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智能家电的感知系统—电能计量模块

时间:2020-09-30|作者:Admin

1 智能家电的兴起及发展


1.1 智能家电的兴起

      在互联网大潮的冲击下,“智能家电”的概念开始兴起,无论是传统家电企业,还是IT企业,都把抢占客厅作为营销的主战场。

      智能家电就是将微处理器、传感器技术、网络通信技术引入家电设备后形成的家电产品,具有自动感知住宅环境、自身运行状态,能够自动控制及接收控制指令;同时,智能家电能够与住宅内其它家电、家居或设施联动组成系统。智能空调,智能冰箱,智能热水器,智能电视,智能电饭煲等名称已经耳熟能详。


1.2 智能家电的发展

      智能家居行业大致都认为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。

      移动终端安装APP,如手机、PAD等设备,通过手动进行远程控制。此阶段,实现家电的控制主要依靠人为干涉。由于家电有没有传感器模块,所以不能真正确定家电及环境的情况。

第二阶段:智能家电中加入传感器,可以感觉环境及自身的状况。

      比如感知到光线、温湿度、空气质量、家电自身工作状态,根据用户设置的条件进行触发控制。

第三阶段:智能家电系统拥有“大脑”,具有思考能力、学习能力。

      云端通过收集智能家电反馈回来的大数据,系统收集用户习惯,进行数据分析,推猜出用户在相应时空下的需求,进行自动控制。并且智能家电之间可以进行联动,进行数据共享,进行联动控制。

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      现阶段大部分智能家电都处于第一阶段,依靠移动终端远程或近程控制家电,家电的实际运行状态及周围环境不能反馈到移动终端,或者云端,只是一种单向指令传输,没有形成闭环系统。随着智能家电的发展,必然会发展到第三阶段,家电具备自我学习功能,减少用户控制操作,家电之间数据共享、互相联动,才能实现真正的智能。


2 电能计量模块的角色


      随着智能家电的发展,智能家电硬件内部必然会包含许多的传感器模块,比如电能计量模块,温湿度传感,光敏传感,红外传感,噪声传感,气体传感等。

电能计量模块充当传感器的角色。它是智能家电众多传感模块中最基本的传感器,用于检测工作电流、电压、功率、电量、电网质量等电能参数,下文称此模块为电能传感模块。家电的真正运行状态必须得通过这些参数来体现。比如家电高负荷工作时,电流、功率值很高;家电低负荷工作时,电流、功率值较低;家电处于待机时,电流、功率值最低。

      电能传感模块能正确地检测家电的运行状态。家电正在运行时,通过电能传感模块检测到功率、电流、电压等参数处于正常范围之内,表明工作正常,家电告知云端平台,在某一时间家电工作运行正常;若某个参数出现异常,比如电器本要大负荷运行时,但是功率及电流值却很小,表明家电出现某种故障或者已经老化,智能家电将告知云端平台,家电出现问题,并且提醒用户注意使用或者需要维修家电。

电能传感模块提供云端大数据分析的源数据。智能家电将电能传感模块在各个时间段检测到的电能数据反馈到云端。云端可以统计能耗,分析家电的耗电曲线,总结关键用电时间段,根据峰谷时间制定更节能的用电计划;云端可以记录家电的运行状态,若家电运行出现异常,云端平台自动报警或者自动关闭家电,此记录可为各类事故提供查找根据,提高安全用电;家电通过电能传感模块检测到正处于待机,智能家电将自动控制切断用电,只保持通讯及检测;云端对收集到家电的数据进行大数据分析,总结家电使用规律或者频率,使家电具有自我学习功能,推猜出家电将会进行哪些操作,当达到某一时间或条件时,家电自动控制,并且可以规划更优的使用控制,实现节能。

      电能传感模块有助于家电厂家设计更优产品。家电厂家可以通过对电能数据分析,区分不同地域或者人群使用家电的习惯、频率及耗能等,可以针对差异设计出更加合适的产品。


3 如何选择电能传感模块


3.1 电能传感模块实现方法

第一种:通过对电流电压进行采样,使用MCU进行AD转换,得到电流电压有效值,再通过算法计算功率。这种方法虽然成本较低,但是硬件、软件设计复杂,测量精度不高。若电流与电压存在相位差,或者电网质量较差时,得到的测量结果准确性下降。

第二种:使用专业的电能计量芯片对采样信号进行处理,通过芯片接口输出电流、电压、功率等数据。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,即使电流与电压存在相位差,仍能计算准确的有功功率。

随着电能计量芯片价格的下降、计量要求的提高,采用第2种实现方法已成为主流,设计的电能传感模块准确度高,精度高,软硬件设计简便,长时间工作稳定性高。


3.2 电能传感模块重点关注几点:

(1)体积小、外围简单

      大部分家电内部电路板的空间较小,电能传感模块的体积必须小,同时传感模块的元器件尽可能少,以降低故障率。应用于传感模块的电能计量芯片主要有CS5463,ADE7755,HLW8012等芯片,前2款芯片引脚较多、外置晶振,外部电路元器件较多;HLW8012在这几款芯片中外围电路最简单,模块体积最小。

(2)测量范围

      如电热水器、空调等家电满负荷电流可以达到10A以上,电能计量传感模块的测量范

围要求达到2200W以上,电流值测量范围达到10A~16A,电压值测量最大值约为384V。

不同功率,一般电压变化很小,电流(0~16A)采样信号变化比较大,所以电流采样电路必须注意不能超过ADC的最大输入范围(不同计量芯片最大范围不同)。电能计量芯片都可以满足不同的测量范围,只需要更改电流、电压采样电路即可。

(3)测量参数

      电能计量传模块能够测量电流、电压、功率、电量等基本参数,才能真正反映家电的运行状态。电压值监测家电当前的工作电压是否正常,电流值监测家电负载是否正常,功率值监测家电功率值是否处于安全范围之内,电量参数用于统计家电耗能。这类参数通过不断发往云端平台,用于大数据分析,可以完整监测家电运行情况。

(4)测量准确度

      按照国家电表等级分级:0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0,等级数值越小,表示精度越高,家庭民用电表一般是1.0级。电表的指示值X与被测量的实际值X0之间的差值ΔX,称为电表测量的绝对误差,绝对误差值与电表指示值X0之比,以百分数表示值称为电表的引用误差E0,即E0=(ΔX/X0)×100%。应用于家电的电能计量传感模块的测量准确度达到0.5~1.5等级即可。以上等级表示的精度主要是功率、电量方面的精度,家电上应用的电能计量芯片功率值动态范围达到1000:1即可,电流、电压值动态范围达到500:1即可。


4 电能传感模块的发展


      随着物联网的发展,智慧家庭系统中的端子:智能家电必然是集各类传感器于一身,而电能传感模块是最基本的传感器,电能传感模块将会变成一种标准品,更趋于体积小型化、接口简单化。

      现有的所有电能计量产品(电能表、计量插座等)都需要校,将外围元器件造成的误差降低到最小,否则除了功率本身误差大之外,长时间会导致电量误差更大。若使用家电整机校准,实际生产不方便,所以需要设计一些配件配合校准,减少操作步骤,提高生产效率。若电能传感模块能作为标准品,包含电能计量芯片、采样电路、MCU,使用通用接口输出数据:电流、电压、功率、电量、功率因素等。由于模块中包含MCU,模块可以预先校准好,再嵌入到智能家电中,那么就可以解决家电厂家整机校准问题。

来源:电子工程世界

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