節能型智慧型插座:節能背景,採用比較器,採用控制器集成的ADC,採用專用的電能計量

節能型智慧型插座是計量插座的一種，同時具有節省電量的功能，又具有智慧型控制功能，所以稱為節能智慧型插座。節能型智慧型插座成為現在最有效提高人們生活品質、解決節能問題的方法之一。

基本介紹

中文名：節能型智慧型插座
外文名：Energy-saving intelligent socket
地位：解決節能問題
特點：提高人們生活品質

節能背景,採用比較器,採用控制器集成的ADC,採用專用的電能計量晶片,節能型智慧型插座種類,主副控插座,紅外主副控插座,無線智慧型插座,節能型智慧型插座“芯”動向,

節能背景

隨著科技進步，越來越多的數碼產品、電器已進入家庭，如電視機、空調、冰櫃、熱水器等高能耗電器，為人類的生活創造了非常多的便利，但同時也造成家庭能源消耗的急劇增長，尤其是待機功耗的浪費，與全球範圍開始倡導的低碳地球背道而馳。根據國際經濟合作組織的一項調查稱，各國因待機而消耗的能量約占能耗總數的3%～13%。統計數據為：澳大利12%左右，韓國11%左右，德國10%左右，英國8%左右，日本7%左右，美國5%左右，芬蘭5%左右。目前我國城市家庭的平均待機能耗已經占到了家庭總能耗的10%左右，相當於每個家庭使用著一盞15~30W的“長明燈”。待機能耗像一隻隱形的吸血蟲，在浪費能源的同時形成了巨大的環保壓力。

“待機能耗”是指具有待機功能的電器設備在不使用的時候，沒有斷開電源所發生的電能消耗。具有待機能耗的電器設備主要有空調、電腦與通訊系統（包括電腦主機、顯示屏、電腦音響、印表機、掃瞄器、充電器、路由器等）、家庭視頻與音頻系統（包括電視機、DVD、VCD、音響、功放、機頂盒、衛星接收器等）。為了避免頻繁插拔電器插頭的麻煩，許多用戶很習慣地採用不斷開電源，使電器長期處於待機狀態。待機功能在為居民用戶提供便利的同時，也造成了大量的能源浪費。同時不斷開電器電源，電器長期處於待機或工作狀態，還可能會引起災難性事件。

下面是常見電器的待機功耗：

序	電器	待機（W/時）	月損耗電量（度）	年損耗電量（度）
1	電視機	2.5	1.8	21.6
2	飲水機	20	14.4	172.8
3	空調	3.47	2.5	30.0
4	洗衣機	2.46	1.8	21.3
5	電腦主機+顯示器	6.2	4.5	53.6
6	音箱	7.25	5.2	62.6
7	音響功放	12.3	8.9	106.7
8	機頂盒	7	5.0	60.5
9	熱水器	6	4.3	51.8
10	微波爐	2.78	2.0	24.0
11	抽油煙機	6.06	4.4	52.4
12	電飯煲	19.8	14.3	171.1
13	印表機	9.08	6.5	78.5
14	傳真機	5.71	4.1	49.3
總計			79.7	956.1

如上表，一個家庭中電器齊全，若用戶全年不關閉電器，電器處於待機狀態，待機功耗浪費956.1度電。若一個城市有50萬戶家庭，一年的能源浪費可達到4.8億度電。這不單關係到居民的利益浪費，還造成國家能源的極大浪費，所以降低電器功耗、解決電器待機功耗勢在必行；面對強烈的低能耗需求，家電企業不斷改善產品，降低工作功耗，尤其是待機功耗，雖然已有明顯效果，但電器的更新換代卻是一個漫長的時間。隨著物聯網的興起，各種節能方案的提出，使家庭的節能需求看到了解決的希望，家電企業或智慧型家居企業推出各類智慧型家居系統，在為生活提供便利的同時，也節省能耗，但是今下，一整套智慧型家居系統的價格居高不下，很難得到普及，於是許多企業在配件方面尋找解決方案，針對現有家用電器普及狀況推出配件產品，在不改變用戶使用習慣或提高體驗性前提下，對家用電器進行節能。

節能型智慧型插座——現在最有效的節能產品之一，是一種轉接裝置，經過此插座的轉接，再將家用電器接到此插座上，此產品可以主動切斷電器電源以節省大量用戶，用戶也不需要時刻記得關閉電器。節能智慧型插座的工作功耗基本<0.2W，相當於家電有待機功耗的二十分之一，甚至百分之一。二、節能智慧型插座實現方式

節能型智慧型插座的結構主要包括幾個部分：電能採集模組、控制器、繼電器、人機界面或無線通訊模組。

用戶通過人機界面或無線通訊模組設定斷開的電源條件，可以設定定時斷開電器的電源，在設定的時間段內斷開電源；設定家用電器耗電閾值，在電器用電低於閾值時，斷開電源。控制器通過電能採集模組對電器的電能及功率進行採集，判斷電器用電情況，對繼電器進行操作以控制電源的開關。此產品可以記錄電器的總用電量，顯示當前用前功耗等功能，方便用戶了解各電器的耗電情況。電能及功率採集模組是節能智慧型插座的核心部分，若採集到的數據不正確可能會導致誤操作，影響平時的正常使用。

電能採集模組實現方式主要有3種：

採用比較器

採用這種方式一般只檢測電器的電流信號，電壓為固定值，將切斷功率閾值折算為電流有效值。通過採樣電路將電器的電流信號進行採樣，與硬體設定的切斷閾值進行比較，MCU根據比較器的輸出，判斷電流與切斷閾值的大小關係，控制電器電源的開關。比較器一般使用LM358進行設計。電流信號為交流信號，比較器的參考電壓值為固定正向值，電流信號必須使用互感器進行傳輸，經過整流、濾波，才能連線到比較器的輸入端。若電網中存在較大的容性或感性諧波，功率因數（PF）<1，採樣到的電流信號有效值誤差大，可能導致誤操作。由於這種插座內部比較器的參考電壓為固定值，切斷功率閾值不能改變，所以一般只適用於特定的電器；有些產品可以通過手動調整功率旋鈕，改變切斷功率閾值，但手動調整準確度低，用戶使用不方便。所以這種實現方式一般只適用於特定電器，且電網質量較好的場合。

採用控制器集成的ADC

通過採樣電路，配合集成ADC的MCU進行測量。採用這種方式一般只測量電器的電流信號，電壓為固定值，根據電流信號大小折算成功率。電流信號為交流信號，而MCU的ADC一般只能單端輸入，電流採樣電路中必須使用互感器進行傳輸，經過整流再進行積分，才能被MCU的ADC較準確的測量。MCU集成的ADC一般是10bit，電流測量範圍小，有效動態範圍一般只有256:1。若電網中存在較大的容性或感性諧波，功率因數（PF）<1，測量電流的誤差越大，所以這種方式一般只適用於功耗變化範圍小，且電網質量較好的場合。

採用這種方式可以通過人機界面設定切斷電源的功率閾值，內部將功率值轉化為電流值，將測量到的電流值與閾值比較，若小於閾值，則插座切斷電器電源。

採用專用的電能計量晶片

主要有Cirrus Logic的CS5460、CS5463，ADI的ADE7755。專業的電能計量晶片內部至少集成2路ADC（內部帶運放），可同時對電流、電壓信號進行採樣；模擬輸入端信號可為交流信號，不影響信號的失真；集成50Hz/60Hz陷波；集成DSP，對電壓、電流信號進行高速計算，濾除功率因數的影響，得到真實的有功功率值。電能計量晶片的動態範圍>=500:1，測量精度達到0.1%。MCU與電能計量晶片進行通訊，讀取當前功率、電能值，或者通過光耦對計量晶片輸出的功率脈衝進行計數，計算電能及功率。使用電能計量晶片，採樣電路可以不需要互感器、整流，外圍電路簡單，MCU與計量晶片通訊或連線資源較少，使用資源較少的MCU可以實現。若晶片的動態範圍足夠大，可以準確測量到更低的功率值，可以適用更多的電器。

上述幾款電能計量晶片功率測量準確性高，但是價格高，並且引腳較多，還需要外置晶振，後續產品不能做到體積很小。可以考慮選擇國內的電能計量晶片，比如專門用於節能智慧型插座的晶片HLW8012，除了基本的電能計量晶片特點之外，還可以測量電壓、電流有效值，SOP8封裝，內置晶振，動態範圍1000:1，外圍電路比較簡單，採集主機板面積可以做得很小。

以下表格是對3種節能型智慧型插座實現方式的比較：

序	比較項目	比較器	MCU內置ADC	專用計量晶片
1	測量功率值	無	無	有
2	採樣電路	複雜	複雜	簡單
	採樣	需要	需要	需要
	整流	需要	需要	不需要
	濾波	需要	需要	不需要
	互感器	必須	必須	不必須
3	採樣信號失真度	高	高	低
	電壓採樣	無	無	有
	電流採樣	有	有	有
	是否消除功率因素影響	否	否	是
4	測量準確性	低	較低	高
5	動態範圍	——	256:1	>=500:1

節能型智慧型插座種類

普通節能型智慧型插座存在一些不足點：插座體積較大；只能控制一個電器。插座製造企業不斷對產品進行更新換代，延伸出許多不同的產品，主要有以下幾種：

主副控插座

主機關閉或待機之後，周邊設備的電源同時被切斷。

電腦一般都會與周邊設備一起使用，如顯示器、印表機、音箱等。只有在主機使用，這些周邊設備才會使用，主機關閉或待機之後，周邊設備就被閒置。若用戶忘記關閉周邊設備，電器一直會處於待機模式，造成電量浪費。主副控插座是一種創新型的排插，孔位一般分為主機孔、受控孔、常用孔。使用時主機（電腦或其他設備）連線到主機孔，周邊設備連線在受控孔。主機啟動之後，採集主機板檢測到主機的功率變大，採集主機板會延時打開周邊設備；主機關閉或待機之後，採集主機板檢測到主機的功率下降到閾值，則會延時關閉周邊設備。使用這種插座，只要關閉主機，就不用擔心忘記關閉周邊設備，打開主機時，也不用一一打開周邊設備，可以智慧型、有效地節省家電用電。也成為眾多企業節能低碳行動的首選。

當主副控插座使用於不同的電器系統時，主機的待機功率不同，則關閉周邊設備的閾值不同，於是可以增加切斷閾值學習功能，針對不同主機可以學習不同的關閉閾值。

紅外主副控插座

在主副控插座基礎上增加紅外接收功能，當紅外遙控控制主機開關時，插座採集主機功率，再控制主機及周邊設備電源的開關。

電視機基本都配周邊設備，如機頂盒、音箱等設備。用戶習慣使用遙控關閉電視機，沒有去斷開電視機、周邊設備的電源，此時周邊設備處於正常運行或待機狀態，功率非常大。若將電視機及周邊設備連線到紅外主副控插座，電視機連線主機孔，周邊設備連線受控孔，使用遙控關閉電視機時，電視機接收到紅外信號，電視機進入待機，插座會檢測到電視機的功率降低，達到閾值時，插座切斷電視機及周邊設備的電源，不需要人為逐一關閉電源；使用遙控打開電視機時，插座接收到遙控信號，打開電視機電源，此時電視機進入待機狀態，在一定時間內，若遙控器再次按下“開關”鍵，電視機就會進入正常播放，同時插座檢測到電視機功率上升，再打開周邊設備的電源。使用這種插座可以在不改變用戶使用習慣的前提下，節省電視機及周邊設備的用電。

考慮到不同電視機待機功耗不同，有些紅外主副控插座還帶有學習功能，可以適用於不同類型的電視機。

無線智慧型插座

在普通節能智慧型插座基礎上進行創新，增加無線通訊模組（WIFI/藍牙/Zigbee），配合移動設備上的APP軟體，遠程或室內無線控制電器的關閉與打開。

無線智慧型插座可以分為2種：室內無線控制、室外無線控制。室內無線控制型基本上是使用WIFI或藍牙，使用移動設備或者專用遙控進行控制。室外無線控制型基本上是使用WIFI或Zigbee，通過家庭路由器或專用路由器，連線到伺服器，用戶在室外，移動設備只要可以上網，就可以直接查看或控制家庭各個電器。WIFI智慧型插座是一大發展趨勢。

配合無線智慧型插座，移動設備上安裝APP，使用手機配置好各個插座的無線設定，設定各個電器名稱，在移動設備上可以進行分類管理：廚房、大廳、主室、臥室等，配置好之後就可以查看到家庭各個電器的運行情況：總用電量、當前功率、當前電壓、當前電流；可以控制各個電器的電源開或關；若電器的運行狀態出現不正常情況，無線智慧型插座會通過APP反映到移動設備上。通過無線智慧型插座，晚上回家前打開燈光；出門時不用擔心飲水機忘記關閉，回家前可以提前打開飲水機；出門時不用擔心熱水器沒有關，回家前可以提前打開熱水器；出門時不用擔心空調沒有關，還可以在回家前打開空調等等。不但節能用電、安全用電，還可以提高用戶的生活體驗。

市場現有的無線智慧型插座，Belkin（貝爾金）、博聯、歐瑞博名氣較大，隨著用戶生活品質提升，這類產品需求將會越來越大，國內越來越多廠家開發無線智慧型插座。無線智慧型插座還可以做進一步的創新，Zuli公司開發出一種產品，在房間內裝置幾個插座，用戶攜帶移動設備，人走到哪裡，插座就會定位出人的位置，對電器進行智慧型控制，如用戶離開家之後，自動關閉家裡電器，用戶回到家門口，自動打開燈或其他電器。

節能型智慧型插座“芯”動向

單體節能型智慧型插座體積將會越來越小；主副孔插座將會適應越來越多的設備系統；無線智慧型插座體積將會更小，更加智慧型，如智慧型定位等。

在智慧型家居系統真正普及之前，節能型智慧型插座是很有效解決節能問題的方法之一。無線智慧型插座可以延伸出非常多的用戶體驗，使家庭電器更加省電、更加安全，生活更改舒適，隨著智慧型移動設備的普及，3G網路的普及，節能型智慧型插座的發展將會更偏向於無線智慧型插座。

面對如此的發展趨勢，電能計量晶片發展動向將會走向高集成化——SOC：集成電能計量模組、MCU、無線通訊接口等。晶片框圖如下：

集成化之後，可帶來以下優勢：

（1）集成內置晶振，簡化外圍電路；（2）集成電能計量模組，可直接測量電流、電壓、功率、節省MCU與電能計量晶片的連線資源；（3）集成EEPROM，可以記錄電器用電量，各種用戶配置，更適用於學習型產品；（4）集成UART、SPI接口，可以直接與無線模組進行通訊（WIFI/藍牙/Zegbee），方便於實現無線智慧型插座；

高集成化之後，將電能採集與MCU集成，外圍電路簡單，產品體積更小，可以直接與無線模組進行通訊，可以進行更多的功能配置，產品可具有更廣的拓展性。

專用節能型智慧型插座晶片的發展、方案更智慧型化的發展、產品更多元化發展，才能整體提高節能型智慧型插座的行業發展。

節能型智慧型插座