節(jié)能智能插座方案.docx
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節(jié)能智能插座方案“芯”動(dòng)向 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、主副孔插座、無(wú)線智能插座、待機(jī)功耗、智能家居 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(lèi)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)慣地采用不斷開(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)。同時(shí)不斷開(kāi)電器電源,電器長(zhǎng)期處于待機(jī)或工作狀態(tài),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(lèi)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(duì)現(xiàn)有家用電器普及狀況推出配件產(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 現(xiàn)在市場(chǎng)上大多數(shù)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(zhuān)用的電能計(jì)量芯片 主要有CirrusLogic的CS5460、CS5463,ADI的ADE7755。專(zhuān)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,電能采集部分也可以考慮選擇國(guó)內(nèi)芯片,比如專(zhuān)門(mén)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(lèi) 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、主副孔插座。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)。主副孔插座是一種創(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?,F(xiàn)已有較多企業(yè)量產(chǎn)此類(lèi)產(chǎn)品,公牛在這方面產(chǎn)品挺出色。 當(dāng)主副孔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、紅外主副孔插座。在主副孔插座基礎(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)備連接到紅外主副孔插座,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),測(cè)量電視機(jī)當(dāng)前功率后,判斷電視機(jī)工作狀態(tài),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),若遙控器再次按下“開(kāi)關(guān)”鍵,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)遙控的開(kāi)關(guān)鍵鍵值不同,有些紅外主副孔插座還帶有紅外學(xué)習(xí)功能,可以適用于不同類(lèi)型的遙控器。 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(zhuān)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(lèi)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(mén)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(mén)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(mén)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)。 現(xiàn)在了解到的無(wú)線智能插座,Belkin(貝爾金)的名氣較大,隨著用戶生活品質(zhì)提升,這類(lèi)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,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,用戶回到家門(mén)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??;主副孔插座將會(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。 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)量芯片、MCU、無(wú)線通訊接口等。- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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