結合RFID/霍爾元件/溫度傳感器　MCU給電源插座上鎖

　　由于高性能電子產(chǎn)品的增加與環(huán)保意識的抬頭，不論是智慧型手機、電動(dòng)汽機車(chē)皆對于電源的需求量大增，為了使用上的方便，將可望于自家室外或公眾場(chǎng)合的電源插座增加上鎖的功能。

　　本系統提供一個(gè)擁有上鎖功能的安全電源插座，使插座安裝于公開(kāi)場(chǎng)所，除可安心的使用外，亦可達到杜絕竊電行為或是使用者付費，如悠游卡或門(mén)禁系統般的機制，去限制電源插座的使用。

　　具上鎖功能電源插座應用廣泛

　　電跟水是人類(lèi)生活中不可或缺的資源，在戶(hù)外有些人會(huì )將自己私人的水龍頭上鎖，防止其他人隨意使用。但若是戶(hù)外電源插座未配備上鎖功能，將容易遭他人濫用。鑑于此點(diǎn)，本文將分享如何製作具上鎖功能的電源插座。

　　現今仍有許多公眾場(chǎng)所的電源插座，并不提供大眾任意使用，于是在電源插座多加蓋子再貼上緊告標語(yǔ)，或將電源插座隱藏，但這樣只有做到警示或隱藏的效果，卻無(wú)法真正達到防止遭他人使用的目的。

　　本系統基于在使用者付費或是防止竊電的前提下，利用無(wú)線(xiàn)射頻辨識系統（RFID）技術(shù)來(lái)進(jìn)行對使用者的判別，使設置在公眾場(chǎng)合的電源插座受到保護。在安全考量下，一般市面上過(guò)載保護，絕大多數是使用無(wú)熔絲開(kāi)關(guān)，無(wú)熔絲開(kāi)關(guān)的保護塬理是採用金屬受熱改變彎曲程度，以判別是否過(guò)載，但釀成意外時(shí)，都是電纜的絕緣過(guò)熱熔毀，而無(wú)熔絲金屬片尚未跳脫。也因此，本系統除無(wú)熔絲開(kāi)關(guān)外，并增加一溫度感測器，緊貼于電纜外皮，以偵測電纜外皮是否達到溫度上限。

　　在使用者付費的觀(guān)念下，電源插座開(kāi)發(fā)商可運用庫倫量測法，計算使用者的電流用量。方法是藉由霍爾元件偵測電流值，然后用積分法加以運算，可得到總用電量，并可依據電源的使用量多寡，對于使用者進(jìn)行收費。

　　市面上的產(chǎn)品及現有的中華民國專(zhuān)利，都只具有觸電防護、過(guò)電保護、選擇供電、通用序列匯流排（USB）充電功能，但本系統除具備上述功能之外，亦增加防盜竊電功能（表1）。本系統的應用範圍相關(guān)廣泛，不僅可用于自家室外，也可以安裝于捷運站、休息站、便利商店等公眾場(chǎng)合，結合悠游卡使用，或是安裝于社區大廳、交誼廳等，如同門(mén)禁的感測裝置。此外，本裝置如同一般插座，在不使用時(shí)，完全是不消耗任何電力，不會(huì )造成額外的電費支出。

　　具上鎖功能電源插座工作塬理

　　本系統藉由微控制器（MCU）提供輸入輸出（I/O）、類(lèi)比數位（A/D）轉換、計時(shí)中斷等功能，再利用RFID技術(shù)判別使用者后，利用LM35DZ感測電纜溫度，當溫度安全后，進(jìn)行供電，再藉由霍爾元件得到電流量后，用于電量計算。

　　本系統係利用感應器發(fā)射無(wú)線(xiàn)電波，觸動(dòng)感應範圍內的RFID標籤，藉由電磁感應產(chǎn)生電流，供應RFID標籤上的晶片運作，并發(fā)出電磁波回應感應器。當回應的電波為當初所設定的特定頻率時(shí)，MCU的I/O接腳發(fā)出高電位觸發(fā)繼電器，使插座通電。

　　而霍爾元件係根據霍爾效應，進(jìn)行磁電轉換的磁敏元件，其工作塬理為：霍爾元件是一個(gè)N型半導體薄片，若在其相對兩側通以控制電流，而在薄片垂直方向加以磁場(chǎng)勢，則在半導體另外兩側便會(huì )產(chǎn)生一個(gè)大小、電流和磁場(chǎng)的乘積成正比的電壓，再利用MCU的A/D功能換算成流經(jīng)電流的大小，并透過(guò)計時(shí)中斷的功能A/D 換算得到的電流，進(jìn)行庫倫量測運算。

　　具上鎖功能電源插座架構

　　本系統與市售電源插座，在大小方面皆為相同，且同樣可選擇安裝插座或開(kāi)關(guān)，但于外觀(guān)上，多了USB電源孔、發(fā)光二極體（LED）指示燈及一個(gè)無(wú)熔絲開(kāi)關(guān)。內部透過(guò)霍爾元件來(lái)計算使用的電流量，以及溫度感測器感測電線(xiàn)的安全溫度，最后加上RFID模組，對使用者的使用加以控制。

　　系統流程方面（圖1），在無(wú)熔絲開(kāi)關(guān)打開(kāi)后，MCU進(jìn)入初始化階段，在判別是否有人使用前，會(huì )先進(jìn)行溫度感測，若溫度在安全範圍，將開(kāi)始接收RFID訊號，當正確的使用者每感應一次RFID，都將回傳至MCU，使暫存器Money值+1。

　　圖1 具備可上鎖功能電源插座系統流程圖

　　每Money的值可使用USB充電，電量為500mAh。在進(jìn)行供電后，使用的電量將會(huì )經(jīng)由霍爾元件，并透過(guò)庫倫量測法去計算使用量，當使用量超過(guò)使用者選擇的上限時(shí)，將自動(dòng)斷電。

　　庫倫測量法簡(jiǎn)介

　　庫倫測量法將使用的電流值對時(shí)間積分來(lái)計算電流的總流量，并以使用的時(shí)間積分得到總用量Ah，如公式（1）

　　公式（1）

　　其中，id（t）為隨著(zhù)時(shí)間而改變的電流、tdn為開(kāi)始使用的初始時(shí)間，而tdo為結束使用的最終時(shí)間。

　　測試方式

　　以下將分別對霍爾元件及溫度感測器進(jìn)行個(gè)別實(shí)驗測試。

　　霍爾元件具高準確度

　　我們採用的霍爾元件為CSLW6B1這個(gè)IC。主要進(jìn)行測試項目為：霍爾元件感測后，經(jīng)運算的電流值是否與電流表量測值相符。

　　測試的範圍為一般USB供電電流範圍為0~1，000mA。測試方法為在室溫下，流經(jīng)霍爾元件后再流經(jīng)負載。并將霍爾元件訊號接至HT46RU232進(jìn)行A/D轉換，進(jìn)行運算后得到的電流值，測試結果如表2。

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