智能家居电能传感器 应大数据而生

  OFweek电子工程网讯：所谓电能传感器（Electric Energy Sensor），是指可以测量电器的功率、电流、电压、电量等参数，对电特性进行感知的模块，可以监测电器的真实运行状态。随着智能家居的发展，电能传感器会发展为一种标准品嵌入到智能家电中，后续还会具备电器状态指示、自我学习等功能。

  那么，该如何理解电能传感器之于智能家居与大数据的重要性呢？

  一、从智能家居的发展历程说起

  随着各云平台的发布（如云栖大会上发布的阿里云）和五中全会上将大数据上升为国家战略，这些迹象都表明大数据技术（DT）时代即将到来，各大企业都在摩拳擦掌，要在DT时代成为弄潮者。智能家居是应物联网而生的庞大应用场合，随着大数据的发展，物联网系统需要各种各样的数据来支持智能家居的智能化。智能家电作为智能家电主体，不同的家电要求输出温湿度、或光线、或气体等传感数据，但所有家电最基本的数据是电能数据，因此电能传感器是当前获得电能数据的手段及未来的趋势。

  值得一提的是，目前来说我国在电能传感器领域真正深入的企业并不多，而合力科技是为数不多较早涉入且专注于此领域的公司之一，其推出或即将推出的传感器解决方案非常具备代表性和借鉴意义，本文会在后面详细分析。

  关于为什么需要这些传感器，首先要从智能家居说起。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。此阶段，实现家电的控制主要依靠人为干涉，是一个开环系统，能远程控制，但不能获得家电的自身数据，不能自动控制等。

  第二阶段：智能家电加入传感器，可以感觉环境及自身的状况。如光线、温湿度、空气质量、家电自身工作状态，数据上传到云平台，平台根据用户设置的条件自动触发控制。此阶段数据的流向可以形成一个闭环，但云平台还不够“智慧”，不能自我学习。

  第三阶段：智能家电系统拥有“大脑”，具有思考能力、学习能力。云平台收集智能家电反馈回来的数据，随着采集到的数据越来越大，大数据分析技术的提高，云平台可以学习用户的使用习惯，“思考”用户在相应时空下的需求，进行自动控制。家电制造商可以分析不同区域用户使用喜好，设计更加多元化、更适合的产品。

  现在智能家居发展处于第二阶段，随着各类云平台的发展，大数据提升到国家策略，大数据价值不断被挖掘，智能家居现正加速向第三阶段发展，若没有传感器，智能家居将止步第一阶段。

  二、电能传感器在智能家电中的应用

  智能家电身穿许多传感器，电能传感器是智能家电最基本的传感器之一，它能检测智能家电运行的电气数据，如功率、电压、电流、电量、功率因素等，云平台通过这些数据可以监测智能家电运行真实状态。

  （1） 电能传感器应用实例

  ·家电处于待机时，电流、功率值很低，云平台自动执行节能操作；

  ·家电工作正常时，功率、电流、电压等参数处于正常范围之内；

  ·家电出故障时，功率、电压、电流不匹配，云平台提醒用户，通知维修人员上门服务；

  ·家电超负荷工作时，功率、电流参数超出正常工作范围，云平台自动关闭家电。

  云平台收集电能数据，可以通过数据分析，智能执行自动节能、安全用电、故障排查等操作；家电制造商拿到数据，进行相关的数据分析，可以监测产品故障率、维修情况、耗电量、用户使用喜好，监控产品质量问题，分析潜在市场需求；政府部门拿到数据，可以分析各种家电的能源消耗量，协助制定相关的政策，监督各品牌的产品质量等。

  （2）电能传感器结构介绍

  电能测量的主流方法是使用专业电能计量芯片，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，对采样信号进行处理，通过接口输出电流、电压、功率等数据。电能传感器主要包含：电能计量芯片、采样电路、工作电源、隔离电路、单片机（可选）。

  电能传感器工作原理：采样电路对电流、电压信号进行采样；电能计量芯片将信号转化为数字信号，内部计算功率值、电压值、电流值等；单片机对电能计量芯片的输出进行读取，并对电能参数进行初始处理；再通过隔离电路与外部的控制器进行通讯，将电能参数传送到主控制器中。电能传感器的关键器件是电能计量芯片，负责将家电用电模拟信息转化为数字信息。电能计量芯片决定电能传感器的关键参数，如测量参数、精度、体积等。

  （3）电能传感器对电能计量芯片有哪些要求？

  智能家电功能模块越来越多，预留空间越来越小，电能传感器应具备体积小、外围电路简单、接口简单的特点；电能传感器传输数据要达到有效价值，必须要求能够测量多种参数（功率、电流、电压、电量），精度较高。作为关键器件的电能计量芯片，有如下要求：

  ·体积小，外围电路简单。电能计量部分占PCB板很大一部分，电能计量芯片体积小、外围电路简单是非常重要，可以减少PCB板面积，降低传感器的故障率；

  ·接口简单。部分家电主控制器预留的接口资源不多，简单的接口更容易进行通讯。若电能传感器带单片机，简单的芯片接口，设计者可以选择更具性价比的单片机；

  ·可测量多种参数，功率、电流、电压、电量。电能计量芯片若能测量这些参数，电能传感器提供的数据才有前文提到的用途，否则这些数据的价值会大打折扣；

  ·校准方便。由于采样电路存在比较大的误差，尤其是电流采样电阻，所以电能计量类产品都需要进行校准，才能达到满意的精度。考虑到成本问题，电能传感器中若不带单片机，校准时必须与主控制板连接之后进行整机校准，增加了生产的步骤及复杂度，也会一定程度上降低生产效率。

  针对电能传感器的要求，这里选择一款在智能插座方面用得比较多的电能计量芯片（HLW8012）作为一个参考。HLW8012是合力为科技的电能计量芯片，专门应用于智能家居、智能路灯、充电桩等场合，已有许多知名厂家用在智能家居方面，可以测量有功功率、电量、电压有效值、电流有效值，SOP8封装，体积比较小，外围电路简单，接口1~3线。有功功率，在1000:1范围内达到±0.3%的精度；电流或电压有效值，在500:1范围内达到±0.5%的精度，完全满足现在的需求。

  （4）电能计量芯片HLW8012应用于电能传感器

  下图是电能计量芯片HLW8012应用原理图。

  HLW8012特点归纳如下：

  ·HLW8012外围电路简单，主要包括电流、电压的采样。电流信号通过锰铜电阻对负载电流进行采样，电压信号通过电阻网络分压采样，元器件少，且HLW8012集成RC震荡器、参考电压，SOP8封装，电能计量部分体积可以很小。

  ·HLW8012将功率、电压、电流、电量等数据通过CF、CF1脚以脉冲的方式输出。具有完整的电能参数。

  ·CF脚输出脉冲频率大小即表示有功功率值，CF输出脉冲个数表示电量。CF1输出脉冲频率表示电压有效值/电流有效值。MCU与HLW8012的接口如下表：

  序测量参数MCU与HLW8012连接

  1功率，电量1个IO口（1个外部中断）

  2功率，电量 + 电流/电压2个IO口（2个外部中断）

  3功率，电量 + 电流 + 电压3个IO口（2个外部中断，1个GPIO）

  用户可以根据测量参数实际需求选择不同的接口方式。

  合力为科技专注于智能家居的电能测量方案，有很丰富的经验，可以针对不同客户的实际情况，提出不同的校准方案，降低产品的校准复杂度。后续会有针对性提高校准方便性的解决方案，甚至推出更智能化的电能传感器解决方案。

  三、展望

  物联网的发展对大数据的需求越来越大。智能家电必然是集各类传感器于一身，而电能传感器作为最基本的传感器，也将会变成一种标准品，更趋于体积小型化、接口简单化、多功能化、智能化。作为电能传感器的关键器件，电能计量芯片将会体积更小、功能更强、精度更高、集成度更高，并具有简单自我学习能力。

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