，但由於

推出倉促，存在一些錯誤。

2006年，推出 ZigBee 2006，比較完善。

2007 年底，ZigBee PRO 推出。

ZigBee 的底層技術基於 IEEE 802.15.4.

物理層和 MAC 層直接引用了 IEEE 802.15.4

在藍牙技術的使用過程中，人們發現藍牙技術儘管有許多優點，

但仍存在許多缺陷。對工業，家庭自動化控制和工業遙測遙控領域而

言，藍牙技術顯得太複雜，功耗大，距離近，組網規模太小等，而工

業自動化，對無線資料通信的需求越來越強烈，而且對於工業現場，

這種無線資料傳輸必須是高可靠性的，並能抵抗工業現場的各種電磁

干擾。因此，經過人們長期努力，ZigBee 協議在 2003 年正式問世。

另外，ZigBee 使用了在它之前所研究過的面向家庭網路的通信協定

Home RFLite。長期以來，低價、低傳輸率、短距離、低功率的無線

通訊市場一直存在著。自從 Bluetooth 出現以後，曾讓工業控制、

家用自動控制、玩具製造商等業者雀躍不已，但是 Bluetooth 的售

價一直居高不下，嚴重影響了這些廠商的使用意願。如今，這些業者

都參加了 IEEE802.15.4小組，負責制定 ZigBee 的物理層和媒體介

12

入控制層。IEEE802.15.4 規範是一種經濟、高效、低資料速率

（

BLUETOOTH 通常能用 10M 的作用範圍。

而基於 IEEE 802.15.4 的 ZigBee 在室內通常能達到 30-50米作

用距離，在室外如果障礙物少，甚至可以達到 100 米作用距離。

所以 ZigBee 可歸為低速率的短距離無線通信技術。

Zigbee 的前景發展

ZigBee並不是用來與藍牙或者其他已經存在的標準競爭，它的目

標定位于現存的系統還不能滿足其需求的特定的市場，它有著廣闊的

應用前景。ZigBee聯盟預言在未來的四到五年，每個家庭將擁有 50

個 ZigBee器件，最後將達到每個家庭 150個。據估計，到 2007年，

ZigBee市場價值將達到數億美元。其應用領域主要包括：

◆ 家庭和樓宇網路：空調系統的溫度控制、照明的自動控制、

窗簾的自動控制、煤氣計量控制、家用電器的遠程控制等。

◆工業控制：各種監控器、感測器的自動化控制。

◆商業：智慧型標籤等。

◆ 公共場所：煙霧探測器等。

◆ 農業控制：收集各種土壤資訊和氣候資訊。

◆ 醫療：老人與行動不便者的緊急呼叫器和醫療感測器等。

14

2.6 Wi-Fi

無線網絡是 IEEE 定義的無線網技術，在 1999 年 IEEE 官方定義

802.11 標準的時候，IEEE 選擇並認定了 CSIRO 發明的無線網技術是

世界上最好的無線網技術，因此 CSIRO的無線網技術標準，就成為了

2010年無線保真的核心技術標準。

無線網絡技術由澳洲政府的研究機構 CSIRO 在 90 年代發明並於

1996 年在美國成功申請了無線網技術專利。（US Patent Number

5,487,069）發明人是雪梨大學工程系畢業生 Dr John O'Sullivan領

導的一群由雪梨大學工程系畢業生組成的研究小組。IEEE 曾請求澳

洲政府放棄其無線網絡專利，讓世界免費使用無線相容性技術，但遭

到拒絕。

澳洲政府隨後在美國通過官司勝訴或庭外和解，收取了世界上幾

乎所有電器電信公司（包括蘋果、英特爾、聯想、戴爾、AT&T、索尼、

東芝、微軟、宏碁、華碩，等等）的專利使用費。 2010年我們每購

買一台含有無線相容性認證的電子設備的時候，我們所付的價錢就包

含了交給澳洲政府的無線相容性認證專利使用費。

15

2010年全球每天估計會有 30億台電子設備使用無線網絡技術，

而到 2013年底 CSIRO的無線網專利過期之後，這個數字預計會增加

到 50億。

無線網絡被澳洲媒體譽為澳洲有史以來最重要的科技發明，其發

明人 John O'Sullivan被澳洲媒體稱為”Wi-Fi之父“並獲得了澳洲

的國家最高科學獎和全世界的眾多讚譽，其中包括歐盟機構，歐洲專

利局，European Patent Office（EPO）頒發的 European Inventor Award

2012，即 2012年歐洲發明者大獎。

無線風行，Wi-Fi也成了“巨星”。 Wi-Fi可謂是“金盔鐵甲”，

從八個方面全面包裝自己。下文分別從帶寬、信號、功耗、安全、融

網、個人服務、移動特性、客戶端全方位為您剖析 Wi-Fi的獨到之處。

更寬的帶寬雖然 IEEE啟動了兩個項目打算將 802.11標準數據速

率提高到千兆或幾千兆，但至今也還沒有形成初稿。

更實際一點的是 802.11n標準將數據速率提高了一個等級，可以

適應不同的功能和設備，所有 11n無線收發裝置支持兩個空間數據流，

發送和接收數據可以使用兩個或三個天線組合，蘋果最新的 Wi-Fi

iPod Touch就含有一顆博通（Broadcom）的無線晶片，支持 11n標

準。

16

很快將會有晶片支持三、四個數據流，數據速率可以分別達到

450Mbps和 600Mbps。 2009年初，Quantenna通信表示它已經研製成

功 4x4晶片，可以承載高清數字電視信號流。

無線相容性認證設備供應商 Ruckus 無線的共同創始人及 CTO

William Kish 說：“雖然不會有很多客戶端設備支持 4 個空間流，

只要正確設計訪問點，將可以利用 600Mbps物理層數據速率，實現高

速無線骨幹網。”

你可以通過 802.11s標準將這些高端節點連接起來，形成類似互

聯網的具有冗餘能力的 Wi-Fi網絡。

更強的射頻信號

11n 中更多可選的性能特性將會出現在無線晶片中，無線客戶端

和無線訪問點利用這些晶片可以使射頻（RF）信號更具彈性，穩定和

可靠，換句話說更像一個電線。

無線晶片製造商 Atheros公司的 CTO William McFarland說：“新

的 11n物理層技術將使 Wi-Fi功能更強大，在給定範圍內數據傳輸速

率更高，傳輸距離更長”。

17

這些性能特性包括：低密度奇偶校驗碼，提高糾錯能力；發射波

束形成，它使用來自 Wi-Fi客戶端的反饋，讓一個訪問點集中處理客

戶端的射頻信號；空間時分組編碼（STBC），它利用多重天線提高信

號可靠性。

802.11n在功耗和管理方面進行了重大創新，不僅能夠延長 Wi-Fi

智能手機的電池壽命，還可以嵌入到其它設備中，如醫療監控設備，

樓宇控制系統，實時定位跟踪標籤和消費電子產品。可以不斷地監測

和收集數據，可基於用戶的身份和位置進行個性化。

網絡世界（Network World）負責人 Craig Mathias 寫道“其它

現代射頻技術不能做到的，現在 Wi-Fi都能做到了”。

Atheros的 McFarland說：“隨著企業無線局域網的建設，這些

基礎設施已經到位，現在只需要添加低功耗傳感器就可以了”。

嵌入式 Wi-Fi無線數據通信廠商首腦會議宣布的 802.11a無線通

信以各種插件形式提供，讓設備使用不擁擠的 5GHz波段，Gainspan

提供的 11b/g無線設備帶有一個 IP軟件堆棧，電力消耗非常低，一

塊標準電池可以運行幾年，Redpine Signals提供了一個單流嵌入到

11n無線通信中。

18

2.7 Apache

Apache HTTP Server（簡稱 Apache）是一個開放原始碼的網

頁伺服器，可以在大多數電腦作業系統中執行，由於其跨平台和安全

性。被廣泛使用最流行的 Web 伺服器端軟體之一。它快速、可靠並

且可通過簡單的 API 擴充，將 Pel／Python 等直譯器編譯到伺服器

中。

圖 9.Apache 伺服器

19

第三章系統架構及功能

在本系統架構下，每一個家電都是可以彼此通訊的網路節點，其

中包括自行組網的 ZigBee網路，透過 Raspberry pi可以連接 Wi-Fi、

Zigbee等無線通訊，以及網際網路與雲端伺服機。例如燈光或空調

系統，結合光照度與溫濕度感測器，採用 ZigBee網路。一般使用插

座的家電，可製作 ZigBee插座。此外，家電內建(或外掛)Zigbee模

組或 Wi-Fi模組，除可單獨與智慧型手機連線互動外，亦可透過

Raspberry pi與 ZigBee網路互動。

圖 10.預想之系統架構圖

20

3.1硬體電路

1.藍牙/Wi-Fi 外掛式家電控制模組

使用 HT66FU50晶片，連接 BLE模組 BM79BLEDKMC2與霍爾元件

ACS712，並內建紅外線發射模組，製作一款具有藍牙無線傳輸、智慧

電表與紅外線遙控功能的外掛式家電控制模組，如圖 11、12。

圖 11.HT66FU50之模組架構圖

圖 12.模組電路圖及成品圖

使用 TICC2530晶片，連接 GS1011MP模組與霍爾元件 ACS712，並

內建紅外線發射模組，製作一款具有 Wi-Fi無線傳輸、智慧電表與紅

外線遙控功能的的外掛式家電控制模組。這兩款都具有與其它家電互

動的功能，如圖 13。

21

圖 13.CC2530外掛式家電控制模組架構圖

2.EA100插座

EA100(圖 14)插座是整合數位電力量測與插座用電管理技術，可

滿足使用者對家庭電器耗能資訊的需求，並可將相關耗能資訊轉換成

費用及碳足跡，改善使用者的家電使用習慣，並降低耗能浪費與節約

能源之目的。其內建霍爾元件能自動偵測使用電器之耗電量，而我們

則將其嵌上一 CC2530晶片，使其有連網功能，能和 Raspberry Pi組

網。

圖 14.具 Zigbee功能之 EA100插座

22

3. Raspberry pi 節能監控伺服機

使用 Raspberry pi 做伺服主機，使用 Edimax的 USB型 Wi-Fi模

組，藍牙 4.0的 USB模組，以及透過 Tx，Rx串列通訊接腳連接

TI-CC2530系統晶片做為 ZigBee網路節點，透過三種通訊介面連結

Wi-Fi，BLE與 ZigBee網路家電。Raspberry pi 晶片程式撰寫可執

行的互動節能方案，透過手機設定或來自雲端的遠距控制，設定節能

方案的執行方式。圖 15 顯示 Raspberry pi監控伺服機架構。

圖 15.Raspberry pi監控伺服機架構

23

3.2軟體設計

1.嵌入式晶片韌體程式

TI-CC2530晶片的韌體程式開發程式是 IAR。HT66FU50韌體設計

使用 HT-IDE 3000整合開發環境。撰寫這兩個晶片韌體程式包括(1)

硬體層的定義，配合硬體電路的規劃，方便函式庫與主程式使用。(2)

針對UART、IIC等介面電路的資料傳輸，必須先建置好相對的函式庫。

(3)主程式的流程規劃必須配合實際的功能規劃，並訂定與其他裝置

連接的傳輸通訊協定。家電裝置的程式流程如下：裝置 POWER ON或

RESET後，先初始化晶片，等待外部信號(如「Raspberry pi節能監

控伺服機」與手機)透過 BLE/Wi-Fi下達控制開關或調變功能指令。

裝置定時將耗電資料回傳到手機或「Raspberry pi節能監控伺服

機」。

圖 16.IAR之使用介面

24

2.Raspberry Pi監控網頁

在 Raspberry pi節能監控伺服機使用 Apache Server架設一個

網路伺服主機，並使用 PHP程式撰寫雲端家電節能監控管理程式。透

過 MySQL資料庫記錄家電監控狀態與耗電狀況，可直接監控遠端的家

電。人們只要使用能連接網際網路的裝置，如個人電腦、平板電腦，

手機上網，都可以做無所不在的節能監控。

3. Raspberry Pi 內部程式

在設定 Raspberry Pi內部功能時須使用其內建之撰寫軟體(圖

17)，再設置好基本設定和通訊協定之後，即可使用 Putty(圖 18)來

和一般 PC做連線，以方便使用和接下來的程式撰寫。

圖 17.Raspberry Pi內部之撰寫程式

圖 18.Putty連線介面

25

3.3節能方案

(1)用電優先順序與排程方案：

家電耗電分析與節能策略規劃，就可以按優先順序排定家電開關，

並在超出額定耗電量時，優先卸載非必要用電。例如洗衣機可排定在

離峰時段啟動；烤箱與吹風機高耗電量的電器可優先卸載….等。依

據資訊工業策進會「能源管理系統應用發展趨勢分析」，只要用戶能

即時掌握各時段的用電費率與用電模式，可對用電成本較具概念，自

然而然在生活中也會節約用電，估計可減少至少 5～15%能源消費。

在實際展示時，節能監控器隨時顯示三組 EA100上的電器總耗電

量，當超過額定值，會先卸載非必要電器。並設定與展示排程控制。

表 1顯示常用家電的耗電分析與策略規劃。

表 1︰常用家電的耗電分析與策略規劃類別電器名稱耗電(W) 節能策略規劃

空調

冷氣機 1200~2000W 依環境舒適調變風扇 10~50W 依環境舒適調變除濕機 ~200W 依環境舒適調變電暖器 ~1200W 依環境舒適調變

照明日光燈組 100-200W 依照明需求調變小檯燈 10-50W 依照明需求調變

生活家電

烤箱 600-1100W 可優先卸載吹風機 300-900W 可優先卸載電視音響 ~200W 次優先卸載電冰箱 ~200W 非優先卸載電熱水機 ~8800W 可排程控制開飲機 ~800W 可排程控制電鍋 ~800W 可排程控制洗衣機 ~500W 可排程 (離峰)

26

(2)空調設備互動節能方案

空調類的電器，冷氣機耗電遠高於風扇，因此搭配溫濕度感測器

的位置與溫度值，節能監控器調變冷氣機與風扇段數，並立即顯示兩

個電器耗電量變化，透過兩空調電器與感測器的互動，達到兼顧空調

得舒適性與節能效益。如圖 19所示。

圖 19.空調互動節能方案示意圖

(3)照明設備互動節能方案

日光燈組是配置在大空間，小檯燈則分散局部區域。在展示時，

搭配照明感測器的位置與光照度大小，節能監控器調變日光燈組，並

立即顯示兩個電器耗電量變化，透過兩照明與感測器的互動，達到兼

顧照明舒適性與節能效益。如圖 20所示。

27

圖 20.照明互動節能方案示意圖

(4)雲端互動家電節能方案

由於 Raspberry pi建置雲端伺服主機，上述的家電的互動監控

設定與執行，都可透過 PHP程式撰寫雲端家電節能監控管理程式。因

此使用者可以使用遠端電腦或行動手機連接 Internet，即可利用網

頁瀏覽，直接監控家電，掌握家裡的用電狀況，或變更家節能互動方

案的設定，達到節能的效益。

28

第四章製作方式及過程

4.1 CC2530軟韌體程式撰寫及硬體製作

在 Zigbee及 Wi-Fi的轉換過程中，需要使用 CC2530作為訊號轉

換之閘道器，故須先設定其韌體程式，使其符合所需之功能，本專題

中使用 IAR 7.6來建置基本之晶片腳位設定，再者，為符合本專題需

要，也使用相同軟體一併建置 CC2530之軟體程式。圖 21。

而過程中需設定其 Zigbee所發射之 RF訊號，必須要對應相對的

設備，日後才能以此系統做控制。

圖 21.使用 IAR撰寫 CC2530閘道器之韌體程式

29

硬體方面，使用外嵌式概念，將 CC2530和 Wi-Fi轉接板分開，此

優點為 CC2530可單獨使用，以利節省空間。而在 Wi-Fi轉接板上有

預留藍牙晶片的空間，未來若有需要擴張，只需將晶片以插拔方式安

裝即可，省去焊接的麻煩。

圖 22.Wi-Fi板配置圖

30

圖 23.Wi-Fi板上各元件之接腳圖

4.2 Raspberry Pi內部設定

本專題中需用到 MySQL及 PHP程式，但這些軟體在 Raspberry Pi

中並未內建，所以必須額外做安裝設定，而在安裝這些軟體前必須先

將板子的初始值設定好，否則不但無法安裝，還會出現許多錯誤。

(1)設定語言(UTF-8)及記憶體分配(圖 24)

(2)網路設定，使用$sudonano /etc/hosts 指令進入網路設定

(3)安裝 Apache Server對應指令為

sudo apt-get install apache2 –y

(3) 寫入 PHP程式編碼

sudo apt-get install php5 libapache2-mod-php5 –y

(4) 安裝 MySQL伺服器(圖 25)

sudo apt-get install mysql-server

sudo apt-get install mysql-client

31

(5) 撰寫伺服器路徑及其他設定

sudonano /etc/nginx/sites-available/default

# Please see /usr/share/doc/nginx-doc/examples/ for more

detailed examples.

##server {

#listen 80; ## listen for ipv4; this line is default and

implied

#listen [::]:80 default_server ipv6only=on; ##

listen for ipv6

listen 80;

server_name $domain_name;

root /var/www;

index index.html index.htm;

access_log /var/log/nginx/access.log;

error_log /var/log/nginx/error.log;

# Make site accessible from http://localhost/

server_name localhost;

location /

32

圖 24.Raspberry Pi設定使用編碼

圖 25.設定 MySQL使用者密碼

33

4.3軟體程式撰寫

在現在人手一支智慧型手機的情況下，手機本身有專屬網頁瀏覽

器已相當普及，為求使用上之便利性和行動裝置之通用性，所以專題

使用網頁監控方式進行控制，此種方式無論任何廠牌的行動裝置皆適

用，不會受到作業系統不同而受限。

網頁撰寫最常見為 HTML，但因今日有牽涉到數據傳輸，HTML語

法較不適合，所以用 PHP語法來做為資料傳輸的工具，而 HTML與法

則做為顯示用。

圖 26.使用 Notepad++撰寫 PHP程式

34

第五章系統整合及功能展示

啟動 Raspberry Pi和閘道器之後，稍等 1~2分鐘使其互相連接

後即可開啟手機或 PC的瀏覽器，輸入 Raspberry Pi的 IP位址之後，

即可使用此套整合系統。

圖 27.Raspberry Pi和閘道器運作之情形

圖 28.控制網頁畫面 35

在每開啟或關閉某一電器時，Raspberry Pi將會收集其耗電量並

上傳至MySQL資料庫，並利用這些資料進行分析，除蒐集用電習慣外，

還能計算此次用電之電費，並依照所蒐集的耗電量進行節能之監控，

卸除不必要之用電，已達到省電的效果。

圖 29.耗電量顯示及電費計算畫面

36

第六章結論

本作品使用 Raspberry pi 2B晶片，建置 Apache Server，透過

ZigBee、Wi-Fi、藍牙等網路通訊介面，將家庭常用電器如空調、照

明、與電器用品，彼此相互連線，構成家電可以彼此互動的網路監控

平台。提供一般家用電器具備無線上網與智慧電表功能的家電。智慧

型手機/平板等行動裝置或遠端電腦，可直接開關與監控家電，並取

代紅外線遙控器控制家電功能。內建智慧電表功能，將耗電狀況傳到

智慧型手機，提供使用者隨時掌握家電用電狀況，並可搭配環境感測

裝置，設定最佳環境溫濕度照明，提供具有居家節能監控與舒適便利

功能的智慧生活。

物聯網應用將成為 21世紀引導全球經濟發展和社會進步的重要

產業，涵蓋範圍非常廣泛。根據瑞典 Berg Insight AB研究指出，到

2016年全球有3,790萬台消費性M2M裝置會內嵌行動通訊連網能力。

綠色節能智慧生活應用將是這個產業的重要核心，相信未來物聯網引

進我們日常生活的家電產品中，已是指日可待。相關應用產品，勢必

成為科技界爭相研發的熱門主題。預估未來商機無限。作品針對「通

訊介面與協定的整合」，「互動節能方案」兩個課題進行研究，

Raspberry扮演重要角色，研究成果將可提供未來研發的參考，讓物

聯網應用在家電節能上發揮實質功能與效益。

37

文獻資料 [1] Teach, Learn, and Make with Raspberry Pi

網址:https://www.raspberrypi.org/ 2015/11/30

[2] Raspberry Pi台灣樹莓派

網址: http://www.raspberrypi.com.tw/ 2015/11/30

[3]楊勝帆，”物聯網大趨勢”，拓墣產業，研究所 June, 2014.

[4]家庭節約能源手冊 -財團法人台灣綠色生產力基金會，節能服務網，2009

網址: http://www.ecct.org.tw/print/files/家庭節約能源手冊

_980907_web.pdf 2015/12/5

[5] 能源管理系統應用發展趨勢分析，財團法人資訊工業策進會，經濟部 2010

http://km.twenergy.org.tw/ReadFile/?p=KLBase&n=2012621171753.docx

2015/12/26

[6] I. A. Zualkernan, A. R. Al-Ali, M. A. Jabber and I. Zabalawi, "InfoPods:

ZigBee-based remote information monitoring devices for smart-homes,"

IEEE Trans. Consumer Electronics, vol. 55, no. 3, pp. 1221-1226, Aug.

2009.

[7] J. E. Kim, G. Boulos, J. Yackovich and T. Barth, "Seamless Integration

of Heterogeneous Devices and Access Control in Smart Homes," in Proc. 8th

International Conference on Intelligent Environments(IE 2012), pp.

206-213, June 2012.

[8] Minal S. Khandare ;Anjali MahajanMobile,"Monitoring System for Smart

Home ,Emerging Trends in Engineering and Technology (ICETET)", 2010 3rd

International Conference on .pp. 848 – 852,2010.

[9]Holetk Semiconductor Inc，“Datasheet of HT66Fxx”

http://www.holtek.com.tw/chinese/docum/uc/66fx0.htm

ISSC Technologies Corp,” Datasheet of HT66Fxx

38

https://www.raspberrypi.org/http://www.raspberrypi.com.tw/http://www.ecct.org.tw/print/files/%E5%AE%B6%E5%BA%AD%E7%AF%80%E7%B4%84%E8%83%BD%E6%BA%90%E6%89%8B%E5%86%8A_980907_web.pdfhttp://www.ecct.org.tw/print/files/%E5%AE%B6%E5%BA%AD%E7%AF%80%E7%B4%84%E8%83%BD%E6%BA%90%E6%89%8B%E5%86%8A_980907_web.pdfhttp://km.twenergy.org.tw/ReadFile/?p=KLBase&n=2012621171753.docx

DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGYDEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERINGHSIUPING UNIVERSITY OF SCIENCE ANDTECHNOLOGY摘要第二章相關原理及技術03第三章系統架構及功能020第四章製作方式及過程029第五章系統整合及功能展示035第六章結論037文獻資料038圖1.專題架構圖02圖2.Raspberry Pi 的外型03圖3.Raspberry Pi 功能04圖4.CC2530接腳圖06圖5.CC2350電路描述方塊圖08圖6.Notepad++程式介面及所支持的程式語法09圖7.MySQL資料庫介面010圖8.德州儀器公司推出第一顆的Zigbee晶片CC2480011圖9.Apache Server019圖10.實際之系統架構圖020圖11.HT66FU50之模組架構圖021圖12.模組電路圖及成品圖021圖13.CC2530外掛式家電控制模組架構圖022圖14.具Zigbee功能之EA100插座022圖15.Raspberry pi監控伺服機架構023圖16.IAR之使用介面024圖17.Raspberry Pi內部之撰寫程式025圖18.Putty連線介面025圖19.空調互動節能方案示意圖027圖20.照明互動節能方案示意圖027圖21.使用IAR撰寫CC2530閘道器之韌體程式029圖22.Wi-Fi板配置圖030圖23.Wi-Fi板上各元件之接腳圖030圖24.Raspberry Pi設定使用編碼033圖25.設定MySQL使用者密碼033圖26.使用Notepad++撰寫PHP程式034圖27.Raspberry Pi和閘道器運作之情形035圖28.控制網頁畫面035圖29.耗電量顯示及電費計算畫面036表1︰常用家電的耗電分析與策略規劃026第一章緒論

修平科技大學...

Documents