智能家居電能傳感器，應(yīng)大數(shù)據(jù)而生

所謂電能傳感器(Electric Energy Sensor)，是指可以測量電器的功率、電流、電壓、電量等參數(shù)，對(duì)電特性進(jìn)行感知的模塊，可以監(jiān)測電器的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。隨著智能家居的發(fā)展，電能傳感器會(huì)發(fā)展為一種標(biāo)準(zhǔn)品嵌入到智能家電中，后續(xù)還會(huì)具備電器狀態(tài)指示、自我學(xué)習(xí)等功能。

　　那么，該如何理解電能傳感器之于智能家居與大數(shù)據(jù)的重要性呢?

　　一、 從智能家居的發(fā)展歷程說起

　　隨著各云平臺(tái)的發(fā)布(如云棲大會(huì)上發(fā)布的阿里云)和五中全會(huì)上將大數(shù)據(jù)上升為國家戰(zhàn)略，這些跡象都表明大數(shù)據(jù)技術(shù)(DT)時(shí)代即將到來，各大企業(yè)都在摩拳擦掌，要在DT時(shí)代成為弄潮者。智能家居是應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)而生的龐大應(yīng)用場合，隨著大數(shù)據(jù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要各種各樣的數(shù)據(jù)來支持智能家居的智能化。智能家電作為智能家電主體，不同的家電要求輸出溫濕度、或光線、或氣體等傳感數(shù)據(jù)，但所有家電最基本的數(shù)據(jù)是電能數(shù)據(jù)，因此電能傳感器是當(dāng)前獲得電能數(shù)據(jù)的手段及未來的趨勢。

　　值得一提的是，目前來說我國在電能傳感器領(lǐng)域真正深入的企業(yè)并不多，而合力為科技是為數(shù)不多較早涉入且專注于此領(lǐng)域的公司之一，其推出或即將推出的傳感器解決方案非常具備代表性和借鑒意義，本文會(huì)在后面詳細(xì)分析。

　　關(guān)于為什么需要這些傳感器，首先要從智能家居說起。智能家居的發(fā)展分為三階段：

　　第一階段：使用移動(dòng)終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。此階段，實(shí)現(xiàn)家電的控制主要依靠人為干涉，是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，能遠(yuǎn)程控制，但不能獲得家電的自身數(shù)據(jù)，不能自動(dòng)控制等。

　　第二階段：智能家電加入傳感器，可以感覺環(huán)境及自身的狀況。如光線、溫濕度、空氣質(zhì)量、家電自身工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，平臺(tái)根據(jù)用戶設(shè)置的條件自動(dòng)觸發(fā)控制。此階段數(shù)據(jù)的流向可以形成一個(gè)閉環(huán)，但云平臺(tái)還不夠“智慧”，不能自我學(xué)習(xí)。

　　第三階段：智能家電系統(tǒng)擁有“大腦”，具有思考能力、學(xué)習(xí)能力。云平臺(tái)收集智能家電反饋回來的數(shù)據(jù)，隨著采集到的數(shù)據(jù)越來越大，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的提高，云平臺(tái)可以學(xué)習(xí)用戶的使用習(xí)慣，“思考”用戶在相應(yīng)時(shí)空下的需求，進(jìn)行自動(dòng)控制。家電制造商可以分析不同區(qū)域用戶使用喜好，設(shè)計(jì)更加多元化、更適合的產(chǎn)品。

　　現(xiàn)在智能家居發(fā)展處于第二階段，隨著各類云平臺(tái)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)提升到國家策略，大數(shù)據(jù)價(jià)值不斷被挖掘，智能家居現(xiàn)正加速向第三階段發(fā)展，若沒有傳感器，智能家居將止步第一階段。

　　二、電能傳感器在智能家電中的應(yīng)用

　　智能家電身穿許多傳感器，電能傳感器是智能家電最基本的傳感器之一，它能檢測智能家電運(yùn)行的電氣數(shù)據(jù)，如功率、電壓、電流、電量、功率因素等，云平臺(tái)通過這些數(shù)據(jù)可以監(jiān)測智能家電運(yùn)行真實(shí)狀態(tài)。

　　(1) 電能傳感器應(yīng)用實(shí)例

　　·家電處于待機(jī)時(shí)，電流、功率值很低，云平臺(tái)自動(dòng)執(zhí)行節(jié)能操作;

　　·家電工作正常時(shí)，功率、電流、電壓等參數(shù)處于正常范圍之內(nèi);

　　·家電出故障時(shí)，功率、電壓、電流不匹配，云平臺(tái)提醒用戶，通知維修人員上門服務(wù);

　　·家電超負(fù)荷工作時(shí)，功率、電流參數(shù)超出正常工作范圍，云平臺(tái)自動(dòng)關(guān)閉家電。

　　云平臺(tái)收集電能數(shù)據(jù)，可以通過數(shù)據(jù)分析，智能執(zhí)行自動(dòng)節(jié)能、安全用電、故障排查等操作;家電制造商拿到數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)分析，可以監(jiān)測產(chǎn)品故障率、維修情況、耗電量、用戶使用喜好，監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量問題，分析潛在市場需求;政府部門拿到數(shù)據(jù)，可以分析各種家電的能源消耗量，協(xié)助制定相關(guān)的政策，監(jiān)督各品牌的產(chǎn)品質(zhì)量等。

　　(2)電能傳感器結(jié)構(gòu)介紹

　　電能測量的主流方法是使用專業(yè)電能計(jì)量芯片，芯片內(nèi)部包含高精度ADC、濾波器、陷波，集成專業(yè)的電能計(jì)量算法，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理，通過接口輸出電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)。電能傳感器主要包含：電能計(jì)量芯片、采樣電路、工作電源、隔離電路、單片機(jī)(可選)。

　　電能傳感器工作原理：采樣電路對(duì)電流、電壓信號(hào)進(jìn)行采樣;電能計(jì)量芯片將信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，內(nèi)部計(jì)算功率值、電壓值、電流值等;單片機(jī)對(duì)電能計(jì)量芯片的輸出進(jìn)行讀取，并對(duì)電能參數(shù)進(jìn)行初始處理;再通過隔離電路與外部的控制器進(jìn)行通訊，將電能參數(shù)傳送到主控制器中。電能傳感器的關(guān)鍵器件是電能計(jì)量芯片，負(fù)責(zé)將家電用電模擬信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息。電能計(jì)量芯片決定電能傳感器的關(guān)鍵參數(shù)，如測量參數(shù)、精度、體積等。

　　(3)電能傳感器對(duì)電能計(jì)量芯片有哪些要求?

　　智能家電功能模塊越來越多，預(yù)留空間越來越小，電能傳感器應(yīng)具備體積小、外圍電路簡單、接口簡單的特點(diǎn);電能傳感器傳輸數(shù)據(jù)要達(dá)到有效價(jià)值，必須要求能夠測量多種參數(shù)(功率、電流、電壓、電量)，精度較高。作為關(guān)鍵器件的電能計(jì)量芯片，有如下要求：

　　·體積小，外圍電路簡單。電能計(jì)量部分占PCB板很大一部分，電能計(jì)量芯片體積小、外圍電路簡單是非常重要，可以減少PCB板面積，降低傳感器的故障率;

　　·接口簡單。部分家電主控制器預(yù)留的接口資源不多，簡單的接口更容易進(jìn)行通訊。若電能傳感器帶單片機(jī)，簡單的芯片接口，設(shè)計(jì)者可以選擇更具性價(jià)比的單片機(jī);

　　·可測量多種參數(shù)，功率、電流、電壓、電量。電能計(jì)量芯片若能測量這些參數(shù)，電能傳感器提供的數(shù)據(jù)才有前文提到的用途，否則這些數(shù)據(jù)的價(jià)值會(huì)大打折扣;

　　·校準(zhǔn)方便。由于采樣電路存在比較大的誤差，尤其是電流采樣電阻，所以電能計(jì)量類產(chǎn)品都需要進(jìn)行校準(zhǔn)，才能達(dá)到滿意的精度。考慮到成本問題，電能傳感器中若不帶單片機(jī)，校準(zhǔn)時(shí)必須與主控制板連接之后進(jìn)行整機(jī)校準(zhǔn)，增加了生產(chǎn)的步驟及復(fù)雜度，也會(huì)一定程度上降低生產(chǎn)效率。

　　針對(duì)電能傳感器的要求，這里選擇一款在智能插座方面用得比較多的電能計(jì)量芯片(HLW8012)作為一個(gè)參考。HLW8012是合力為科技的電能計(jì)量芯片，專門應(yīng)用于智能家居、智能路燈、充電樁等場合，已有許多知名廠家用在智能家居方面，可以測量有功功率、電量、電壓有效值、電流有效值，SOP8封裝，體積比較小，外圍電路簡單，接口1~3線。有功功率，在1000:1范圍內(nèi)達(dá)到±0.3%的精度;電流或電壓有效值，在500:1范圍內(nèi)達(dá)到±0.5%的精度，完全滿足現(xiàn)在的需求。

　　(4)電能計(jì)量芯片HLW8012應(yīng)用于電能傳感器

　　下圖是電能計(jì)量芯片HLW8012應(yīng)用原理圖。

　　HLW8012特點(diǎn)歸納如下：

　　·HLW8012外圍電路簡單，主要包括電流、電壓的采樣。電流信號(hào)通過錳銅電阻對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行采樣，電壓信號(hào)通過電阻網(wǎng)絡(luò)分壓采樣，元器件少，且HLW8012集成RC震蕩器、參考電壓，SOP8封裝，電能計(jì)量部分體積可以很小。

　　·HLW8012將功率、電壓、電流、電量等數(shù)據(jù)通過CF、CF1腳以脈沖的方式輸出。具有完整的電能參數(shù)。

　　·CF腳輸出脈沖頻率大小即表示有功功率值，CF輸出脈沖個(gè)數(shù)表示電量。CF1輸出脈沖頻率表示電壓有效值/電流有效值。MCU與HLW8012的接口如下表：

　　用戶可以根據(jù)測量參數(shù)實(shí)際需求選擇不同的接口方式。

　　合力為科技專注于智能家居的電能測量方案，有很豐富的經(jīng)驗(yàn)，可以針對(duì)不同客戶的實(shí)際情況，提出不同的校準(zhǔn)方案，降低產(chǎn)品的校準(zhǔn)復(fù)雜度。后續(xù)會(huì)有針對(duì)性提高校準(zhǔn)方便性的解決方案，甚至推出更智能化的電能傳感器解決方案。

　　三、展望

　　物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對(duì)大數(shù)據(jù)的需求越來越大。智能家電必然是集各類傳感器于一身，而電能傳感器作為最基本的傳感器，也將會(huì)變成一種標(biāo)準(zhǔn)品，更趨于體積小型化、接口簡單化、多功能化、智能化。作為電能傳感器的關(guān)鍵器件，電能計(jì)量芯片將會(huì)體積更小、功能更強(qiáng)、精度更高、集成度更高，并具有簡單自我學(xué)習(xí)能力。