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
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
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。
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