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节能智能插座“芯”动向.pdf

这段时间在网上看到很热的智能插座单品，也大致搜索了解一下，后来找到一篇这样的文章，跟大家分享一下，也算是俺的新人贴。

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、主副孔插座、无线智能插座、待机功耗、智能家居

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，许多用户很习惯地采用不断开电源，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。同时不断开电器电源，电器长期处于待机或工作状态，还可能会引起灾难性事件。

下面是常见电器的待机功耗：

序	电器	待机功耗(W)	月损耗电量（度）	年损耗电量（度）
1	电视机	2.5	1.8	21.6
2	饮水机	20	14.4	172.8
3	空调	3.47	2.5	30.0
4	洗衣机	2.46	1.8	21.3
5	电脑主机+显示器	6.2	4.5	53.6
6	音箱	7.25	5.2	62.6
7	音响功放	12.35	8.9	106.7
8	机顶盒	7	5.0	60.5
9	热水器	6	4.3	51.8
10	微波炉	2.78	2.0	24.0
11	抽油烟机	6.06	4.4	52.4
12	电饭煲	19.8	14.3	171.1
13	打印机	9.08	6.5	78.5
14	传真机	5.71	4.1	49.3
总计	79.7	956.1

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，所以现在的家庭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，针对现有家用电器普及状况推出配件产品，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

现在市场上大多数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，电能采集部分也可以考虑选择国内芯片，比如专门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：

序	比较项目	比较器	MCU内置ADC	专用计量芯片
1	测量功率值	无	无	有
2	采样电路	复杂	复杂	简单
	采样	需要	需要	需要
整流	需要	需要	不需要
滤波	需要	需要	不需要
互感器	必须	必须	不必须
3	采样信号失真度	高	高	低
	电压采样	无	无	有
电流采样	有	有	有
是否消除 功率因素影响	否	否	是
4	测量准确性	低	较低	高
5	动态范围	——	256:1	>=500:1

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、主副孔插座。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。主副孔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。现已有较多企业量产此类产品，公牛在这方面产品挺出色。

当主副孔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、红外主副孔插座。在主副孔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孔插座，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，测量电视机当前功率后，判断电视机工作状态，打开电视机电源，此时电视机进入待机状态，在一定时间内，若遥控器再次按下“开关”键，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。

考虑到不同电视机遥控的开关键键值不同，有些红外主副孔插座还带有红外学习功能，可以适用于不同类型的遥控器。

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。

现在了解到的无线智能插座，Belkin（贝尔金）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，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，用户回到家门口，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；主副孔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。

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。集成电能计量芯片、MCU、无线通讯接口等。