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    节能智能插座方案发展趋势

    节能智能插座方案发展趋势

    • 作者:庄和闲科技
    • 来源:
    • 发布时间:2014-03-25 00:00
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    【概要描述】节能智能插座方案发展趋势  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、主副控插座、无线智能插座、WIFI智能插座、待机功耗  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

    节能智能插座方案发展趋势

    【概要描述】节能智能插座方案发展趋势  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、主副控插座 、无线智能插座 、WIFI智能插座 、待机功耗  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

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    • 作者 :庄和闲科技
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      节能智能插座方案发展趋势

      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、主副控插座、无线智能插座、WIFI智能插座、待机功耗

      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,甚至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,针对现有家用电器的普及状况推出产品,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

      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Cirrus Logic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,可以考虑选择国产电能计量芯片,比如专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、主副控插座。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。主副控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。

      当主副控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、红外主副控插座 。在主副控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,基本都配备周边设备,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控插座,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 ,打开电视机电源,此时电视机进入待机状态,在一定时间内 ,若遥控器打开电视机,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。

      考虑到不同电视机待机功耗不同 ,有些红外主副控插座还带有学习功能 ,可以适用于不同类型的电视机 。

      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。

      市场中WIFI智能插座,Belkin(贝尔金) 、BroadLink(博联)、欧瑞博的名气较大,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,比如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,人回到家门口,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;主副控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。WIFI智能插座将会是体验最好的主流产品 。

      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:集成电能计量模块 、MCU 、无线通讯接口等 。芯片框图如下 :

      

     

      集成化之后 ,可带来以下优势:

      (1)集成内置晶振 ,简化外围电路;(2)集成电能计量模块,可直接测量电流、电压、功率、节省MCU与电能计量芯片的连接资源;(3)集成EEPROM ,可以记录电器用电量,各种用户配置 ,更适用于学习型产品;(4)集成UART、SPI接口,可以直接与无线模块进行通讯(WIFI/蓝牙/Zegbee),方便于实现无线智能插座;

      高集成化之后 ,将电能采集与MCU集成 ,外围电路简单,产品体积更小,可以直接与无线模块进行通讯,可以进行更多的功能配置 ,产品可具有更广的拓展性。

      专用节能智能插座芯片的发展、方案更智能化的发展、产品更多元化发展,才能整体提高节能智能插座的行业发展。

      链接 :www.wjfanqun.com

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