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節(jié)能智能插座方案“芯”動向 摘要：電器使用越來越多，能源消耗越來越大，尤其是由于人為習慣造成的待機功耗浪費更大。面對生活更加便利，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、解決節(jié)能問題的方法之一。 關鍵詞：電能計量芯片、節(jié)能智能插座、計量插座、主副孔插座、無線智能插座、待機功耗、智能家居 一、節(jié)能背景 隨著科技進步，越來越多的數(shù)碼產品、電器已進入家庭，如電視機、空調、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，但同時也造成家庭能源消耗的急劇增長，尤其是待機功耗的浪費，與全球范圍開始倡導的低碳地球背道而馳。根據國際經濟合作組織的一項調查稱，各國因待機而消耗的能量約占能耗總數(shù)的3％～13％。統(tǒng)計數(shù)據為：澳大利12％左右，韓國11％左右，德國10％左右，英國8％左右，日本7％左右，美國5％左右，芬蘭5％左右。目前我國城市家庭的平均待機能耗已經占到了家庭總能耗的10%左右，相當于每個家庭使用著一盞15~30W的“長明燈”。待機能耗像一只隱形的吸血蟲，在浪費能源的同時形成了巨大的環(huán)保壓力。 “待機能耗”是指具有待機功能的電器設備在不使用的時候，沒有斷開電源所發(fā)生的電能消耗。具有待機能耗的電器設備主要有空調、電腦與通訊系統(tǒng)（包括電腦主機、顯示屏、電腦音響、打印機、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、DVD、VCD、音響、功放、機頂盒、衛(wèi)星接收器等）。為了避免頻繁插拔電器插頭的麻煩，許多用戶很習慣地采用不斷開電源，使電器長期處于待機狀態(tài)。待機功能在為居民用戶提供便利的同時，也造成了大量的能源浪費。同時不斷開電器電源，電器長期處于待機或工作狀態(tài)，還可能會引起災難性事件。 下面是常見電器的待機功耗： 如上表，一個家庭中電器齊全，若用戶全年不關閉電器，電器處于待機狀態(tài)，待機功耗浪費956.1度電。若一個城市有50萬戶家庭，一年的能源浪費可達到4.8億度電。這不單關系到居民的利益浪費，還造成國家能源的極大浪費，所以降低電器功耗、解決電器待機功耗勢在必行；面對強烈的低能耗需求，家電企業(yè)不斷改善產品，降低工作功耗，尤其是待機功耗，雖然已有明顯效果，但電器的更新?lián)Q代卻是一個漫長的時間。隨著物聯(lián)網的興起，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，也節(jié)省能耗，但是今下，一整套智能家居系統(tǒng)的價格居高不下，很難得到普及，所以現(xiàn)在的家庭電器節(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，針對現(xiàn)有家用電器普及狀況推出配件產品，在不改變用戶使用習慣或提高體驗性前提下，對家用電器進行節(jié)能。 節(jié)能智能插座——現(xiàn)在最有效的節(jié)能產品之一，是一種轉接裝置，經過此插座的轉接，再將家用電器接到此插座上，此產品可以主動切斷電器電源以節(jié)省大量用戶，用戶也不需要時刻記得關閉電器。節(jié)能智能插座的工作功耗基本<0.2W，相當于家電有待機功耗的二十分之一，甚至百分之一。 二、節(jié)能智能插座實現(xiàn)方式 現(xiàn)在市場上大多數(shù)節(jié)能智能插座的結構主要包括幾個部分：電能采集模塊、控制器、繼電器、人機界面或無線通訊模塊。 用戶通過人機界面或無線通訊模塊設置斷開的電源條件，可以設置定時斷開電器的電源，在設定的時間段內斷開電源；設置家用電器耗電閾值，在電器用電低于閾值時，斷開電源?？刂破魍ㄟ^電能采集模塊對電器的電能及功率進行采集，判斷電器用電情況，對繼電器進行操作以控制電源的開關。此產品可以記錄電器的總用電量，顯示當前用前功耗等功能，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)據不正確可能會導致誤操作，影響平時的正常使用。 電能采集模塊實現(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電器的電流信號，電壓為固定值，將切斷功率閾值折算為電流有效值。通過采樣電路將電器的電流信號進行采樣，與硬件設定的切斷閾值進行比較，MCU根據比較器的輸出，判斷電流與切斷閾值的大小關系，控制電器電源的開關。比較器一般使用LM358進行設計。電流信號為交流信號，比較器的參考電壓值為固定正向值，電流信號必須使用互感器進行傳輸，經過整流、濾波，才能連接到比較器的輸入端。若電網中存在較大的容性或感性諧波，功率因數(shù)（PF）<1，采樣到的電流信號有效值誤差大，可能導致誤操作。由于這種插座內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；有些產品可以通過手動調整功率旋鈕，改變切斷功率閾值，但手動調整準確度低，用戶使用不方便。所以這種實現(xiàn)方式一般只適用于特定電器，且電網質量較好的場合。 2、采用控制器集成的ADC 通過采樣電路，配合集成ADC的MCU進行測量。采用這種方式一般只測量電器的電流信號，電壓為固定值，根據電流信號大小折算成功率。電流信號為交流信號，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行傳輸，經過整流再進行積分，才能被MCU的ADC較準確的測量。MCU集成的ADC一般是10bit，電流測量范圍小，有效動態(tài)范圍一般只有256:1。若電網中存在較大的容性或感性諧波，功率因數(shù)（PF）<1，測量電流的誤差越大，所以這種方式一般只適用于功耗變化范圍小，且電網質量較好的場合。 采用這種方式可以通過人機界面設置切斷電源的功率閾值，內部將功率值轉化為電流值，將測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、采用專用的電能計量芯片 主要有CirrusLogic的CS5460、CS5463，ADI的ADE7755。專業(yè)的電能計量芯片內部至少集成2路ADC（內部帶運放），可同時對電流、電壓信號進行采樣；模擬輸入端信號可為交流信號，不影響信號的失真；集成50Hz/60Hz陷波；集成DSP，對電壓、電流信號進行高速計算，濾除功率因數(shù)的影響，得到真實的有功功率值。電能計量芯片的動態(tài)范圍>=500:1，測量精度達到0.1%。MCU與電能計量芯片進行通訊，讀取當前功率、電能值，或者通過光耦對計量芯片輸出的功率脈沖進行計數(shù)，計算電能及功率。使用電能計量芯片，采樣電路可以不需要互感器、整流，外圍電路簡單，MCU與計量芯片通訊或連接資源較少，使用資源較少的MCU可以實現(xiàn)。若芯片的動態(tài)范圍足夠大，可以準確測量到更低的功率值，可以適用更多的電器。 上述幾款電能計量芯片功率測量準確性高，但是價格高，并且引腳較多，還需要外置晶振，后續(xù)產品不能做到體積很小?，F(xiàn)在國內也有電能計量芯片，電能采集部分也可以考慮選擇國內芯片，比如專門用于節(jié)能智能插座的芯片HLW8012，除了基本的電能計量芯片特點之外，還可以測量電壓、電流有效值，SOP8封裝，內置晶振，動態(tài)范圍1000:1，外圍電路比較簡單，采集主板面積可以做得很小。 以下表格是對3種節(jié)能智能插座實現(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：插座體積較大；只能控制一個電器。插座制造企業(yè)不斷對產品進行更新?lián)Q代，延伸出許多不同的產品，主要有以下幾種： 1、主副孔插座。主機關閉或待機之后，周邊設備的電源同時被切斷。 電腦一般都會與周邊設備一起使用，如顯示器、打印機、音箱等。只有在主機使用，這些周邊設備才會使用，主機關閉或待機之后，周邊設備就被閑置。若用戶忘記關閉周邊設備，電器一直會處于待機模式，造成電量浪費。主副孔插座是一種創(chuàng)新型的排插，孔位一般分為主機孔、受控孔、常用孔。使用時主機（電腦或其他設備）連接到主機孔，周邊設備連接在受控孔。主機啟動之后，采集主板檢測到主機的功率變大，采集主板會延時打開周邊設備；主機關閉或待機之后，采集主板檢測到主機的功率下降到閾值，則會延時關閉周邊設備。使用這種插座，只要關閉主機，就不用擔心忘記關閉周邊設備，打開主機時，也不用一一打開周邊設備，可以智能、有效地節(jié)省家庭或辦公用電?，F(xiàn)已有較多企業(yè)量產此類產品，公牛在這方面產品挺出色。 當主副孔插座使用于不同的電器系統(tǒng)時，主機的待機功率不同，則關閉周邊設備的閾值不同，于是可以增加切斷閾值學習功能，針對不同主機可以學習不同的關閉閾值。 2、紅外主副孔插座。在主副孔插座基礎上增加紅外接收功能，當紅外遙控控制主機開關時，插座采集主機功率，再控制主機及周邊設備電源的開關。 現(xiàn)在許多家庭使用電視機時，基本都配周邊設備，如機頂盒、音箱等設備。用戶習慣使用遙控關閉電視機，沒有去斷開電視機、周邊設備的電源，此時周邊設備處于正常運行或待機狀態(tài)，功率非常大。若將電視機及周邊設備連接到紅外主副孔插座，電視機連接主機孔，周邊設備連接受控孔，使用遙控關閉電視機時，電視機接收到紅外信號，電視機進入待機，插座會檢測到電視機的功率降低，達到閾值時，插座切斷電視機及周邊設備的電源，不需要人為逐一關閉電源；使用遙控打開電視機時，插座接收到遙控信號，測量電視機當前功率后，判斷電視機工作狀態(tài)，打開電視機電源，此時電視機進入待機狀態(tài)，在一定時間內，若遙控器再次按下“開關”鍵，電視機就會進入正常播放，同時插座檢測到電視機功率上升，再打開周邊設備的電源。使用這種插座可以在不改變用戶使用習慣的前提下，節(jié)省電視機及周邊設備的用電。 考慮到不同電視機遙控的開關鍵鍵值不同，有些紅外主副孔插座還帶有紅外學習功能，可以適用于不同類型的遙控器。 3、無線智能插座。在普通節(jié)能智能插座基礎上進行創(chuàng)新，增加無線通訊模塊（WIFI/藍牙/Zegbee），配合移動設備上的APP軟件，遠程或室內無線控制電器的關閉與打開。 無線智能插座可以分為2種：室內無線控制、室外無線控制。室內無線控制型基本上是使用WIFI或藍牙，使用移動設備或者專用遙控進行控制。室外無線控制型基本上是使用WIFI或Zegbee，通過家庭路由器或專用路由器，連接到服務器，用戶在室外，移動設備只要可以上網，就可以直接查看或控制家庭各個電器。 配合無線智能插座，移動設備上安裝APP，使用手機配置好各個插座的無線設置，設置各個電器名稱，在移動設備上可以進行分類管理：廚房、大廳、主室、臥室等，配置好之后就可以查看到家庭各個電器的運行情況：總用電量、當前功率、當前電壓、當前電流；可以控制各個電器的電源開或關；若電器的運行狀態(tài)出現(xiàn)不正常情況，無線智能插座會通過APP反映到移動設備上。通過無線智能插座，晚上回家前打開燈光；出門時不用擔心飲水機忘記關閉，回家前可以提前打開飲水機；出門時不用擔心熱水器沒有關，回家前可以提前打開熱水器；出門時不用擔心空調沒有關，還可以在回家前打開空調等等。不但節(jié)能用電、安全用電，還可以提高用戶的生活體驗。 現(xiàn)在了解到的無線智能插座，Belkin（貝爾金）的名氣較大，隨著用戶生活品質提升，這類產品需求將會越來越大，現(xiàn)在國內也越來越多廠家涉入此產品。無線智能插座，還可以做進一步的創(chuàng)新，Zuli公司開發(fā)出一種產品，在房間內裝置幾個插座，用戶攜帶移動設備，人走到哪里，插座就會定位出人的位置，對電器進行智能控制，如用戶離開家之后，自動關閉家里電器，用戶回到家門口，自動打開燈或其他電器。 四、節(jié)能智能插座“芯”動向 單體節(jié)能智能插座體積將會越來越小；主副孔插座將會適應越來越多的設備系統(tǒng)；無線智能插座體積將會更小，更加智能，如智能定位等。 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)能問題的方法之一。無線智能插座可以延伸出非常多的用戶體驗，使家庭電器更加省電、更加安全，生活更改舒適，隨著智能移動設備的普及，3G網絡的普及，節(jié)能智能插座的發(fā)展將會更偏向于無線智能插座。 面對如此的發(fā)展趨勢，電能計量芯片發(fā)展動向將會走向高集成化，SOC。集成電能計量芯片、MCU、無線通訊接口等。