家電智能化趨勢凸現(xiàn)，節(jié)能需求成關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力

在今年上海世博會(huì)上，“綠色低碳”、“節(jié)能環(huán)保”成為主旋律，智能家電/智能家居生活場景的展示令人印象深刻：冰箱的液晶可顯示儲(chǔ)存食品的狀況，及時(shí)提醒需要補(bǔ)足的食材，并自動(dòng)與超市聯(lián)網(wǎng)配送物品；洗衣機(jī)能夠自動(dòng)識(shí)別衣物材質(zhì)選擇恰當(dāng)?shù)南礈炷Ｊ?；出門在外，只需通過手機(jī)等終端平臺(tái)發(fā)條短信就能對家電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制……結(jié)合了尖端科技與人性化設(shè)計(jì)的智能家電正在從創(chuàng)意概念一步步變成現(xiàn)實(shí)，而這種新趨勢也將為傳統(tǒng)家電行業(yè)注入創(chuàng)新活力，甚至引發(fā)新一輪行業(yè)洗牌。

“預(yù)計(jì)智能家電所帶來的商業(yè)影響將是全球范圍的。”愛特梅爾()公司戰(zhàn)略營銷經(jīng)理Pierre Roux指出。目前，智能家電市場處于發(fā)展初期，面臨標(biāo)準(zhǔn)、成本、產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)、商業(yè)模式等諸多問題，還需要經(jīng)歷一個(gè)較長的市場培育期，規(guī)模商用尚需時(shí)日。不過，“由于人們提高用能效率的意識(shí)不斷高漲，加上多項(xiàng)政府計(jì)劃的激勵(lì)，在接下來的幾年里，智能家電的部署進(jìn)程將有望加速。”Pierre Roux表示。

主打節(jié)能牌

作為電力網(wǎng)的終端用電設(shè)備，的能耗不容小覷，即使是待機(jī)功耗也是一項(xiàng)不小的開銷。據(jù)中國節(jié)能認(rèn)證中心調(diào)查，中國城市家庭的平均待機(jī)功耗相當(dāng)于每個(gè)家庭每天都亮著一盞25瓦到50瓦的長明燈。據(jù)測算，家電待機(jī)能耗已占到中國家庭電力消耗的20%以上。美國能源部的報(bào)告也顯示，超過三分之一的美國發(fā)電量被用于。

智能控制技術(shù)、信息技術(shù)的快速發(fā)展為家電智能化提供了可能，智能家電由于能夠?qū)崿F(xiàn)更高效能而被認(rèn)為是促進(jìn)節(jié)能降耗的有效途徑。據(jù)悉，美國協(xié)會(huì)（AHAM）已經(jīng)聯(lián)合26家家電企業(yè)及能源監(jiān)管組織，達(dá)成一項(xiàng)關(guān)于提高家電產(chǎn)品能源效率、節(jié)水能力以及促進(jìn)智能家電產(chǎn)品研發(fā)的協(xié)議，該協(xié)議還申請將智能家電列入“能源之星”認(rèn)證計(jì)劃。

“我們已經(jīng)看到智能家電產(chǎn)品在全球（包括中國在內(nèi)）市場的日益增長。”公司亞太區(qū)家電部市場經(jīng)理Alan Lee分析，這一方面緣于人們生活水平的提高，傾向使用性能更好的家電產(chǎn)品；另一方面，在全球變暖和能源成本不斷上升的壓力下，市場更加青睞高能效的智能家電。

“人們對節(jié)能降耗、人機(jī)界面和通信功能等方面的需求將是拉動(dòng)智能家電市場增長的主要力量。”意法半導(dǎo)體(ST)大中國區(qū)微控制器事業(yè)部市場經(jīng)理James Wiart也談到，現(xiàn)在世界很多國家，包括中國在內(nèi)都在鼓勵(lì)家電廠商研制這類智能家電。”

看好智能家電在節(jié)能領(lǐng)域的發(fā)展前景，全球家電廠商紛紛制定開發(fā)計(jì)劃或推出相關(guān)產(chǎn)品。例如，美國Whirlpool公司宣布2011年將在市場上出售100萬臺(tái)智能干衣機(jī)；并在2015年之前，將實(shí)現(xiàn)全部新產(chǎn)品的智能化。GE公司開發(fā)的智能熱水器產(chǎn)品目前已經(jīng)上市，該公司表示在2010年還陸續(xù)推出一系列智能家電。海爾、海信、美的等中國家電企業(yè)也競相推出全套智能家電方案。

基礎(chǔ)技術(shù)到位，標(biāo)準(zhǔn)尚待統(tǒng)一

智能家電并非全新概念，數(shù)年前，單項(xiàng)家電產(chǎn)品的智能化功能就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，諸如全自動(dòng)洗衣機(jī)、數(shù)控電飯煲等產(chǎn)品早已進(jìn)入人們的生活。隨著3C融合、三網(wǎng)融合以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用逐步深入，家電將朝著多智能化、自適應(yīng)化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。新一代智能家電需要解決各種家電設(shè)備之間的互連互通以及家電網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的通信問題。

從系統(tǒng)開發(fā)層面看，智能家電是一個(gè)復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，其研發(fā)過程涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，包括電機(jī)變頻技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)、先進(jìn)圖形界面技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等。針對智能家電系統(tǒng)的三個(gè)基礎(chǔ)技術(shù)——人機(jī)界面、連接和先進(jìn)的電機(jī)控制，的Alan Lee逐項(xiàng)分析道：“隨著節(jié)能意識(shí)的不斷提高，消費(fèi)者希望了解他們的消費(fèi)模式，而QVGA液晶圖形顯示以及觸摸傳感技術(shù)可以以一種用戶友好的方式展示這一信息；采用創(chuàng)新的可以形成一個(gè)完整的嵌入式智能控制；此外，智能家電需要連接到智能電表或者宅內(nèi)管理設(shè)備，以便能夠共享和接收到能源使用數(shù)據(jù)和分時(shí)用電事件，這就需要穩(wěn)健的有線和無線連接，例如那些以Wi-Fi或ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)的解決方案。”

家庭網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是構(gòu)建智能家電系統(tǒng)的關(guān)鍵之一，家庭網(wǎng)絡(luò)主要分成家電控制網(wǎng)絡(luò)、家庭A/V網(wǎng)絡(luò)和家庭數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。在IP域方面，全球廠商大多遵循標(biāo)準(zhǔn)，未來將向通信技術(shù)發(fā)展；但在非IP域方面，目前尚無全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn)分屬不同陣營，不同廠商設(shè)備無法互連互通。比較典型的標(biāo)準(zhǔn)有，美國的UPnP、SCP及LonWorks，日本的Echonet，歐洲的KNX標(biāo)準(zhǔn)。中國的閃聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)以及e家佳聯(lián)盟主導(dǎo)提報(bào)的《家庭多媒體網(wǎng)關(guān)通用要求》也已晉級(jí)為國際標(biāo)準(zhǔn)。

低功耗控制方案成主流

電機(jī)的功耗在家用電器的整體能耗中占據(jù)很大比例，一直以來，業(yè)界都在尋求更先進(jìn)的電機(jī)控制技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)低功耗控制方案。“例如，在永磁同步電機(jī)中使用無磁場定向控制（FOC）技術(shù)，就可實(shí)現(xiàn)能效更高、運(yùn)行更平順、噪聲更低的控制方案。”的Alan Lee進(jìn)一步分析道：單獨(dú)使用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），不僅提高了成本，而且需要一個(gè)外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），因?yàn)樗鼈儾⒉粚ｉT用于嵌入式控制；的使用費(fèi)用太過昂貴，需要NRE費(fèi)用，且開發(fā)周期較長；相較而言，大多數(shù)MCU都是現(xiàn)成器件，兼具成本效益且使用靈活，而且由于內(nèi)置電機(jī)控制脈寬調(diào)制（PWM）模塊和高速ADC，因而可降低系統(tǒng)的總成本。“要實(shí)現(xiàn)無磁場定向控制永磁同步電機(jī)，除了MCU的電機(jī)控制外設(shè)，還需要有數(shù)字信號(hào)處理引擎。”Alan Lee強(qiáng)調(diào)，Microchip通過將MCU和 DSP兩者功能集成于專用16位dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）中，解決了上述問題。

如何控制多種家電設(shè)備是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。“給每個(gè)設(shè)備配備一個(gè)控制面板的成本太高，多個(gè)設(shè)備共用一個(gè)中央控制面板是最佳解決方案。”公司的Pierre Roux指出，“這種中央控制面板可以固定安裝在家庭的某個(gè)中心位置，也可以是一個(gè)便攜裝置，這二者都有市場。”針對智能家電市場，提供完整的AVR 8/32位微控制器和基于ARM核的AT91SAM微控制器產(chǎn)品，以及作為智能化家庭組件核心的微處理器，可實(shí)現(xiàn)功耗更低、性能更佳的解決方案。

為降低智能家電研發(fā)工作量，縮短設(shè)計(jì)周期，ST為客戶提供各種微控制器及配套軟件。主要的芯片產(chǎn)品包括用于變頻技術(shù)的F103；用于變頻技術(shù)和以太網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)通信的STM32F200；用于ZigBee通信的STM32W。ST的James Wiart介紹，在該公司現(xiàn)有的135款STM32微控制器中，每款產(chǎn)品的管腳和軟件相互兼容，為智能家電設(shè)計(jì)人員提供了最大的選擇靈活性。

ZigBee扮演重要角色

在家庭無線聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，目前802.15.4 和 802.11兩種無線標(biāo)準(zhǔn)都獲得廣泛采用，此外還有無線M-Bus、電力線通信()技術(shù)等。在如何保持家電設(shè)備之間的通信鏈路暢通，或者是如何在無需使用任何計(jì)算機(jī)或人工干預(yù)之下對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置等方面，不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)各有其優(yōu)勢和劣勢。

“這帶來兩方面挑戰(zhàn)，”Atmel的Pierre Roux指出，其一是來自不同供應(yīng)商的智能家電之間的互操作性問題。由于不同地區(qū)推出的家庭局域網(wǎng)絡(luò)(HAN)技術(shù)解決方案各不相同(比如，德國和東歐推出無線M-bus，而英國選擇2.4GHz 802.15.4，意大利則采用1GHz以下 802.15.4)，因此互操作性的難度增加。另一個(gè)挑戰(zhàn)是如何實(shí)現(xiàn)家電上電即插即聯(lián)網(wǎng)。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用逐漸成為現(xiàn)實(shí)，每個(gè)家庭還將需要網(wǎng)關(guān)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)HAN和智能電器解決方案之間的橋接。

相較而言，ZigBee由于具有低耗電、低數(shù)據(jù)速率、低成本、支持大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等特性而占據(jù)優(yōu)勢。因此，“ZigBee成為實(shí)施家庭局域網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先考慮方案。” 亞太區(qū)無線連接產(chǎn)品部市場經(jīng)理Victor Kwong介紹，通過應(yīng)用ZigBee技術(shù)，可以將家中的各種電器設(shè)備連接起來，還可以通過網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，這樣用戶就可以方便的在任何地方監(jiān)控家里的情況，實(shí)現(xiàn)對電器的智能控制。

不過，“基于ZigBee的智能家用電器系統(tǒng)對射頻和網(wǎng)絡(luò)性能都有要求，這兩方面也是實(shí)現(xiàn)該方案的基本要素和主要挑戰(zhàn)。”Victor Kwong指出，許多客戶不具備相關(guān)專業(yè)知識(shí)和優(yōu)勢來確保健壯和優(yōu)化的硬件設(shè)計(jì)，尤其在射頻設(shè)計(jì)方面。此外，智能家電產(chǎn)品設(shè)計(jì)還需滿足不同的協(xié)議棧需求，例如ZigBee Home (HA)與ZigBee Energy (SE)等，以及不同的硬件需求。為此，提供了一個(gè)完整的符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)，該平臺(tái)包括帶有參考設(shè)計(jì)的芯片和軟件棧，可幫助客戶以簡便的方式生產(chǎn)符合ZigBee認(rèn)證的產(chǎn)品。例如，第三代ZigBee PiP 器件就簡化了射頻設(shè)計(jì)。

據(jù)Victor Kwong介紹，F(xiàn)reescale已與意大利家電廠商Indesit合作，為ZigBee 互連白色家電提供智能家電解決方案。“Indesit公司最近推出了配備了Freescale ZigBee節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)項(xiàng)目，第一個(gè)是采用Indesit動(dòng)態(tài)需求控制技術(shù)的智能冰箱，能夠根據(jù)供電情況管理用電；第二個(gè)是，這是一個(gè)研究項(xiàng)目，對旨在優(yōu)化能耗的家電互連系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。”此外，F(xiàn)reescale還在與亞洲本地制造商合作開發(fā)采用HAN解決方案的智能家電產(chǎn)品。