結合RFID/霍爾元件/溫度感測器 MCU打造上鎖電源插座
由於高性能電子產品的增加與環保意識的抬頭，不論是智慧型手機、電動汽機車皆對於電源的需求量大增，為了使用上的方便，將可望於自家室外或公眾場合的電源插座增加上鎖的功能。
本系統提供一個擁有上鎖功能的安全電源插座，使插座安裝於公開場所，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，如悠遊卡或門禁系統般的機制，去限制電源插座的使用。
具上鎖功能電源插座應用廣泛
電跟水是人類生活中不可或缺的資源，在戶外有些人會將自己私人的水龍頭上鎖，防止其他人隨意使用。但若是戶外電源插座未配備上鎖功能，將容易遭他人濫用。鑑於此點，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所的電源插座，並不提供大眾任意使用，於是在電源插座多加蓋子再貼上緊告標語，或將電源插座隱藏，但這樣只有做到警示或隱藏的效果，卻無法真正達到防止遭他人使用的目的。
本系統基於在使用者付費或是防止竊電的前提下，利用無線射頻辨識系統(RFID)技術來進行對使用者的判別，使設置在公眾場合的電源插座受到保護。在安全考量下，一般市面上過載保護，絕大多數是使用無熔絲開關，無熔絲開關的保護原理是採用金屬受熱改變彎曲程度，以判別是否過載，但釀成意外時，都是電纜的絕緣過熱熔毀，而無熔絲金屬片尚未跳脫。也因此，本系統除無熔絲開關外，並增加一溫度感測器，緊貼於電纜外皮，以偵測電纜外皮是否達到溫度上限。
在使用者付費的觀念下，電源插座開發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，然後用積分法加以運算，可得到總用電量，並可依據電源的使用量多寡，對於使用者進行收費。
市面上的產品及現有的中華民國專利，都只具有觸電防護、過電保護、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廣泛，不僅可用於自家室外，也可以安裝於捷運站、休息站、便利商店等公眾場合，結合悠遊卡使用，或是安裝於社區大廳、交誼廳等，如同門禁的感測裝置。此外，本裝置如同一般插座，在不使用時，完全是不消耗任何電力，不會造成額外的電費支出。
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具上鎖功能電源插座工作原理
本系統藉由微控制器(MCU)提供輸入輸出(I/O)、類比數位(A/D)轉換、計時中斷等功能，再利用RFID技術判別使用者後，利用LM35DZ感測電纜溫度，當溫度安全後，進行供電，再藉由霍爾元件得到電流量後，用於電量計算。
本系統係利用感應器發射無線電波，觸動感應範圍內的RFID標籤，藉由電磁感應產生電流，供應RFID標籤上的晶片運作，並發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，MCU的I/O接腳發出高電位觸發繼電器，使插座通電。
而霍爾元件係根據霍爾效應，進行磁電轉換的磁敏元件，其工作原理為：霍爾元件是一個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勢，則在半導體另外兩側便會產生一個大小、電流和磁場的乘積成正比的電壓，再利用MCU的A/D功能換算成流經電流的大小，並透過計時中斷的功能A/D換算得到的電流，進行庫倫量測運算。
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關，但於外觀上，多了USB電源孔、發光二極體(LED)指示燈及一個無熔絲開關。內部透過霍爾元件來計算使用的電流量，以及溫度感測器感測電線的安全溫度，最後加上RFID模組，對使用者的使用加以控制。
系統流程方面(圖1)，在無熔絲開關打開後，MCU進入初始化階段，在判別是否有人使用前，會先進行溫度感測，若溫度在安全範圍，將開始接收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。
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| 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。在進行供電後，使用的電量將會經由霍爾元件，並透過庫倫量測法去計算使用量，當使用量超過使用者選擇的上限時，將自動斷電。
庫倫測量法簡介
庫倫測量法簡介
庫倫測量法將使用的電流值對時間積分來計算電流的總流量，並以使用的時間積分得到總用量Ah，如公式(1)
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……公式(1)
其中，id(t)為隨著時間而改變的電流、tdn為開始使用的初始時間，而tdo為結束使用的最終時間。
測試方式
以下將分別對霍爾元件及溫度感測器進行個別實驗測試。
霍爾元件具高準確度
我們採用的霍爾元件為CSLW6B1這個IC。主要進行測試項目為：霍爾元件感測後，經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，流經霍爾元件後再流經負載。並將霍爾元件訊號接至HT46RU232進行A/D轉換，進行運算後得到的電流值，測試結果如表2。
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由於長時間的供應電源，會使系統內部溫度些許上升。我們將系統進行供電，3小時後，系統內溫度從室溫28℃上升至36℃，再次進行霍爾元件準確度的測量。測試結果如表3。
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由測試結果顯示，在常溫下的測試平均誤差在1.06%，使用3小時後，溫度上升至36℃時，平均誤差在2.78%，表現較差，但由於USB供電電流大小大多為300?1,000mA，如只計算這段的誤差值，常溫下誤差為0.83%、36℃下誤差為1.75%，顯見庫倫量測法式有足夠的準確度。
經溫度感測得知安全溫度為55℃
根據「電業法第四十四條訂定之屋內線路裝置規則」，一般常用低壓絕緣PVC電線，最高容許溫度為60℃、1.6毫米單芯導線可承載電流量為20安培。
本系統採用的電線是1.6毫米大小的單芯線。測試方法為：將插座接上額定功率1,500瓦、額定電壓為110伏特的負載，用夾式電流表測得電流約為13安培，並將LM35DZ固定於最靠近於插座端的電纜表面。系統設計人員將於負載啟用瞬間及啟用後每15分鐘，進行LM35DZ溫度感測，並用紅外線溫度槍進行正確溫度量測。
如表4所示，LM35DZ與紅外線溫度槍實際測量溫度，都較低，其原因不外乎熱從電纜本身傳導至LM35DZ時，部分溫度喪失，傳導於空氣中。基於此點，我們將LM35DZ安全溫度判定為55℃，以保證本系統在一般使用時安全無虞。
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可達精準電流用量計算 具上鎖功能電源插座應用擴張
此具有上鎖功能的電源插座，用HT46RU232做為控制核心，結合RFID模組、霍爾元件、LM35DZ溫度感測器，達到相當準確的電流使用量，及電源插座上鎖防竊的功能，並在使用上符合國家室內線路裝置標準。相信未來在電動車推廣時，若不易尋找充電插座，本系統將會是一大助手，且可以教育民眾使用公用電的正確觀念，即使用者付費的原則。
