節(jié)能智能插座方案發(fā)展趨勢(shì)
作者： 合力為科技
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發(fā)布時(shí)間：2014-03-25 00:00
節(jié)能智能插座方案發(fā)展趨勢(shì) 摘要：電器使用越來(lái)越多，能源消耗越來(lái)越大，尤其是由于人為習(xí)慣造成的待機(jī)功耗浪費(fèi)更大。面對(duì)生活更加便利，電器更加智能，電器更加節(jié)能的要求，節(jié)能智能插座成為現(xiàn)在最有效提高人們生活品質(zhì)、解決節(jié)能問(wèn)題的方法之一。 關(guān)鍵詞：電能計(jì)量芯片、節(jié)能智能插座、計(jì)量插座、主副控插座、無(wú)線智能插座、WIFI智能插座、待機(jī)功耗 一、節(jié)能背景 隨著科技進(jìn)步，越來(lái)越多的數(shù)碼產(chǎn)品、電器已進(jìn)入家
節(jié)能智能插座方案發(fā)展趨勢(shì)
摘要：電器使用越來(lái)越多，能源消耗越來(lái)越大，尤其是由于人為習(xí)慣造成的待機(jī)功耗浪費(fèi)更大。面對(duì)生活更加便利，電器更加智能，電器更加節(jié)能的要求，節(jié)能智能插座成為現(xiàn)在最有效提高人們生活品質(zhì)、解決節(jié)能問(wèn)題的方法之一。
關(guān)鍵詞：電能計(jì)量芯片、節(jié)能智能插座、計(jì)量插座、主副控插座、無(wú)線智能插座、WIFI智能插座、待機(jī)功耗
一、節(jié)能背景
隨著科技進(jìn)步，越來(lái)越多的數(shù)碼產(chǎn)品、電器已進(jìn)入家庭，如電視機(jī)、空調(diào)、冰箱、熱水器等高能耗電器，為人類的生活創(chuàng)造了非常多的便利，但同時(shí)也造成家庭能源消耗的急劇增長(zhǎng)，尤其是待機(jī)功耗的浪費(fèi)，與全球范圍開(kāi)始倡導(dǎo)的低碳地球背道而馳。根據(jù)國(guó)際經(jīng)濟(jì)合作組織的一項(xiàng)調(diào)查稱，各國(guó)因待機(jī)而消耗的能量約占能耗總數(shù)的3%～13%。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為：澳大利12%左右，韓國(guó)11%左右，德國(guó)10%左右，英國(guó)8%左右，日本7%左右，美國(guó)5%左右，芬蘭5%左右。目前我國(guó)城市家庭的平均待機(jī)能耗已經(jīng)占到了家庭總能耗的10%左右，相當(dāng)于每個(gè)家庭使用著一盞15~30W的“長(zhǎng)明燈”。待機(jī)能耗像一只隱形的吸血蟲(chóng)，在浪費(fèi)能源的同時(shí)形成了巨大的環(huán)保壓力。
“待機(jī)能耗”是指具有待機(jī)功能的電器設(shè)備在不使用的時(shí)候，沒(méi)有斷開(kāi)電源所發(fā)生的電能消耗。具有待機(jī)能耗的電器設(shè)備主要有空調(diào)、電腦與通訊系統(tǒng)(包括電腦主機(jī)、顯示屏、電腦音響、打印機(jī)、掃描儀、充電器、路由器等)、家庭視頻與音頻系統(tǒng)(包括電視機(jī)、DVD、VCD、音響、功放、機(jī)頂盒、衛(wèi)星接收器等)。為了避免頻繁插拔電器插頭的麻煩，許多用戶很習(xí)慣地不斷開(kāi)電源，使電器長(zhǎng)期處于待機(jī)狀態(tài)。待機(jī)功能在為居民用戶提供便利的同時(shí)，也造成了大量的能源浪費(fèi)，甚至還可能會(huì)引起災(zāi)難性事件。
下面是常見(jiàn)電器的待機(jī)功耗：
如上表，一個(gè)家庭中電器齊全，若用戶全年不關(guān)閉電器，電器處于待機(jī)狀態(tài)，待機(jī)功耗浪費(fèi)956.1度電。若一個(gè)城市有50萬(wàn)戶家庭，一年的能源浪費(fèi)可達(dá)到4.8億度電。這不單關(guān)系到居民的利益浪費(fèi)，還造成國(guó)家能源的極大浪費(fèi)，所以降低電器功耗、解決電器待機(jī)功耗勢(shì)在必行;面對(duì)強(qiáng)烈的低能耗需求，家電企業(yè)不斷改善產(chǎn)品，降低工作功耗，尤其是待機(jī)功耗，雖然已有明顯效果，但電器的更新?lián)Q代卻是一個(gè)漫長(zhǎng)的時(shí)間。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，各種節(jié)能方案的提出，使家庭的節(jié)能需求看到了解決的希望，家電企業(yè)或智能家居企業(yè)推出各類智能家居系統(tǒng)，在為生活提供便利的同時(shí)，也節(jié)省能耗，但是今下，一整套智能家居系統(tǒng)的價(jià)格居高不下，很難得到普及，所以電器節(jié)能仍是一大難題。于是許多企業(yè)在配件方面尋找解決方案，針對(duì)現(xiàn)有家用電器的普及狀況推出產(chǎn)品，在不改變用戶使用習(xí)慣或提高體驗(yàn)性前提下，對(duì)家用電器進(jìn)行節(jié)能。
節(jié)能智能插座——現(xiàn)在最有效的節(jié)能產(chǎn)品之一，是一種轉(zhuǎn)接裝置，經(jīng)過(guò)此插座的轉(zhuǎn)接，再將家用電器接到此插座上，此產(chǎn)品可以主動(dòng)切斷電器電源以節(jié)省大量用戶，用戶也不需要時(shí)刻記得關(guān)閉電器。節(jié)能智能插座的工作功耗基本<0.2W，相當(dāng)于家電有待機(jī)功耗的二十分之一，甚至百分之一。
二、節(jié)能智能插座實(shí)現(xiàn)方式
節(jié)能智能插座的結(jié)構(gòu)主要包括幾個(gè)部分：電能采集模塊、控制器、繼電器、人機(jī)界面或無(wú)線通訊模塊。
用戶通過(guò)人機(jī)界面或無(wú)線通訊模塊設(shè)置斷開(kāi)的電源條件，可以設(shè)置定時(shí)斷開(kāi)電器的電源，在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)斷開(kāi)電源;設(shè)置家用電器耗電閾值，在電器用電低于閾值時(shí)，斷開(kāi)電源?？刂破魍ㄟ^(guò)電能采集模塊對(duì)電器的電能及功率進(jìn)行采集，判斷電器用電情況，對(duì)繼電器進(jìn)行操作以控制電源的開(kāi)關(guān)。此產(chǎn)品可以記錄電器的總用電量，顯示當(dāng)前用前功耗等功能，方便用戶了解各電器的耗電情況。電能及功率采集模塊是節(jié)能智能插座的核心部分，若采集到的數(shù)據(jù)不正確可能會(huì)導(dǎo)致誤操作，影響平時(shí)的正常使用。
電能采集模塊實(shí)現(xiàn)方式主要有3種：
1、采用比較器
采用這種方式一般只檢測(cè)電器的電流信號(hào)，電壓為固定值，將切斷功率閾值折算為電流有效值。通過(guò)采樣電路將電器的電流信號(hào)進(jìn)行采樣，與硬件設(shè)定的切斷閾值進(jìn)行比較，MCU根據(jù)比較器的輸出，判斷電流與切斷閾值的大小關(guān)系，控制電器電源的開(kāi)關(guān)。比較器一般使用LM358進(jìn)行設(shè)計(jì)。電流信號(hào)為交流信號(hào)，比較器的參考電壓值為固定正向值，電流信號(hào)必須使用互感器進(jìn)行傳輸，經(jīng)過(guò)整流、濾波，才能連接到比較器的輸入端。若電網(wǎng)中存在較大的容性或感性諧波，功率因數(shù)(PF)<1，采樣到的電流信號(hào)有效值誤差大，可能導(dǎo)致誤操作。由于這種插座內(nèi)部比較器的參考電壓為固定值，切斷功率閾值不能改變，所以一般只適用于特定的電器;有些產(chǎn)品可以通過(guò)手動(dòng)調(diào)整功率旋鈕，改變切斷功率閾值，但手動(dòng)調(diào)整準(zhǔn)確度低，用戶使用不方便。所以這種實(shí)現(xiàn)方式一般只適用于特定電器，且電網(wǎng)質(zhì)量較好的場(chǎng)合。
2、采用控制器集成的ADC
通過(guò)采樣電路，配合集成ADC的MCU進(jìn)行測(cè)量。采用這種方式一般只測(cè)量電器的電流信號(hào)，電壓為固定值，根據(jù)電流信號(hào)大小折算成功率。電流信號(hào)為交流信號(hào)，而MCU的ADC一般只能單端輸入，電流采樣電路中必須使用互感器進(jìn)行傳輸，經(jīng)過(guò)整流再進(jìn)行積分，才能被MCU的ADC較準(zhǔn)確的測(cè)量。MCU集成的ADC一般是10bit，電流測(cè)量范圍小，有效動(dòng)態(tài)范圍一般只有256:1。若電網(wǎng)中存在較大的容性或感性諧波，功率因數(shù)(PF)<1，測(cè)量電流的誤差越大，所以這種方式一般只適用于功耗變化范圍小，且電網(wǎng)質(zhì)量較好的場(chǎng)合。
采用這種方式可以通過(guò)人機(jī)界面設(shè)置切斷電源的功率閾值，內(nèi)部將功率值轉(zhuǎn)化為電流值，將測(cè)量到的電流值與閾值比較，若小于閾值，則插座切斷電器電源。
3、采用專用的電能計(jì)量芯片
主要有Cirrus Logic的CS5460、CS5463，ADI的ADE7755。專業(yè)的電能計(jì)量芯片內(nèi)部至少集成2路ADC(內(nèi)部帶運(yùn)放)，可同時(shí)對(duì)電流、電壓信號(hào)進(jìn)行采樣;模擬輸入端信號(hào)可為交流信號(hào)，不影響信號(hào)的失真;集成50Hz/60Hz陷波;集成DSP，對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行高速計(jì)算，濾除功率因數(shù)的影響，得到真實(shí)的有功功率值。電能計(jì)量芯片的動(dòng)態(tài)范圍>=500:1，測(cè)量精度達(dá)到0.1%。MCU與電能計(jì)量芯片進(jìn)行通訊，讀取當(dāng)前功率、電能值，或者通過(guò)光耦對(duì)計(jì)量芯片輸出的功率脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算電能及功率。使用電能計(jì)量芯片，采樣電路可以不需要互感器、整流，外圍電路簡(jiǎn)單，MCU與計(jì)量芯片通訊或連接資源較少，使用資源較少的MCU可以實(shí)現(xiàn)。若芯片的動(dòng)態(tài)范圍足夠大，可以準(zhǔn)確測(cè)量到更低的功率值，可以適用更多的電器。
上述幾款電能計(jì)量芯片功率測(cè)量準(zhǔn)確性高，但是價(jià)格高，并且引腳較多，還需要外置晶振，后續(xù)產(chǎn)品不能做到體積很小。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)也有電能計(jì)量芯片，可以考慮選擇國(guó)產(chǎn)電能計(jì)量芯片，比如專用于節(jié)能智能插座的芯片HLW8012，除了基本的電能計(jì)量芯片特點(diǎn)之外，還可以測(cè)量電壓、電流有效值，SOP8封裝，內(nèi)置晶振，動(dòng)態(tài)范圍1000:1，外圍電路比較簡(jiǎn)單，采集主板面積可以做得很小。
以下表格是對(duì)3種節(jié)能智能插座實(shí)現(xiàn)方式的比較：
三、節(jié)能智能插座種類
普通節(jié)能智能插座存在一些不足點(diǎn)：插座體積較大;只能控制一個(gè)電器。插座制造企業(yè)不斷對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行更新?lián)Q代，延伸出許多不同的產(chǎn)品，主要有以下幾種：
1、主副控插座。主機(jī)關(guān)閉或待機(jī)之后，周邊設(shè)備的電源同時(shí)被切斷。
電腦一般都會(huì)與周邊設(shè)備一起使用，如顯示器、打印機(jī)、音箱等。只有在主機(jī)使用，這些周邊設(shè)備才會(huì)使用，主機(jī)關(guān)閉或待機(jī)之后，周邊設(shè)備就被閑置。若用戶忘記關(guān)閉周邊設(shè)備，電器一直會(huì)處于待機(jī)模式，造成電量浪費(fèi)。主副控插座是一種創(chuàng)新型的排插，孔位一般分為主機(jī)孔、受控孔、常用孔。使用時(shí)主機(jī)(電腦或其他設(shè)備)連接到主機(jī)孔，周邊設(shè)備連接在受控孔。主機(jī)啟動(dòng)之后，采集主板檢測(cè)到主機(jī)的功率變大，采集主板會(huì)延時(shí)打開(kāi)周邊設(shè)備;主機(jī)關(guān)閉或待機(jī)之后，采集主板檢測(cè)到主機(jī)的功率下降到閾值，則會(huì)延時(shí)關(guān)閉周邊設(shè)備。使用這種插座，只要關(guān)閉主機(jī)，就不用擔(dān)心忘記關(guān)閉周邊設(shè)備，打開(kāi)主機(jī)時(shí)，也不用一一打開(kāi)周邊設(shè)備，可以智能、有效地節(jié)省家庭或辦公用電。
當(dāng)主副控插座使用于不同的電器系統(tǒng)時(shí)，主機(jī)的待機(jī)功率不同，則關(guān)閉周邊設(shè)備的閾值不同，于是可以增加切斷閾值學(xué)習(xí)功能，針對(duì)不同主機(jī)可以學(xué)習(xí)不同的關(guān)閉閾值。
2、紅外主副控插座。在主副控插座基礎(chǔ)上增加紅外接收功能，當(dāng)紅外遙控控制主機(jī)開(kāi)關(guān)時(shí)，插座采集主機(jī)功率，再控制主機(jī)及周邊設(shè)備電源的開(kāi)關(guān)。
現(xiàn)在許多家庭使用電視機(jī)時(shí)，基本都配備周邊設(shè)備，如機(jī)頂盒、音箱等設(shè)備。用戶習(xí)慣使用遙控關(guān)閉電視機(jī)，沒(méi)有去斷開(kāi)電視機(jī)、周邊設(shè)備的電源，此時(shí)周邊設(shè)備處于正常運(yùn)行或待機(jī)狀態(tài)，功率非常大。若將電視機(jī)及周邊設(shè)備連接到紅外主副控插座，電視機(jī)連接主機(jī)孔，周邊設(shè)備連接受控孔，使用遙控關(guān)閉電視機(jī)時(shí)，電視機(jī)接收到紅外信號(hào)，電視機(jī)進(jìn)入待機(jī)，插座會(huì)檢測(cè)到電視機(jī)的功率降低，達(dá)到閾值時(shí)，插座切斷電視機(jī)及周邊設(shè)備的電源，不需要人為逐一關(guān)閉電源;使用遙控打開(kāi)電視機(jī)時(shí)，插座接收到遙控信號(hào)，打開(kāi)電視機(jī)電源，此時(shí)電視機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，在一定時(shí)間內(nèi)，若遙控器打開(kāi)電視機(jī)，電視機(jī)就會(huì)進(jìn)入正常播放，同時(shí)插座檢測(cè)到電視機(jī)功率上升，再打開(kāi)周邊設(shè)備的電源。使用這種插座可以在不改變用戶使用習(xí)慣的前提下，節(jié)省電視機(jī)及周邊設(shè)備的用電。
考慮到不同電視機(jī)待機(jī)功耗不同，有些紅外主副控插座還帶有學(xué)習(xí)功能，可以適用于不同類型的電視機(jī)。
3、無(wú)線智能插座。在普通節(jié)能智能插座基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，增加無(wú)線通訊模塊(WIFI/藍(lán)牙/Zegbee)，配合移動(dòng)設(shè)備上的APP軟件，遠(yuǎn)程或室內(nèi)無(wú)線控制電器的關(guān)閉與打開(kāi)。
無(wú)線智能插座可以分為2種：室內(nèi)無(wú)線控制、室外無(wú)線控制。室內(nèi)無(wú)線控制型基本上是使用WIFI或藍(lán)牙，使用移動(dòng)設(shè)備或者專用遙控進(jìn)行控制。室外無(wú)線控制型基本上是使用WIFI或Zegbee，通過(guò)家庭路由器或?qū)Ｓ寐酚善?，連接到服務(wù)器;用戶在室外，移動(dòng)設(shè)備只要可以上網(wǎng)，就可以直接查看或控制家庭各個(gè)電器。
配合無(wú)線智能插座，移動(dòng)設(shè)備上安裝APP，使用手機(jī)配置好各個(gè)插座的無(wú)線設(shè)置，設(shè)置各個(gè)電器名稱，在移動(dòng)設(shè)備上可以進(jìn)行分類管理：廚房、大廳、主室、臥室等，配置好之后就可以查看到家庭各個(gè)電器的運(yùn)行情況：總用電量、當(dāng)前功率、當(dāng)前電壓、當(dāng)前電流;可以控制各個(gè)電器的電源開(kāi)或關(guān);若電器的運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)不正常情況，無(wú)線智能插座會(huì)通過(guò)APP反映到移動(dòng)設(shè)備上。通過(guò)無(wú)線智能插座，晚上回家前打開(kāi)燈光;出門時(shí)不用擔(dān)心飲水機(jī)忘記關(guān)閉，回家前可以提前打開(kāi)飲水機(jī);出門時(shí)不用擔(dān)心熱水器沒(méi)有關(guān)，回家前可以提前打開(kāi)熱水器;出門時(shí)不用擔(dān)心空調(diào)沒(méi)有關(guān)，還可以在回家前打開(kāi)空調(diào)等等。不但節(jié)能用電、安全用電，還可以提高用戶的生活體驗(yàn)。
市場(chǎng)中WIFI智能插座，Belkin(貝爾金)、BroadLink(博聯(lián))、歐瑞博的名氣較大，隨著用戶生活品質(zhì)提升，這類產(chǎn)品需求將會(huì)越來(lái)越大，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)也越來(lái)越多廠家涉入此產(chǎn)品。無(wú)線智能插座還可以做進(jìn)一步的創(chuàng)新，比如Zuli公司開(kāi)發(fā)出一種產(chǎn)品，在房間內(nèi)裝置幾個(gè)插座，用戶攜帶移動(dòng)設(shè)備，人走到哪里，插座就會(huì)定位出人的位置，對(duì)電器進(jìn)行智能控制，如用戶離開(kāi)家之后，自動(dòng)關(guān)閉家里電器，人回到家門口，自動(dòng)打開(kāi)燈或其他電器。
四、節(jié)能智能插座“芯”動(dòng)向
單體節(jié)能智能插座體積將會(huì)越來(lái)越小;主副控插座將會(huì)適應(yīng)越來(lái)越多的設(shè)備系統(tǒng);無(wú)線智能插座體積將會(huì)更小，更加智能，如智能定位等。WIFI智能插座將會(huì)是體驗(yàn)最好的主流產(chǎn)品。
在智能家居系統(tǒng)真正普及之前，節(jié)能智能插座是很有效解決節(jié)能問(wèn)題的方法之一。無(wú)線智能插座可以延伸出非常多的用戶體驗(yàn)，使家庭電器更加省電、更加安全，生活更改舒適，隨著智能移動(dòng)設(shè)備的普及，3G網(wǎng)絡(luò)的普及，節(jié)能智能插座的發(fā)展將會(huì)更偏向于無(wú)線智能插座。
面對(duì)如此的發(fā)展趨勢(shì)，電能計(jì)量芯片發(fā)展動(dòng)向?qū)?huì)走向高集成化——SOC：集成電能計(jì)量模塊、MCU、無(wú)線通訊接口等。芯片框圖如下：
集成化之后，可帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì)：
(1)集成內(nèi)置晶振，簡(jiǎn)化外圍電路;(2)集成電能計(jì)量模塊，可直接測(cè)量電流、電壓、功率、節(jié)省MCU與電能計(jì)量芯片的連接資源;(3)集成EEPROM，可以記錄電器用電量，各種用戶配置，更適用于學(xué)習(xí)型產(chǎn)品;(4)集成UART、SPI接口，可以直接與無(wú)線模塊進(jìn)行通訊(WIFI/藍(lán)牙/Zegbee)，方便于實(shí)現(xiàn)無(wú)線智能插座;
高集成化之后，將電能采集與MCU集成，外圍電路簡(jiǎn)單，產(chǎn)品體積更小，可以直接與無(wú)線模塊進(jìn)行通訊，可以進(jìn)行更多的功能配置，產(chǎn)品可具有更廣的拓展性。
專用節(jié)能智能插座芯片的發(fā)展、方案更智能化的發(fā)展、產(chǎn)品更多元化發(fā)展，才能整體提高節(jié)能智能插座的行業(yè)發(fā)展。
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