节能智能插座方案

节能智能插座方案“芯”动向摘要：电器使用越来越多，能源消耗越来越大，尤其是由于人为习惯造成的待机功耗浪费更大。面对生活更加便利，电器更加智能，电器更加节能的要求，节能智能插座成为现在最有效提高人们生活品质、解决节能问题的方法之一。关键词：电能计量芯片、节能智能插座、计量插座、主副孔插座、无线智能插座、待机功耗、智能家居一、节能背景随着科技进步，越来越多的数码产品、电器已进入家庭，如电视机、空调、冰箱、热水器等高能耗电器，为人类的生活创造了非常多的便利，但同时也造成家庭能源消耗的急剧增长，尤其是待机功耗的浪费，与全球范围开始倡导的低碳地球背道而驰。根据国际经济合作组织的一项调查称，各国因待机而消耗的能量约占能耗总数的3％～13％。统计数据为：澳大利12％左右，韩国11％左右，德国10％左右，英国8％左右，日本7％左右，美国5％左右，芬兰5％左右。目前我国城市家庭的平均待机能耗已经占到了家庭总能耗的10%左右，相当于每个家庭使用着一盏15~30W的“长明灯”。待机能耗像一只隐形的吸血虫，在浪费能源的同时形成了巨大的环保压力。“待机能耗”是指具有待机功能的电器设备在不使用的时候，没有断开电源所发生的电能消耗。具有待机能耗的电器设备主要有空调、电脑与通讯系统（包括电脑主机、显示屏、电脑音响、打印机、扫描仪、充电器、路由器等）、家庭视频与音频系统（包括电视机、DVD、VCD、音响、功放、机顶盒、卫星接收器等）。为了避免频繁插拔电器插头的麻烦，许多用户很习惯地采用不断开电源，使电器长期处于待机状态。待机功能在为居民用户提供便利的同时，也造成了大量的能源浪费。同时不断开电器电源，电器长期处于待机或工作状态，还可能会引起灾难性事件。下面是常见电器的待机功耗：如上表，一个家庭中电器齐全，若用户全年不关闭电器，电器处于待机状态，待机功耗浪费956.1度电。若一个城市有50万户家庭，一年的能源浪费可达到4.8亿度电。这不单关系到居民的利益浪费，还造成国家能源的极大浪费，所以降低电器功耗、解决电器待机功耗势在必行；面对强烈的低能耗需求，家电企业不断改善产品，降低工作功耗，尤其是待机功耗，虽然已有明显效果，但电器的更新换代却是一个漫长的时间。随着物联网的兴起，各种节能方案的提出，使家庭的节能需求看到了解决的希望，家电企业或智能家居企业推出各类智能家居系统，在为生活提供便利的同时，也节省能耗，但是今下，一整套智能家居系统的价格居高不下，很难得到普及，所以现在的家庭电器节能仍是一大难题，于是许多企业在配件方面寻找解决方案，针对现有家用电器普及状况推出配件产品，在不改变用户使用习惯或提高体验性前提下，对家用电器进行节能。节能智能插座——现在最有效的节能产品之一，是一种转接装置，经过此插座的转接，再将家用电器接到此插座上，此产品可以主动切断电器电源以节省大量用户，用户也不需要时刻记得关闭电器。节能智能插座的工作功耗基本0.2W，相当于家电有待机功耗的二十分之一，甚至百分之一。二、节能智能插座实现方式现在市场上大多数节能智能插座的结构主要包括几个部分：电能采集模块、控制器、继电器、人机界面或无线通讯模块。用户通过人机界面或无线通讯模块设置断开的电源条件，可以设置定时断开电器的电源，在设定的时间段内断开电源；设置家用电器耗电阈值，在电器用电低于阈值时，断开电源。控制器通过电能采集模块对电器的电能及功率进行采集，判断电器用电情况，对继电器进行操作以控制电源的开关。此产品可以记录电器的总用电量，显示当前用前功耗等功能，方便用户了解各电器的耗电情况。电能及功率采集模块是节能智能插座的核心部分，若采集到的数据不正确可能会导致误操作，影响平时的正常使用。电能采集模块实现方式主要有3种：1、采用比较器采用这种方式一般只检测电器的电流信号，电压为固定值，将切断功率阈值折算为电流有效值。通过采样电路将电器的电流信号进行采样，与硬件设定的切断阈值进行比较，MCU根据比较器的输出，判断电流与切断阈值的大小关系，控制电器电源的开关。比较器一般使用LM358进行设计。电流信号为交流信号，比较器的参考电压值为固定正向值，电流信号必须使用互感器进行传输，经过整流、滤波，才能连接到比较器的输入端。若电网中存在较大的容性或感性谐波，功率因数（PF）1，采样到的电流信号有效值误差大，可能导致误操作。由于这种插座内部比较器的参考电压为固定值，切断功率阈值不能改变，所以一般只适用于特定的电器；有些产品可以通过手动调整功率旋钮，改变切断功率阈值，但手动调整准确度低，用户使用不方便。所以这种实现方式一般只适用于特定电器，且电网质量较好的场合。2、采用控制器集成的ADC通过采样电路，配合集成ADC的MCU进行测量。采用这种方式一般只测量电器的电流信号，电压为固定值，根据电流信号大小折算成功率。电流信号为交流信号，而MCU的ADC一般只能单端输入，电流采样电路中必须使用互感器进行传输，经过整流再进行积分，才能被MCU的ADC较准确的测量。MCU集成的ADC一般是10bit，电流测量范围小，有效动态范围一般只有256:1。若电网中存在较大的容性或感性谐波，功率因数（PF）1，测量电流的误差越大，所以这种方式一般只适用于功耗变化范围小，且电网质量较好的场合。采用这种方式可以通过人机界面设置切断电源的功率阈值，内部将功率值转化为电流值，将测量到的电流值与阈值比较，若小于阈值，则插座切断电器电源。3、采用专用的电能计量芯片主要有CirrusLogic的CS5460、CS5463，ADI的ADE7755。专业的电能计量芯片内部至少集成2路ADC（内部带运放），可同时对电流、电压信号进行采样；模拟输入端信号可为交流信号，不影响信号的失真；集成50Hz/60Hz陷波；集成DSP，对电压、电流信号进行高速计算，滤除功率因数的影响，得到真实的有功功率值。电能计量芯片的动态范围=500:1，测量精度达到0.1%。MCU与电能计量芯片进行通讯，读取当前功率、电能值，或者通过光耦对计量芯片输出的功率脉冲进行计数，计算电能及功率。使用电能计量芯片，采样电路可以不需要互感器、整流，外围电路简单，MCU与计量芯片通讯或连接资源较少，使用资源较少的MCU可以实现。若芯片的动态范围足够大，可以准确测量到更低的功率值，可以适用更多的电器。上述几款电能计量芯片功率测量准确性高，但是价格高，并且引脚较多，还需要外置晶振，后续产品不能做到体积很小。现在国内也有电能计量芯片，电能采集部分也可以考虑选择国内芯片，比如专门用于节能智能插座的芯片HLW8012，除了基本的电能计量芯片特点之外，还可以测量电压、电流有效值，SOP8封装，内置晶振，动态范围1000:1，外围电路比较简单，采集主板面积可以做得很小。以下表格是对3种节能智能插座实现方式的比较：三、节能智能插座种类普通节能智能插座存在一些不足点：插座体积较大；只能控制一个电器。插座制造企业不断对产品进行更新换代，延伸出许多不同的产品，主要有以下几种：1、主副孔插座。主机关闭或待机之后，周边设备的电源同时被切断。电脑一般都会与周边设备一起使用，如显示器、打印机、音箱等。只有在主机使用，这些周边设备才会使用，主机关闭或待机之后，周边设备就被闲置。若用户忘记关闭周边设备，电器一直会处于待机模式，造成电量浪费。主副孔插座是一种创新型的排插，孔位一般分为主机孔、受控孔、常用孔。使用时主机（电脑或其他设备）连接到主机孔，周边设备连接在受控孔。主机启动之后，采集主板检测到主机的功率变大，采集主板会延时打开周边设备；主机关闭或待机之后，采集主板检测到主机的功率下降到阈值，则会延时关闭周边设备。使用这种插座，只要关闭主机，就不用担心忘记关闭周边设备，打开主机时，也不用一一打开周边设备，可以智能、有效地节省家庭或办公用电。现已有较多企业量产此类产品，公牛在这方面产品挺出色。当主副孔插座使用于不同的电器系统时，主机的待机功率不同，则关闭周边设备的阈值不同，于是可以增加切断阈值学习功能，针对不同主机可以学习不同的关闭阈值。2、红外主副孔插座。在主副孔插座基础上增加红外接收功能，当红外遥控控制主机开关时，插座采集主机功率，再控制主机及周边设备电源的开关。现在许多家庭使用电视机时，基本都配周边设备，如机顶盒、音箱等设备。用户习惯使用遥控关闭电视机，没有去断开电视机、周边设备的电源，此时周边设备处于正常运行或待机状态，功率非常大。若将电视机及周边设备连接到红外主副孔插座，电视机连接主机孔，周边设备连接受控孔，使用遥控关闭电视机时，电视机接收到红外信号，电视机进入待机，插座会检测到电视机的功率降低，达到阈值时，插座切断电视机及周边设备的电源，不需要人为逐一关闭电源；使用遥控打开电视机时，插座接收到遥控信号，测量电视机当前功率后，判断电视机工作状态，打开电视机电源，此时电视机进入待机状态，在一定时间内，若遥控器再次按下“开关”键，电视机就会进入正常播放，同时插座检测到电视机功率上升，再打开周边设备的电源。使用这种插座可以在不改变用户使用习惯的前提下，节省电视机及周边设备的用电。考虑到不同电视机遥控的开关键键值不同，有些红外主副孔插座还带有红外学习功能，可以适用于不同类型的遥控器。3、无线智能插座。在普通节能智能插座基础上进行创新，增加无线通讯模块（WIFI/蓝牙/Zegbee），配合移动设备上的APP软件，远程或室内无线控制电器的关闭与打开。无线智能插座可以分为2种：室内无线控制、室外无线控制。室内无线控制型基本上是使用WIFI或蓝牙，使用移动设备或者专用遥控进行控制。室外无线控制型基本上是使用WIFI或Zegbee，通过家庭路由器或专用路由器，连接到服务器，用户在室外，移动设备只要可以上网，就可以直接查看或控制家庭各个电器。配合无线智能插座，移动设备上安装APP，使用手机配置好各个插座的无线设置，设置各个电器名称，在移动设备上可以进行分类管理：厨房、大厅、主室、卧室等，配置好之后就可以查看到家庭各个电器的运行情况：总用电量、当前功率、当前电压、当前电流；可以控制各个电器的电源开或关；若电器的运行状态出现不正常情况，无线智能插座会通过APP反映到移动设备上。通过无线智能插座，晚上回家前打开灯光；出门时不用担心饮水机忘记关闭，回家前可以提前打开饮水机；出门时不用担心热水器没有关，回家前可以提前打开热水器；出门时不用担心空调没有关，还可以在回家前打开空调等等。不但节能用电、安全用电，还可以提高用户的生活体验。现在了解到的无线智能插座，Belkin（贝尔金）的名气较大，随着用户生活品质提升，这类产品需求将会越来越大，现在国内也越来越多厂家涉入此产品。无线智能插座，还可以做进一步的创新，Zuli公司开发出一种产品，在房间内装置几个插座，用户携带移动设备，人走到哪里，插座就会定位出人的位置，对电器进行智能控制，如用户离开家之后，自动关闭家里电器，用户回到家门口，自动打开灯或其他电器。四、节能智能插座“芯”动向单体节能智能插座体积将会越来越小；主副孔插座将会适应越来越多的设备系统；无线智能插座体积将会更小，更加智能，如智能定位等。在智能家居系统真正普及之前，节能智能插座是很有效解决节能问题的方法之一。无线智能插座可以延伸出非常多的用户体验，使家庭电器更加省电、更加安全，生活更改舒适，随着智能移动设备的普及，3G网络的普及，节能智能插座的发展将会更偏向于无线智能插座。面对如此的发展趋势，电能计量芯片发展动向将会走向高集成化，SOC。集成电能计量芯片、MCU、无线通讯接口等。