智能家居電能傳感器，應大數據而生

　　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，對電特性進(jìn)行感知的模塊，可以監測電器的真實(shí)運行狀態(tài)。隨著(zhù)智能家居的發(fā)展，電能傳感器會(huì )發(fā)展為一種標準品嵌入到智能家電中，后續還會(huì )具備電器狀態(tài)指示、自我學(xué)習等功能。

　　??那么，該如何理解電能傳感器之于智能家居與大數據的重要性呢?

　　??一、從智能家居的發(fā)展歷程說(shuō)起

　　??隨著(zhù)各云平臺的發(fā)布(如云棲大會(huì )上發(fā)布的阿里云)和五中全會(huì )上將大數據上升為國家戰略，這些跡象都表明大數據技術(shù)(DT)時(shí)代即將到來(lái)，各大企業(yè)都在摩拳擦掌，要在DT時(shí)代成為弄潮者。智能家居是應物聯(lián)網(wǎng)而生的龐大應用場(chǎng)合，隨著(zhù)大數據的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)系統需要各種各樣的數據來(lái)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(xiàn)、或氣體等傳感數據，但所有家電最基本的數據是電能數據，因此電能傳感器是當前獲得電能數據的手段及未來(lái)的趨勢。

　　??值得一提的是，目前來(lái)說(shuō)我國在電能傳感器領(lǐng)域真正深入的企業(yè)并不多，而合力科技是為數不多較早涉入且專(zhuān)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 )在后面詳細分析。

　　??關(guān)于為什么需要這些傳感器，首先要從智能家居說(shuō)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)行遠程控制。此階段，實(shí)現家電的控制主要依靠人為干涉，是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統，能遠程控制，但不能獲得家電的自身數據，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(jué)環(huán)境及自身的狀況。如光線(xiàn)、溫濕度、空氣質(zhì)量、家電自身工作狀態(tài)，數據上傳到云平臺，平臺根據用戶(hù)設置的條件自動(dòng)觸發(fā)控制。此階段數據的流向可以形成一個(gè)閉環(huán)，但云平臺還不夠“智慧”，不能自我學(xué)習。

　　??第三階段：智能家電系統擁有“大腦”，具有思考能力、學(xué)習能力。云平臺收集智能家電反饋回來(lái)的數據，隨著(zhù)采集到的數據越來(lái)越大，大數據分析技術(shù)的提高，云平臺可以學(xué)習用戶(hù)的使用習慣，“思考”用戶(hù)在相應時(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域用戶(hù)使用喜好，設計更加多元化、更適合的產(chǎn)品。

　　??現在智能家居發(fā)展處于第二階段，隨著(zhù)各類(lèi)云平臺的發(fā)展，大數據提升到國家策略，大數據價(jià)值不斷被挖掘，智能家居現正加速向第三階段發(fā)展，若沒(méi)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行的電氣數據，如功率、電壓、電流、電量、功率因素等，云平臺通過(guò)這些數據可以監測智能家電運行真實(shí)狀態(tài)。

　　??(1) 電能傳感器應用實(shí)例

　　??·家電處于待機時(shí)，電流、功率值很低，云平臺自動(dòng)執行節能操作;

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

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

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

　　??云平臺收集電能數據，可以通過(guò)數據分析，智能執行自動(dòng)節能、安全用電、故障排查等操作;家電制造商拿到數據，進(jìn)行相關(guān)的數據分析，可以監測產(chǎn)品故障率、維修情況、耗電量、用戶(hù)使用喜好，監控產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，分析潛在市場(chǎng)需求;政府部門(mén)拿到數據，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，監督各品牌的產(chǎn)品質(zhì)量等。

　　??(2)電能傳感器結構介紹

　　??電能測量的主流方法是使用專(zhuān)業(yè)電能計量芯片，芯片內部包含高精度ADC、濾波器、陷波，集成專(zhuān)業(yè)的電能計量算法，對采樣信號進(jìn)行處理，通過(guò)接口輸出電流、電壓、功率等數據。電能傳感器主要包含：電能計量芯片、采樣電路、工作電源、隔離電路、單片機(可選)。

　　??電能傳感器工作原理：采樣電路對電流、電壓信號進(jìn)行采樣;電能計量芯片將信號轉化為數字信號，內部計算功率值、電壓值、電流值等;單片機對電能計量芯片的輸出進(jìn)行讀取，并對電能參數進(jìn)行初始處理;再通過(guò)隔離電路與外部的控制器進(jìn)行通訊，將電能參數傳送到主控制器中。電能傳感器的關(guān)鍵器件是電能計量芯片，負責將家電用電模擬信息轉化為數字信息。電能計量芯片決定電能傳感器的關(guān)鍵參數，如測量參數、精度、體積等。

　　??(3)電能傳感器對電能計量芯片有哪些要求?

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

　　??·體積小，外圍電路簡(jiǎn)單。電能計量部分占PCB板很大一部分，電能計量芯片體積小、外圍電路簡(jiǎn)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(jiǎn)單。部分家電主控制器預留的接口資源不多，簡(jiǎn)單的接口更容易進(jìn)行通訊。若電能傳感器帶單片機，簡(jiǎn)單的芯片接口，設計者可以選擇更具性?xún)r(jià)比的單片機;

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

　　??·校準方便。由于采樣電路存在比較大的誤差，尤其是電流采樣電阻，所以電能計量類(lèi)產(chǎn)品都需要進(jìn)行校準，才能達到滿(mǎn)意的精度?？紤]到成本問(wèn)題，電能傳感器中若不帶單片機，校準時(shí)必須與主控制板連接之后進(jìn)行整機校準，增加了生產(chǎn)的步驟及復雜度，也會(huì )一定程度上降低生產(chǎn)效率。

　　??針對電能傳感器的要求，這里選擇一款在智能插座方面用得比較多的電能計量芯片(HLW8012)作為一個(gè)參考。HLW8012是合力為科技的電能計量芯片，專(zhuān)門(mén)應用于智能家居、智能路燈、充電樁等場(chǎng)合，已有許多知名廠(chǎng)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(jiǎn)單，接口1~3線(xiàn)。有功功率，在1000:1范圍內達到±0.3%的精度;電流或電壓有效值，在500:1范圍內達到±0.5%的精度，完全滿(mǎn)足現在的需求。

　　??(4)電能計量芯片HLW8012應用于電能傳感器

　　??下圖是電能計量芯片HLW8012應用原理圖。

　　??HLW8012特點(diǎn)歸納如下：

　　??·HLW8012外圍電路簡(jiǎn)單，主要包括電流、電壓的采樣。電流信號通過(guò)錳銅電阻對負載電流進(jìn)行采樣，電壓信號通過(guò)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，電能計量部分體積可以很小。

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

　　??·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：

　　??序測量參數MCU與HLW8012連接

　　??1功率，電量1個(gè)IO口(1個(gè)外部中斷)

　　??2功率，電量 + 電流/電壓2個(gè)IO口(2個(gè)外部中斷)

　　??3功率，電量 + 電流 + 電壓3個(gè)IO口(2個(gè)外部中斷，1個(gè)GPIO)

　　??用戶(hù)可以根據測量參數實(shí)際需求選擇不同的接口方式。

　　??合力為科技專(zhuān)注于智能家居的電能測量方案，有很豐富的經(jīng)驗，可以針對不同客戶(hù)的實(shí)際情況，提出不同的校準方案，降低產(chǎn)品的校準復雜度。后續會(huì )有針對性提高校準方便性的解決方案，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)展對大數據的需求越來(lái)越大。智能家電必然是集各類(lèi)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 )變成一種標準品，更趨于體積小型化、接口簡(jiǎn)單化、多功能化、智能化。作為電能傳感器的關(guān)鍵器件，電能計量芯片將會(huì )體積更小、功能更強、精度更高、集成度更高，并具有簡(jiǎn)單自我學(xué)習能力。