藍(lán)色家電是融合IT技術(shù)的新型家用電器，也是在傳統(tǒng)家電基礎(chǔ)上，提升其性能，成為更強(qiáng)大的新一代電器。一般說法是：只要能夠與網(wǎng)際網(wǎng)路相連結(jié)的家電產(chǎn)品，都可以稱為藍(lán)色家電。因此藍(lán)色家電產(chǎn)品種類很多，有網(wǎng)路電冰箱、網(wǎng)路洗衣機(jī)，網(wǎng)路電視、還有通訊功能的手持行動裝置，如智慧型手機(jī)、平板電腦，筆記型電腦等。藍(lán)色家電的應(yīng)用，涵蓋領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，主要以滿足家庭生活四大需求：資訊取得、娛樂休閑、通信溝通和家庭自動化。展望未來，藍(lán)色家電勢必將逐漸成為未來家電市場的主角，提供人們更便捷的數(shù)位生活機(jī)能。
目前市場上藍(lán)色家電仍在萌芽階段，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍在整合中，真正販?zhǔn)郛a(chǎn)品仍不普及，且集中在少數(shù)高單價(jià)且功能較複雜家電產(chǎn)品。一般家庭使用機(jī)會少，尤其是低價(jià)且使用量多的家電產(chǎn)品，短期內(nèi)要全面改裝設(shè)計(jì)成藍(lán)色家電，有其困難度。一般家庭接觸機(jī)會少，導(dǎo)致一般民眾要接受度不高，藍(lán)色家電要全面推廣與普及化，仍有很長的路要走。
藍(lán)色家電連上網(wǎng)路的方案很多，目前常見的Ethernet、Wi-Fi或ZigBee網(wǎng)路，都可連接到Internet。由於家電大多配置在家庭或辦公室中，且節(jié)點(diǎn)眾多，Ethernet以有線方式配置，家電多一條網(wǎng)路線並不適合。Wi-Fi與ZigBee都採用無線方式上網(wǎng)，且多點(diǎn)配置容易，目前Wi-Fi又比ZigBee網(wǎng)路更為普及，因此Wi-Fi上網(wǎng)應(yīng)該是藍(lán)色家電的首選。此外，家電分佈在家庭的各個房間，如何整合上網(wǎng)，也是一個大問題。G.hn是最新一代的電力線通訊規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，將可解決智慧家庭連網(wǎng)的問題。The Sigma Designs 推出的G.hn CG5200HEP series的智慧家庭連網(wǎng)模組，可提供藍(lán)色家電在不同房間與空間的連網(wǎng)管道，強(qiáng)化藍(lán)色家電上網(wǎng)功能。
現(xiàn)在人幾乎人手一支智慧型手機(jī)，而且隨著智慧手機(jī)的不斷演進(jìn)，擁有的功能越來越豐富。如何讓智慧型手機(jī)與藍(lán)色家電結(jié)合，也是現(xiàn)今熱門的研究主題。藍(lán)牙低功耗(Bluetooth Low Energy, BLE)是最新推出的藍(lán)牙4.0技術(shù)，提供智慧型手機(jī)與其他裝置更便利的互動，若能引進(jìn)藍(lán)色家電領(lǐng)域，相信延伸出更多智慧型手機(jī)與家電之間互動的功能。例如以智慧型手機(jī)取代家電的紅外線遙控器。
近年來環(huán)保意識抬頭，綠色節(jié)能已成為普世的價(jià)值。如何運(yùn)用現(xiàn)代先進(jìn)科技，提出綠色節(jié)能的解決方案，已經(jīng)成為大家努力的目標(biāo)。一般家電的單一耗電量的比重雖然不大，但數(shù)量龐大且使用頻繁，若能適當(dāng)節(jié)約控制使用，可省下的電能也相當(dāng)可觀。近年來政府大力推動智慧電網(wǎng)（Smart grid），通過智慧電表（Smart meter），隨時(shí)監(jiān)測電力使用的狀況，或調(diào)整家電及企業(yè)用戶的耗電量，將可降低損耗，達(dá)到節(jié)約能源的目的。因此藍(lán)色家電若能內(nèi)建智慧電表，透過上網(wǎng)功能，便能成為智慧電網(wǎng)的一環(huán)，除提供便捷的家庭自動化功能外，還可成為具有綠色節(jié)能概念的藍(lán)色家電。
基於上述市場考量，本作品先從通用型外掛式藍(lán)色家電模組著手，只要一般家電使用電源插頭插上藍(lán)色家電模組，即可升級為具有網(wǎng)路遠(yuǎn)端監(jiān)控能力的藍(lán)色家電。因此很容易讓目前各種電器產(chǎn)品升級為藍(lán)色家電。當(dāng)一般家庭有更多機(jī)會接觸藍(lán)色家電，建立一般民眾使用概念與熟悉操作技巧後，一般家電製造商就可以認(rèn)真考慮，將成熟的外掛式藍(lán)色家電模組，直接內(nèi)建到家電內(nèi)部。屆時(shí)，市場將有龐大需求，藍(lán)色家電普及化，指日可待。
盛群半導(dǎo)體的HT66FU50晶片是快閃記憶體A/D型8位高性能RISC架構(gòu)微控制器。內(nèi)建的UART模組功能，是支援資料通信網(wǎng)路之間的低成本微控制器。家電上網(wǎng)並與智慧型手機(jī)連線功能，就可透過UART模組連接目前常用的BLE模組做通訊傳輸，可做成具上網(wǎng)功能的家電設(shè)備。此外，HT66FU50晶片的多通道12位A/D轉(zhuǎn)換器和雙通道比較器功能，可提供霍爾元件偵測家電耗電量，提供家電具有智慧電表功能。因此HT66FU50晶片很適合用來開發(fā)具有綠色節(jié)能概念的藍(lán)色家電。
本作品使用HT66FU50晶片結(jié)合BLE/IR技術(shù)、智慧電表概念，製作外掛式藍(lán)色家電模組，提供目前一般家電，透過BLE、Wi-Fi網(wǎng)路、紅外線遙控技術(shù)，G.hn，整合到物聯(lián)網(wǎng)上，成為行動監(jiān)控與智慧電網(wǎng)的一環(huán)，提供具有居家節(jié)能監(jiān)控與舒適便利功能的智慧生活。作品規(guī)劃構(gòu)想如圖1。
藍(lán)色家電具體實(shí)現(xiàn)綠色居家節(jié)能監(jiān)控與舒適便利功能的智慧生活功能如下：
(1)使用者透過智慧型手機(jī)/平板等行動裝置，以藍(lán)牙無線傳輸方式，無所不在的開關(guān)家電，並取代紅外線遙控器設(shè)定與調(diào)變家電功能，提供人們更為便捷的智慧生活。
(2)藍(lán)色家電的智慧電表功能，協(xié)助使用者隨時(shí)掌握家電用電狀況，提醒用戶節(jié)能。
(3)提供藍(lán)色家電節(jié)電管理功能，例如排程功能：在指定時(shí)間開啟/關(guān)閉或改變家電的使用模式。在契約容量的監(jiān)控上，對過量用電做自動卸載功能，提供一個具有環(huán)保節(jié)能概念的居家環(huán)境。
(4)藍(lán)色家電搭配環(huán)境感測裝置(如溫、濕、光感測器)，預(yù)設(shè)最佳環(huán)境溫濕度狀態(tài)，自動調(diào)節(jié)空調(diào)與照明家電電源。提供更優(yōu)質(zhì)的居住環(huán)境品質(zhì)。
家庭自動化與家電的遠(yuǎn)端監(jiān)控的研究相當(dāng)多，但使用BLE與G.hn並結(jié)合智慧型手機(jī)的相關(guān)技術(shù)與研究，仍是一塊有待開發(fā)的領(lǐng)域。智慧型手機(jī)取代紅外線遙控器的運(yùn)用，目前仍少見，相信未來的藍(lán)色家電，一定會往此方向發(fā)展。我們想將此概念與技術(shù)導(dǎo)入藍(lán)色家電，創(chuàng)造新的價(jià)值與應(yīng)用，相信可以將藍(lán)色家電賦予綠色節(jié)能的新概念。
工作原理
本作品使用嵌入式晶片與介面技術(shù)、BLE藍(lán)牙通訊、紅外線遙控(IR)與智慧電表技術(shù)，研發(fā)外掛式藍(lán)色家電模組的硬體電路與韌體程式。將目前常見的家電透過電源插座或紅外線遙控訊號，連接外掛式藍(lán)色家電模組，將一般家電提升到準(zhǔn)藍(lán)色家電的位階。透過BLE與智慧手機(jī)、並運(yùn)用G.hn智慧家庭連網(wǎng)模組，整合到物聯(lián)網(wǎng)上，成為行動監(jiān)控與智慧電網(wǎng)的一環(huán)。藍(lán)色家電工作原理如圖2，功能說明如下：
(1)使用HT66FU50晶片，連接BLE模組BM79BLEDKMC2與霍爾元件ACS712，製作一款具有藍(lán)牙無線傳輸與智慧電表功能的外掛插座型模組，提供目前一般家電透過電源插座連接，使其具有藍(lán)色家電功能。
(2)針對具有紅外線功能的家用電器，內(nèi)建紅外線遙控功能的外掛無線轉(zhuǎn)換模組，提供目前一般紅外線搖控家電使用。
(3)藍(lán)色家電可使用具有藍(lán)牙4.0智慧型手機(jī)，透過App程式，可直接開關(guān)家電，可調(diào)控紅外線家電。家電開關(guān)狀態(tài)耗電量可直接上傳到手機(jī)上。
(4)手機(jī)可將開關(guān)狀態(tài)與耗電量透過G.hn 智慧家庭連網(wǎng)模組(CG5200HEP)，連接到雲(yún)端伺服機(jī)做節(jié)能監(jiān)控。
以下簡單摘要介紹本作品使用的HT66FU50晶片BLE技術(shù)與模組晶片、智慧電表功能與ACS712-霍爾元件、G.hn 智慧家庭連網(wǎng)模組(CG5200HEP)。
1.HT66FU50晶片
HT66FU50單晶片是一款「A/D型具有8 位元高性能精簡指令集的Flash 單晶片」，其 Flash 記憶體可重覆多次線上燒錄。這款單晶片包含一個多通道 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器和雙比較器功能。HT66FU50具有高抗雜訊、具備省電模式與喚醒功能，低功率耗電、價(jià)格便宜…等功能與特性。HT66F50單晶片內(nèi)建完整的SPI、I2C與UART功能，為設(shè)計(jì)者提供了一個易與外部硬體通信的介面。可應(yīng)用在一般消費(fèi)電子上。本作品的感測器需要用到各種介面，可充份利用HT66FU50晶片的功能特性。
2.BLE技術(shù)與模組晶片
藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟最新推出主打低功耗4.0版本，目前已有相關(guān)產(chǎn)品上市，是一項(xiàng)低功耗無線通信技術(shù)的國際標(biāo)準(zhǔn)。在藍(lán)牙4.0規(guī)格中有效傳輸距離可明顯提升至最高約60公尺。製造商可以自行根據(jù)產(chǎn)品屬性調(diào)整其射頻範(fàn)圍，讓藍(lán)牙傳輸?shù)膽?yīng)用範(fàn)圍有效拉大。BLE優(yōu)點(diǎn)包括：與傳統(tǒng)藍(lán)牙和無線網(wǎng)路相比：功耗更低，連接速度更快，與ZigBee技術(shù)相比，通訊協(xié)定更簡單，抗干擾性能更好。與其他2.4GHz的私有技術(shù)相比：通用性和互通性更好。本作品使用的BM77SPP03MC2藍(lán)牙模組，包含有藍(lán)牙3.0標(biāo)準(zhǔn)SPP與藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)藍(lán)牙模組。可透過UART介面與微控制器連接。
3.ACS712-霍爾元件
ACS712是專為工業(yè)、商業(yè)和通信系統(tǒng)中的交流或直流電流感測，提供精確的解決方案的霍爾元件電流偵測器。應(yīng)用範(fàn)圍包括電動機(jī)控制、載荷檢測和管理、開關(guān)式電源和過電流故障保護(hù)。ACS712感測元件具有精確的低偏置線性霍爾感測器電路。ACS712 採用小型表面安裝SOIC8封裝。
4.G.hn 智慧家庭連網(wǎng)模組
本作品使用的G.hn 智慧家庭連網(wǎng)模組是Sigma Designs公司的G.hn CG5200HEP系列產(chǎn)品。G.hn是1Gpbs透過一般插座橋接電力線與乙太網(wǎng)路設(shè)計(jì)而成。CCG5200HEP提供一個完整的開發(fā)工具，支援持MIMO（多輸入，多輸出）和SISO單輸入單輸出（單輸入單輸出）G.hn模式。 CG5200HEP操作範(fàn)圍在85-265VAC，50 /60Hz和在不同國家或地區(qū)，提供不同的交流插頭和插座。實(shí)體照片如圖4。
作品結(jié)構(gòu)
1.硬體電路設(shè)計(jì)
本作品在硬體電路設(shè)計(jì)使用HT66FU50晶片、BLE模組晶片、ACS712-霍爾元件、紅外線發(fā)射電路、電源插座配合繼電器等元件，製作藍(lán)色家電模組電路，電路規(guī)劃之方塊圖如圖5。電路與實(shí)體如圖6。設(shè)計(jì)說明如下：
(1) 使用HT66FU50晶片TX與RX接腳連接BM79BLEDKMC2模組UART串列通訊腳。
(2) HT66FU50晶片的AN0連接ACS712 霍爾元件ADC 腳位元，主要用來量測交流電流與電壓。
(3) HT66FU50晶片的GPIO的接腳連接繼電器做輸出的節(jié)點(diǎn)，控制家電電源開關(guān)。
(4) HT66FU50晶片的GPIO接腳連接LED，做為紅外線IR發(fā)射模組。
| 圖6 : 藍(lán)色家電模組電路 (註: 測試用原型電路) |
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2.HT66FU50韌體程式
HT66FU50韌體設(shè)計(jì)使用HT-IDE (Holtek Integrated Development Environment)- IDE3000整合開發(fā)環(huán)境。藍(lán)色家電的HT66FU50軔體程式開發(fā)，包括下列幾個部份重點(diǎn)：
(1)硬體層的定義，必須配合硬體電路的規(guī)劃，方便函式庫與主程式的使用。
(2)針對UART、ADC等介面電路的資料傳輸，必須先建置好相對的函式庫，方便主控程式取用。例如ADC，UART通訊傳輸，依照Data Sheet，建置函式庫，主程式可直接使用。
(3)智慧電表功能是使用ACS712 霍爾元件透過A/D 轉(zhuǎn)換後套入公式計(jì)算出實(shí)際電流值。計(jì)算交流電流值是利用積分方式取得轉(zhuǎn)換之AD 值。換算公式是透過量測數(shù)據(jù)與實(shí)際電流做校準(zhǔn)分析，得出校準(zhǔn)曲線斜率得知。藍(lán)色家電的耗電量就可以透過UART發(fā)出無線傳輸訊號。耗電量超過某一內(nèi)設(shè)數(shù)值，立即透過GPIO接腳的Off電源。此外，亦可透過外部電源管理系統(tǒng)發(fā)出指令，開關(guān)電源。
(4)藍(lán)色家電與外部裝置的通訊透過UART轉(zhuǎn)BLE無線傳輸，傳輸資料的封包格式必須先訂定通訊協(xié)定。
(5)主程式的流程規(guī)劃如下：藍(lán)色家電外掛模組啟動後，等待外部指令，並執(zhí)行功能動作，如開關(guān)繼電器，發(fā)射紅外線訊號。並定期傳送藍(lán)色家電的耗電量狀況。
3.手機(jī)App程式
智慧型手機(jī)使用Apps程式可透過BLE直接監(jiān)控藍(lán)色家電，也可以直接連接網(wǎng)際網(wǎng)路，做為藍(lán)色家電與外部網(wǎng)路轉(zhuǎn)發(fā)訊息的橋樑。Apps程式的開發(fā)，我們選用Eclipse這套軟體開發(fā)工具。本作品的Apps程式開發(fā)流程如下：
(1)首先安裝開發(fā)工具JDK(Java Development Kit)，安裝Eclipse整合開發(fā)工具，Android開發(fā)工具套件-ADT(Android Development Tools Plugin)與Android SDK工具包。開發(fā)手機(jī)應(yīng)用程式。
(2)撰寫Java人機(jī)介面與輸出入監(jiān)控程式。程式傳送的指令封包依據(jù)事先規(guī)劃好的網(wǎng)路通訊協(xié)定。封包指令可直接控制網(wǎng)路的BLE/IR藍(lán)色家電，或要求回傳藍(lán)色家電耗電量資料，並將資料顯示在手機(jī)螢?zāi)簧稀?/span>
(3)撰寫可在App程式設(shè)定排程、耗電過量卸載等功能。可接收環(huán)境感測器，並判斷回傳值後，可開關(guān)燈光與空調(diào)設(shè)備。
(4)App程式可透過Wi-Fi與G.hn 智慧家庭連網(wǎng)模組，連接遠(yuǎn)端伺服主機(jī)，將藍(lán)色家電狀況上傳遠(yuǎn)端伺服主機(jī)，也可以從遠(yuǎn)端伺服主機(jī)監(jiān)控藍(lán)色家電。
4.遠(yuǎn)端節(jié)能監(jiān)控程式
本作品遠(yuǎn)端節(jié)能監(jiān)控程式可分為PC電腦遠(yuǎn)端監(jiān)控與Web-Based雲(yún)端監(jiān)控兩部份，分別說明如下：
(1) PC電腦遠(yuǎn)端監(jiān)控：在遠(yuǎn)端PC電腦上使用VB 2010透過Socket物件，連接Wi-Fi與G.hn智慧家庭連網(wǎng)模組，監(jiān)控藍(lán)色家電。PC電腦在遠(yuǎn)端可直接開關(guān)與控制家電，或送出紅外線遙控器控制家電功能。電腦畫面顯示每個藍(lán)色家電耗電量。並提供電源管理功能，例如可預(yù)先排程在指定時(shí)間電源開關(guān)、用電量在超出容量契約時(shí)，可自動卸載非必要電力。電腦亦可顯示環(huán)境感測裝置(如溫度、光感測)，預(yù)設(shè)最佳環(huán)境溫濕度狀態(tài)，自動調(diào)節(jié)藍(lán)色家電中，可調(diào)控的空調(diào)與照明設(shè)備。提供更優(yōu)質(zhì)的居住環(huán)境品質(zhì)。
(2)Web-Based雲(yún)端監(jiān)控:在PC電腦使用Apache Server架設(shè)一個私有雲(yún)的遠(yuǎn)端伺服主機(jī)，並使用PHP程式撰寫遠(yuǎn)端監(jiān)控/雲(yún)端監(jiān)控之節(jié)能管理程式。透過MySQL資料庫與VB 2010介面監(jiān)控程式連接，可直接監(jiān)控遠(yuǎn)端的藍(lán)色家電。人們只要使用能連接網(wǎng)際網(wǎng)路的裝置，如個人電腦、平板電腦，手機(jī)上網(wǎng)，都可以透過雲(yún)端監(jiān)控，做無所不在的節(jié)能監(jiān)控。
測試方法
1.藍(lán)色家電裝置基本功能測試
啟動藍(lán)色家電外掛模組後，使用筆記型電腦的COM埠藍(lán)牙通訊介面，透過Docklight通訊測試軟體，傳送通訊協(xié)定的封包資料到藍(lán)色家電，依次測試開關(guān)電源、紅外線搖控功能、回傳耗電狀況。Docklight測試畫面如圖8。
| 圖8 : 藍(lán)色家電基本功能測試工具Dock;light |
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2.智慧型手機(jī)測試監(jiān)控
啟動藍(lán)色家電外掛模組，使用智慧型手機(jī)藍(lán)牙通訊傳送通訊協(xié)定的封包資料到藍(lán)色家電，依次測試開關(guān)電源、紅外線搖控功能、回傳耗電狀況。智慧型手機(jī)測試方法如圖9。智慧型手機(jī)採圖形控制。
| 圖9 : 智慧型手機(jī)測試監(jiān)控測試方法 |
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3.藍(lán)色家電G.hn模組連接雲(yún)端測試
藍(lán)色家電G.hn模組連接雲(yún)端測試方式有兩種，如圖10示，一種是透過手機(jī)上網(wǎng)直接到雲(yún)端伺服主機(jī)。另一種是透過G.hn模組智慧家庭連網(wǎng)模組(CG5200HEP)橋接到雲(yún)端伺服主機(jī)。由於手機(jī)是隨身攜帶，不固定放置在家庭中，因此還是以透過G.hn模組方式符合實(shí)際應(yīng)用。
| 圖10 : 藍(lán)色家電G.hn模組連接雲(yún)端測試方法 |
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4.雲(yún)端節(jié)能監(jiān)控測試
使用PC或手機(jī)上網(wǎng)，連接到雲(yún)端伺服主機(jī)的節(jié)能監(jiān)控管理網(wǎng)頁，測試項(xiàng)目如下：
(1)從節(jié)能監(jiān)控管理網(wǎng)頁點(diǎn)選家電裝置，可直接開關(guān)遠(yuǎn)端藍(lán)色家電開關(guān)，或遙控紅外線家電。
(2)測試藍(lán)色家電自動排程功能，設(shè)定電源開啟/關(guān)閉或紅外線遙控調(diào)變的時(shí)間。
(3)測試藍(lán)色家電自動卸載功能，在家庭用電超過契約容量時(shí)，自動卸載或調(diào)變藍(lán)色家電。例如超載時(shí)將冷氣或風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)耗電下降。
5.環(huán)境節(jié)能監(jiān)控測試
使用溫度感測器針對空調(diào)與風(fēng)扇這類的藍(lán)色家電的耗電量做最佳化的調(diào)變。使用光照度感測器針對燈光系統(tǒng)與檯燈這類的藍(lán)色家電的耗電量做最佳化的調(diào)變。讓生活環(huán)境的舒適度與環(huán)保節(jié)能皆能兼顧。
結(jié)語
本作品使用HT66FU50晶片，結(jié)合BLE短程無線傳輸技術(shù)、IR與智慧電表技術(shù)，製作具有綠色節(jié)能概念的外掛式藍(lán)色家電模組。一般家用電器連接外掛模組，即成為具備無線上網(wǎng)與智慧電表功能的藍(lán)色家電。透過G.hn 智慧家庭連網(wǎng)模組與網(wǎng)際網(wǎng)路連接，成為行動監(jiān)控與智慧電網(wǎng)的一環(huán)，提供具有居家節(jié)能監(jiān)控與舒適便利功能的智慧生活。
目前市場上藍(lán)色家電仍在萌芽階段，本作品採外掛式模式，可用來推廣具有節(jié)能概念的藍(lán)色家電，未來配合政府的推廣政策，市場與民眾的接受度會漸漸增高。一般家庭養(yǎng)成使用藍(lán)色家電時(shí)，家電製造商製作內(nèi)建模組，將發(fā)展出更多有趣好用的藍(lán)色家電產(chǎn)品。未來藍(lán)色家電普遍使用時(shí)，將會分佈在家庭不同房間的每個角落。相信G.hn技術(shù)連網(wǎng)模組成功整合藍(lán)色家電，相信對藍(lán)色家電的發(fā)展，將是更大的助力。
（本文作者為修平科技大學(xué)電機(jī)工程系林振漢教授、姚凱文、魏嘉宏、楊世緘、簡偉傑）
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