筆者在2015年就拆解過Belkin的第一代WeMo智慧插座,該產品一開始只能以專屬app套件控制,但後來又增加了Amazon Alexa和更廣泛的IFTTT (if this, then that)通訊協議的支援;大約兩年後我又拆解了一款來自Jasco (獲GE授權)、協議不那麼靈活但以藍牙(而不是Wi-Fi)的智慧插座——在2016年耶誕節,我就是用它來控制我們家的耶誕樹燈泡。

現在,讓我們再次享受拆解的樂趣──這次被大卸八塊的對象是Belkin的第二代智慧插座WeMo Insight——它的尺寸不但比上一代產品小(高度2.9吋×寬度2.9吋×深度2.3吋vs. 高度5.1吋×寬度3.3吋×深度2.1吋),功能也更強,而且內建能耗監控功能(所以它叫「Insight」)。

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圖1:WeMo Insight內建能耗監測功能。

在拆解開始之前,我先讓讀者們看看它的能耗監測報告是什麼樣子:圖1是我在2018年1月1日白天截下的、安裝在Nexus 7 FHD平板電腦上的Android版WeMo app螢幕截圖;如果我記的沒錯,我家的聖誕樹從2017年12月16日就點亮,並進行了一些其他裝飾,樹上有5條各200顆燈(白熾燈、不是LED燈)的燈串,彼此串聯並連接至WeMo Insight。

這個特別的WeMo Insight是一個整新品(factory refurb),我在2017年6月初以20.79美元的價格在Ebay上的Linksys商店買到,它的外包裝和裡面的說明書都比較簡單(圖2、圖3)。圖4是從包裝盒取出的插座各側外觀特寫。

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圖2:WeMo Insight開箱照。

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圖3:簡單的說明書。

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圖4:從包裝外盒取出的插座外觀。

跟先前的拆解一樣,出於隱私保護考量,我將設備的序號和MAC位址隱藏了。其頂部的隱藏式開關用以將裝置重設為原廠設定,側邊的micro USB埠顯然可用來為智慧插座電路供電,但在此時不具備任何有意義的功能。Belkin暗示它有「潛在的未來用途」,例如連接到外部感測器什麼的,但這款產品已經上市一段時間了,至今還沒有添加任何新的東西,所以我也不再指望它會出什麼新花樣了。

按壓背面的標籤貼紙,可感覺到有三個明顯的缺口,暗示有下凹的螺絲孔(圖5);依據拆解第一代WeMo的經驗,我猜測這次用的也是三角形防拆螺絲(triangular anti-tamper heads.)。事實證明我的猜測正確(圖6)。

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圖5:標籤貼紙下隱藏著螺絲。

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圖6:三角形防拆螺絲。

言歸正傳,圖7是插座塑膠外殼前半邊的內部;插座頂部的電源開關並不是機械式的(圖8),用手指按不下去(你很快就會看到它實際上是如何運作)。

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圖7:外殼前半邊的內部特寫。

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圖8:插座頂部的開關並非機械式的。

圖9是WeMo Insight的主機板。PCB左半部包含連接開關AC插座的連接器以及其他零件;下方是負載繼電器,上方是變壓器,各種被動元件散落在PCB各處。右上角是Wi-Fi天線,右側有兩塊擴充板(add-in boards):最右邊的那塊電路板上有數位電路,透過多色線束連接到主PCB,旁邊的那塊電路板包含是「Insight」電流檢測電路。後面的圖片可以更近距離觀察這兩塊擴充板的詳情(以及其他東西)。

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圖9:WeMo Insight的主機板。

圖10是數位電路板仍安裝在外殼裡的特寫鏡頭;電源開關實際上是一種電容式開關,是現代智慧型手機、平板電腦和電腦顯示器內建的電容式觸控原始形式之一(卻非常具效益…畢竟沒有總是會壞掉的機械結構)。當系統檢測到手指接近,它會接通開關AC插座的電源,同時點亮開關後面的指示燈;這點我稍後會再做一些說明。底部是前面提到的出廠設定重設開關。

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圖10:還未從機殼中取出的數位電路板。

圖11是從另一側拍攝的特寫,兩片擴充板之間是以線束電氣連接。從圖12則可見到數位電路板後面的電流感測電路,我們稍後可以看得更清楚。圖13是從另一個角度拍攝Wi-Fi天線。

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圖11:兩片擴充板是以多色線束電氣連結。

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圖12:數位電路板後方的電流感測電路。

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圖13:從另一個角度看Wi-Fi天線。

將數位電路板從外殼取出就可見其全貌,包括前面提到的底部micro USB連接器等等其他東西。從圖14可見,數位電路板左邊是華邦(Winbond)的W9825G6JH 256Mb DDR SDRAM (這要特別感謝Hackaday網站已經先把標籤紙撕掉顯示出晶片資訊,讓我省了點事!)。右下角則是旺宏(Macronix)的MX25L12835E 128Mb串列介面NOR快閃記憶體。

至於前面提到過的電源指示燈,請注意數位電路板上的3顆LED:其中D15位於拱形電容式開關的中間,D16和D17則位於其正下方、重設開關SW1的上方。當WeMo Insight首度開機並切換於正常運作的「開啟」狀態時,三顆LED都會點亮(圖15)。

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圖14:數位電路板全貌。

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圖15:智慧插座電源開啟時頂部的指示燈會點亮。

不過在透過Wi-Fi進行初始設定之前,WeMo Insight以交替點亮D16和D17、然後將3顆LED全部熄滅的方式(圖16)來顯示當前未完成配置的狀態,然後熄滅所有三個LED ...周而復始。

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圖16:智慧插座未完成配置時,LED燈會先閃爍再熄滅…周而復始。

圖17可看到數位電路板背面有一顆是雷凌(Ralink)的RT5350F,這是一款2.4GHz 150Mbps 802.11n Wi-Fi SoC──因此解釋了那個單元天線(elementary anthenna);該晶片內建360MHz MIPS 24KEc處理器核心(扮演充當系統晶片的「大腦」),此外還有配備整合PHY的5埠10/100Mbps乙太網交換器,以及USB2主/從控制器。

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圖17:數位電路板背面的雷凌Wi-Fi SoC。

最後,讓我們看看電流感測模組的正反兩側(圖18)。我無法從IC封裝上的標記辨別其身份,但從另一篇Hackaday網站上的文章(應該是促銷文,不管你信不信,該文介紹了一種WeMo Insight數位電路板的開放源碼替代方案)可知,那是Silergy (原為Maxim)的78M6610能源管理處理器。

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圖18:電流感測模組的正反兩側。

雖然Belkin (或是任何一家為Belkin代工設計WeMo Insight的公司)可能決定只使用現成的模組,但我猜測他們決定採用擴充板而非整合方案是有意為之;透過使「Insight」的硬體設計部分模組化,可以提供選擇性──Belkin還可能用「無Insight」的設計做為另一款單獨產品的基礎配置。但這只是猜測,你認為我對於電流感測理論以及其整體設計的看法如何?歡迎討論!

本文同步刊登於電子技術設計2018年12月刊雜誌

(參考原文:Teardown: Smart plug adds energy consumption monitoring,by Brian Dipert)