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智能家居电能传感器 应大数据而生

2015-12-01来源: ofweek 关键字:智能家居  电能传感器  大数据
    电能传感器(Electric Energy Sensor),是指可以测量电器的功率、电流、电压、电量等参数,对电特性进行感知的模块,可以监测电器的真实运行状态。随着智能家居的发展,电能传感器会发展为一种标准品嵌入到智能家电中,后续还会具备电器状态指示、自我学习等功能。

  那么,该如何理解电能传感器之于智能家居与大数据的重要性呢?

  一、 从智能家居的发展历程说起

  随着各云平台的发布(如云栖大会上发布的阿里云)和五中全会上将大数据上升为国家战略,这些迹象都表明大数据技术(DT)时代即将到来,各大企业都在摩拳擦掌,要在DT时代成为弄潮者。智能家居是应物联网而生的庞大应用场合,随着大数据的发展,物联网系统需要各种各样的数据来支持智能家居的智能化。智能家电作为智能家电主体,不同的家电要求输出温湿度、或光线、或气体等传感数据,但所有家电最基本的数据是电能数据,因此电能传感器是当前获得电能数据的手段及未来的趋势。

  值得一提的是,目前来说我国在电能传感器领域真正深入的企业并不多,而合力为科技是为数不多较早涉入且专注于此领域的公司之一,其推出或即将推出的传感器解决方案非常具备代表性和借鉴意义,本文会在后面详细分析。

  关于为什么需要这些传感器,首先要从智能家居说起。智能家居的发展分为三阶段:

  第一阶段:使用移动终端进行远程控制。此阶段,实现家电的控制主要依靠人为干涉,是一个开环系统,能远程控制,但不能获得家电的自身数据,不能自动控制等。

  第二阶段:智能家电加入传感器,可以感觉环境及自身的状况。如光线、温湿度、空气质量、家电自身工作状态,数据上传到云平台,平台根据用户设置的条件自动触发控制。此阶段数据的流向可以形成一个闭环,但云平台还不够“智慧”,不能自我学习。

  第三阶段:智能家电系统拥有“大脑”,具有思考能力、学习能力。云平台收集智能家电反馈回来的数据,随着采集到的数据越来越大,大数据分析技术的提高,云平台可以学习用户的使用习惯,“思考”用户在相应时空下的需求,进行自动控制。家电制造商可以分析不同区域用户使用喜好,设计更加多元化、更适合的产品。

  现在智能家居发展处于第二阶段,随着各类云平台的发展,大数据提升到国家策略,大数据价值不断被挖掘,智能家居现正加速向第三阶段发展,若没有传感器,智能家居将止步第一阶段。

  二、电能传感器在智能家电中的应用

  智能家电身穿许多传感器,电能传感器是智能家电最基本的传感器之一,它能检测智能家电运行的电气数据,如功率、电压、电流、电量、功率因素等,云平台通过这些数据可以监测智能家电运行真实状态。

  (1) 电能传感器应用实例

  ·家电处于待机时,电流、功率值很低,云平台自动执行节能操作;

  ·家电工作正常时,功率、电流、电压等参数处于正常范围之内;

  ·家电出故障时,功率、电压、电流不匹配,云平台提醒用户,通知维修人员上门服务;

  ·家电超负荷工作时,功率、电流参数超出正常工作范围,云平台自动关闭家电。

  云平台收集电能数据,可以通过数据分析,智能执行自动节能、安全用电、故障排查等操作;家电制造商拿到数据,进行相关的数据分析,可以监测产品故障率、维修情况、耗电量、用户使用喜好,监控产品质量问题,分析潜在市场需求;政府部门拿到数据,可以分析各种家电的能源消耗量,协助制定相关的政策,监督各品牌的产品质量等。

  (2)电能传感器结构介绍

  电能测量的主流方法是使用专业电能计量芯片,芯片内部包含高精度ADC、滤波器、陷波,集成专业的电能计量算法,对采样信号进行处理,通过接口输出电流、电压、功率等数据。电能传感器主要包含:电能计量芯片、采样电路、工作电源、隔离电路、单片机(可选)。

  电能传感器工作原理:采样电路对电流、电压信号进行采样;电能计量芯片将信号转化为数字信号,内部计算功率值、电压值、电流值等;单片机对电能计量芯片的输出进行读取,并对电能参数进行初始处理;再通过隔离电路与外部的控制器进行通讯,将电能参数传送到主控制器中。电能传感器的关键器件是电能计量芯片,负责将家电用电模拟信息转化为数字信息。电能计量芯片决定电能传感器的关键参数,如测量参数、精度、体积等。

  (3)电能传感器对电能计量芯片有哪些要求?

  智能家电功能模块越来越多,预留空间越来越小,电能传感器应具备体积小、外围电路简单、接口简单的特点;电能传感器传输数据要达到有效价值,必须要求能够测量多种参数(功率、电流、电压、电量),精度较高。作为关键器件的电能计量芯片,有如下要求:

  ·体积小,外围电路简单。电能计量部分占PCB板很大一部分,电能计量芯片体积小、外围电路简单是非常重要,可以减少PCB板面积,降低传感器的故障率;

  ·接口简单。部分家电主控制器预留的接口资源不多,简单的接口更容易进行通讯。若电能传感器带单片机,简单的芯片接口,设计者可以选择更具性价比的单片机;

  ·可测量多种参数,功率、电流、电压、电量。电能计量芯片若能测量这些参数,电能传感器提供的数据才有前文提到的用途,否则这些数据的价值会大打折扣;

  ·校准方便。由于采样电路存在比较大的误差,尤其是电流采样电阻,所以电能计量类产品都需要进行校准,才能达到满意的精度。考虑到成本问题,电能传感器中若不带单片机,校准时必须与主控制板连接之后进行整机校准,增加了生产的步骤及复杂度,也会一定程度上降低生产效率。

  针对电能传感器的要求,这里选择一款在智能插座方面用得比较多的电能计量芯片(HLW8012)作为一个参考。HLW8012是合力为科技的电能计量芯片,专门应用于智能家居、智能路灯、充电桩等场合,已有许多知名厂家用在智能家居方面,可以测量有功功率、电量、电压有效值、电流有效值,SOP8封装,体积比较小,外围电路简单,接口1~3线。有功功率,在1000:1范围内达到±0.3%的精度;电流或电压有效值,在500:1范围内达到±0.5%的精度,完全满足现在的需求。

  (4)电能计量芯片HLW8012应用于电能传感器

  下图是电能计量芯片HLW8012应用原理图。

  HLW8012特点归纳如下:

  ·HLW8012外围电路简单,主要包括电流、电压的采样。电流信号通过锰铜电阻对负载电流进行采样,电压信号通过电阻网络分压采样,元器件少,且HLW8012集成RC震荡器、参考电压,SOP8封装,电能计量部分体积可以很小。

  ·HLW8012将功率、电压、电流、电量等数据通过CF、CF1脚以脉冲的方式输出。具有完整的电能参数。

  ·CF脚输出脉冲频率大小即表示有功功率值,CF输出脉冲个数表示电量。CF1输出脉冲频率表示电压有效值/电流有效值。MCU与HLW8012的接口如下表:

  用户可以根据测量参数实际需求选择不同的接口方式。

  合力为科技专注于智能家居的电能测量方案,有很丰富的经验,可以针对不同客户的实际情况,提出不同的校准方案,降低产品的校准复杂度。后续会有针对性提高校准方便性的解决方案,甚至推出更智能化的电能传感器解决方案。

  三、展望

  物联网的发展对大数据的需求越来越大。智能家电必然是集各类传感器于一身,而电能传感器作为最基本的传感器,也将会变成一种标准品,更趋于体积小型化、接口简单化、多功能化、智能化。作为电能传感器的关键器件,电能计量芯片将会体积更小、功能更强、精度更高、集成度更高,并具有简单自我学习能力。

关键字:智能家居  电能传感器  大数据

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2015/1201/article_9097.html
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