智能家居電能傳感器，應大數(shù)據(jù)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(shù)，對電特性進行感知的模塊，可以監(jiān)測電器的真實運行狀態(tài)。隨著智能家居的發(fā)展，電能傳感器會發(fā)展為一種標準品嵌入到智能家電中，后續(xù)還會具備電器狀態(tài)指示、自我學習等功能。

那么，該如何理解電能傳感器之于智能家居與大數(shù)據(jù)的重要性呢?

一、從智能家居的發(fā)展歷程說起

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

值得一提的是，目前來說我國在電能傳感器領域真正深入的企業(yè)并不多，而合力為科技是為數(shù)不多較早涉入且專注于此領域的公司之一，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，本文會在后面詳細分析。

關于為什么需要這些傳感器，首先要從智能家居說起。智能家居的發(fā)展分為三階段：

第一階段：使用移動終端進行遠程控制。此階段，實現(xiàn)家電的控制主要依靠人為干涉，是一個開環(huán)系統(tǒng)，能遠程控制，但不能獲得家電的自身數(shù)據(jù)，不能自動控制等。

第二階段：智能家電加入傳感器，可以感覺環(huán)境及自身的狀況。如光線、溫濕度、空氣質(zhì)量、家電自身工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)上傳到云平臺，平臺根據(jù)用戶設置的條件自動觸發(fā)控制。此階段數(shù)據(jù)的流向可以形成一個閉環(huán)，但云平臺還不夠“智慧”，不能自我學習。

第三階段：智能家電系統(tǒng)擁有“大腦”，具有思考能力、學習能力。云平臺收集智能家電反饋回來的數(shù)據(jù)，隨著采集到的數(shù)據(jù)越來越大，大數(shù)據(jù)分析技術的提高，云平臺可以學習用戶的使用習慣，“思考”用戶在相應時空下的需求，進行自動控制。家電制造商可以分析不同區(qū)域用戶使用喜好，設計更加多元化、更適合的產(chǎn)品。

現(xiàn)在智能家居發(fā)展處于第二階段，隨著各類云平臺的發(fā)展，大數(shù)據(jù)提升到國家策略，大數(shù)據(jù)價值不斷被挖掘，智能家居現(xiàn)正加速向第三階段發(fā)展，若沒有傳感器，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(shù)據(jù)，如功率、電壓、電流、電量、功率因素等，云平臺通過這些數(shù)據(jù)可以監(jiān)測智能家電運行真實狀態(tài)。

(1) 電能傳感器應用實例

·家電處于待機時，電流、功率值很低，云平臺自動執(zhí)行節(jié)能操作;

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

·家電出故障時，功率、電壓、電流不匹配，云平臺提醒用戶，通知維修人員上門服務;

·家電超負荷工作時，功率、電流參數(shù)超出正常工作范圍，云平臺自動關閉家電。

云平臺收集電能數(shù)據(jù)，可以通過數(shù)據(jù)分析，智能執(zhí)行自動節(jié)能、安全用電、故障排查等操作;家電制造商拿到數(shù)據(jù)，進行相關的數(shù)據(jù)分析，可以監(jiān)測產(chǎn)品故障率、維修情況、耗電量、用戶使用喜好，監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量問題，分析潛在市場需求;政府部門拿到數(shù)據(jù)，可以分析各種家電的能源消耗量，協(xié)助制定相關的政策，監(jiān)督各品牌的產(chǎn)品質(zhì)量等。

(2)電能傳感器結(jié)構(gòu)介紹

電能測量的主流方法是使用專業(yè)電能計量芯片，芯片內(nèi)部包含高精度ADC、濾波器、陷波，集成專業(yè)的電能計量算法，對采樣信號進行處理，通過接口輸出電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)。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、電壓信號進行采樣;電能計量芯片將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，內(nèi)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行讀取，并對電能參數(shù)進行初始處理;再通過隔離電路與外部的控制器進行通訊，將電能參數(shù)傳送到主控制器中。電能傳感器的關鍵器件是電能計量芯片，負責將家電用電模擬信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息。電能計量芯片決定電能傳感器的關鍵參數(shù)，如測量參數(shù)、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越多，預留空間越來越小，電能傳感器應具備體積小、外圍電路簡單、接口簡單的特點;電能傳感器傳輸數(shù)據(jù)要達到有效價值，必須要求能夠測量多種參數(shù)(功率、電流、電壓、電量)，精度較高。作為關鍵器件的電能計量芯片，有如下要求：

·體積小，外圍電路簡單。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;

·接口簡單。部分家電主控制器預留的接口資源不多，簡單的接口更容易進行通訊。若電能傳感器帶單片機，簡單的芯片接口，設計者可以選擇更具性價比的單片機;

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

·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，所以電能計量類產(chǎn)品都需要進行校準，才能達到滿意的精度?？紤]到成本問題，電能傳感器中若不帶單片機，校準時必須與主控制板連接之后進行整機校準，增加了生產(chǎn)的步驟及復雜度，也會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)作為一個參考。HLW8012是合力為科技的電能計量芯片，專門應用于智能家居、智能路燈、充電樁等場合，已有許多知名廠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，外圍電路簡單，接口1~3線。有功功率，在1000:1范圍內(nèi)達到±0.3%的精度;電流或電壓有效值，在500:1范圍內(nèi)達到±0.5%的精度，完全滿足現(xiàn)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特點歸納如下：

·HLW8012外圍電路簡單，主要包括電流、電壓的采樣。電流信號通過錳銅電阻對負載電流進行采樣，電壓信號通過電阻網(wǎng)絡分壓采樣，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(shù)據(jù)通過CF、CF1腳以脈沖的方式輸出。具有完整的電能參數(shù)。

·CF腳輸出脈沖頻率大小即表示有功功率值，CF輸出脈沖個數(shù)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：

用戶可以根據(jù)測量參數(shù)實際需求選擇不同的接口方式。

合力為科技專注于智能家居的電能測量方案，有很豐富的經(jīng)驗，可以針對不同客戶的實際情況，提出不同的校準方案，降低產(chǎn)品的校準復雜度。后續(xù)會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(shù)據(jù)的需求越來越大。智能家電必然是集各類傳感器于一身，而電能傳感器作為最基本的傳感器，也將會變成一種標準品，更趨于體積小型化、接口簡單化、多功能化、智能化。作為電能傳感器的關鍵器件，電能計量芯片將會體積更小、功能更強、精度更高、集成度更高，并具有簡單自我學習能力。