應(yīng)大數(shù)據(jù)而生,智能家居中還有一個(gè)電能傳感器

所謂電能傳感器（Electric Energy Sensor），是指可以測(cè)量電器的功率、電流、電壓、電量等參數(shù)，對(duì)電特性進(jìn)行感知的模塊，可以監(jiān)測(cè)電器的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。隨著智能家居的發(fā)展，電能傳感器會(huì)發(fā)展為一種標(biāo)準(zhǔn)品嵌入到智能家電中，后續(xù)還會(huì)具備電器狀態(tài)指示、自我學(xué)習(xí)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(shuō)起

隨著各云平臺(tái)的發(fā)布（如云棲大會(huì)上發(fā)布的阿里云）和五中全會(huì)上將大數(shù)據(jù)上升為國(guó)家戰(zhàn)略，這些跡象都表明大數(shù)據(jù)技術(shù)（DT）時(shí)代即將到來(lái)，各大企業(yè)都在摩拳擦掌，要在DT時(shí)代成為弄潮者。智能家居是應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)而生的龐大應(yīng)用場(chǎng)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(lái)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(dāng)前獲得電能數(shù)據(jù)的手段及未來(lái)的趨勢(shì)。

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

第一階段：使用移動(dòng)終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。此階段，實(shí)現(xiàn)家電的控制主要依靠人為干涉，是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，能遠(yuǎn)程控制，但不能獲得家電的自身數(shù)據(jù)，不能自動(dòng)控制等。

第二階段：智能家電加入傳感器，可以感覺(jué)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(tái)，平臺(tái)根據(jù)用戶設(shè)置的條件自動(dòng)觸發(fā)控制。此階段數(shù)據(jù)的流向可以形成一個(gè)閉環(huán)，但云平臺(tái)還不夠”智慧”，不能自我學(xué)習(xí)。

第三階段：智能家電系統(tǒng)擁有”大腦”，具有思考能力、學(xué)習(xí)能力。云平臺(tái)收集智能家電反饋回來(lái)的數(shù)據(jù)，隨著采集到的數(shù)據(jù)越來(lái)越大，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的提高，云平臺(tái)可以學(xué)習(xí)用戶的使用習(xí)慣，”思考”用戶在相應(yīng)時(shí)空下的需求，進(jìn)行自動(dòng)控制。家電制造商可以分析不同區(qū)域用戶使用喜好，設(shè)計(jì)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(lèi)云平臺(tái)的發(fā)展，大數(shù)據(jù)提升到國(guó)家策略，大數(shù)據(jù)價(jià)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(méi)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(yīng)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(cè)智能家電運(yùn)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(tái)通過(guò)這些數(shù)據(jù)可以監(jiān)測(cè)智能家電運(yùn)行真實(shí)狀態(tài)。

（1） 電能傳感器應(yīng)用實(shí)例

– 家電處于待機(jī)時(shí)，電流、功率值很低，云平臺(tái)自動(dòng)執(zhí)行節(jié)能操作；

– 家電工作正常時(shí)，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(shí)，功率、電壓、電流不匹配，云平臺(tái)提醒用戶，通知維修人員上門(mén)服務(wù)；

– 家電超負(fù)荷工作時(shí)，功率、電流參數(shù)超出正常工作范圍，云平臺(tái)自動(dòng)關(guān)閉家電。

云平臺(tái)收集電能數(shù)據(jù)，可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析，智能執(zhí)行自動(dòng)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(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)分析，可以監(jiān)測(cè)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(wèn)題，分析潛在市場(chǎng)需求；政府部門(mén)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(guān)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(cè)量的主流方法是使用專(zhuān)業(yè)電能計(jì)量芯片，芯片內(nèi)部包含高精度ADC、濾波器、陷波，集成專(zhuān)業(yè)的電能計(jì)量算法，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)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(jì)量芯片、采樣電路、工作電源、隔離電路、單片機(jī)（可選）。

電能傳感器工作原理：采樣電路對(duì)電流、電壓信號(hào)進(jìn)行采樣；電能計(jì)量芯片將信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，內(nèi)部計(jì)算功率值、電壓值、電流值等；單片機(jī)對(duì)電能計(jì)量芯片的輸出進(jìn)行讀取，并對(duì)電能參數(shù)進(jìn)行初始處理；再通過(guò)隔離電路與外部的控制器進(jìn)行通訊，將電能參數(shù)傳送到主控制器中。電能傳感器的關(guān)鍵器件是電能計(jì)量芯片，負(fù)責(zé)將家電用電模擬信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息。電能計(jì)量芯片決定電能傳感器的關(guān)鍵參數(shù)，如測(cè)量參數(shù)、精度、體積等。

（3）電能傳感器對(duì)電能計(jì)量芯片有哪些要求？

智能家電功能模塊越來(lái)越多，預(yù)留空間越來(lái)越小，電能傳感器應(yīng)具備體積小、外圍電路簡(jiǎn)單、接口簡(jiǎn)單的特點(diǎn)；電能傳感器傳輸數(shù)據(jù)要達(dá)到有效價(jià)值，必須要求能夠測(cè)量多種參數(shù)（功率、電流、電壓、電量），精度較高。作為關(guān)鍵器件的電能計(jì)量芯片，有如下要求：

– 體積小，外圍電路簡(jiǎn)單。電能計(jì)量部分占PCB板很大一部分，電能計(jì)量芯片體積小、外圍電路簡(jiǎn)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(jiǎn)單。部分家電主控制器預(yù)留的接口資源不多，簡(jiǎn)單的接口更容易進(jìn)行通訊。若電能傳感器帶單片機(jī)，簡(jiǎn)單的芯片接口，設(shè)計(jì)者可以選擇更具性價(jià)比的單片機(jī)；

– 可測(cè)量多種參數(shù)，功率、電流、電壓、電量。電能計(jì)量芯片若能測(cè)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(jià)值會(huì)大打折扣；

– 校準(zhǔn)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(jì)量類(lèi)產(chǎn)品都需要進(jìn)行校準(zhǔn)，才能達(dá)到滿意的精度。考慮到成本問(wèn)題，電能傳感器中若不帶單片機(jī)，校準(zhǔn)時(shí)必須與主控制板連接之后進(jìn)行整機(jī)校準(zhǔn)，增加了生產(chǎn)的步驟及復(fù)雜度，也會(huì)一定程度上降低生產(chǎn)效率。

三、展望

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對(duì)大數(shù)據(jù)的需求越來(lái)越大。智能家電必然是集各類(lèi)傳感器于一身，而電能傳感器作為最基本的傳感器，也將會(huì)變成一種標(biāo)準(zhǔn)品，更趨于體積小型化、接口簡(jiǎn)單化、多功能化、智能化。作為電能傳感器的關(guān)鍵器件，電能計(jì)量芯片將會(huì)體積更小、功能更強(qiáng)、精度更高、集成度更高，并具有簡(jiǎn)單自我學(xué)習(xí)能力。