利用新型電子開關(guān)增強家居電能監(jiān)測的智能化和安全性

您愿意額外支付10美元獲得改善家庭供電質(zhì)量的一些寶貴信息嗎?例如冰箱、除濕器和空調(diào)的實際功耗信息?我的答案是“也許”。

是否投資電能檢測技術(shù)，確實取決于很多因素。我馬上想到的是：安裝是否簡單?什么時候能訪問這些信息?是否可靠?數(shù)據(jù)是否精確?數(shù)據(jù)測量信息是否足以使我做出正確的結(jié)論?是否能夠拿來就用呢?

接下來，我們花費幾分鐘的時間來了解一些背景知識。

家居監(jiān)控確保安全和安心

當我不住在湖邊別墅時，我制作了一個技術(shù)含量不高的部件，作為防盜措施，晚上在不同的時間將電視和照明燈打開或關(guān)閉。我使用的是圖1所示12美元一個的機械定時器。這種基礎(chǔ)架構(gòu)具有顯而易見的局限性。我得不到關(guān)于工作是否正常的任何反饋，也得不到關(guān)于開關(guān)信號的任何信息。小偷費不了多長時間就會知道房間內(nèi)實際沒有任何人，尤其是當某個燈泡壞掉時。我在下文將解釋我為什么希望了解關(guān)于電信號的信息。幸運的是，現(xiàn)在有一套很棒的方案可解決機械式定時器的部分缺陷。

圖1.典型的機械式定時器。

Belkin公司的WeMo Switch墻壁開關(guān)(圖2)作為現(xiàn)代化方式，提供變化的打開/關(guān)斷時間，尤其是與其運動傳感器組合使用時。Belkin的WeMo Switch及其配套的app利用家里的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，使我能夠通過智能手機、平板電腦或計算機進行控制。最初，49.99美元的價格使我覺得有些貴，但我們接下來可稍微做一下分析。

圖2.Belkin WeMo Switch墻壁插座。以無線方式控制電視、照明燈、立體聲音響、加熱器、風(fēng)扇等。

作為構(gòu)建家域網(wǎng)的平臺，我不需要支付任何安裝費用，并且完全是模塊化。直觀、設(shè)置簡單，費用允許時，只要連接至現(xiàn)有Wi-Fi路由器，即可每次添加一個WeMo開關(guān)。我可以將任何設(shè)備插入插座，只要愿意，隨時可以更改。我通過移動設(shè)備定制通知規(guī)則，以及定時器打開/關(guān)閉周期。當沒有互聯(lián)網(wǎng)可用時，WeMo Switch就像一個機械定時器。

現(xiàn)在，我能夠?qū)崿F(xiàn)機械開關(guān)無法辦到的事情;但是，慢著...實際上我還沒有買呢。為什么?因為Belkin有另一套我更喜歡的方案。

【分頁導(dǎo)航】

第1頁：家居監(jiān)控確保安全和安心

第2頁：為家居電能監(jiān)控增加智能化

第3頁：整合就是協(xié)作

為家居電能監(jiān)控增加智能化

我需要的不僅僅是防止小偷進入房間。畢竟，有了正確的“智能”開關(guān)，可通過互聯(lián)網(wǎng)完全訪問我家里的每個電氣設(shè)備。例如，我希望遙控了解潛水泵、除濕器、冷凍柜或冰箱是否存在故障。如果地下室被淹、設(shè)施損壞或一批食物霉爛變質(zhì)，所造成的損失很容易超過200美元。什么投資能夠幫助我減少損失，避免電器故障帶來的不便?

我需要豐富、有用的信息來幫助我更多地了解電器及其電源的狀況。設(shè)備損壞的原因是因為電器質(zhì)量不好還是因為電源異常?常住房內(nèi)的電源控制是否比湖邊別墅的另外一家電力公司更好?在我居住的美國新罕布什爾州，每年要發(fā)生大約3次超過8小時的斷電。斷電期間，當切換到備用電源時，電氣設(shè)備是否壓力過大?某些關(guān)鍵電氣設(shè)備的電氣特性，例如水泵、除濕器、冰箱或冷凍柜，是否隨老化而發(fā)生變化?

如果要獲得更多數(shù)據(jù)，以及讓我能夠做出關(guān)于電氣連接、家用電器和使用模式的明智決定，需要多花費多少錢?甚至我能夠預(yù)測可能發(fā)生的故障嗎?

Belkin有一套簡單、實用的解決方案，可照顧到我大多數(shù)的想法。只需要多支付10美元，Belkin就能夠在其基本型WeMo Switch開關(guān)上增加“洞察”能力。其WeMo Insight Switch(圖3)內(nèi)部有一個微型電表，體積甚至比上一代還小。太棒了!對于這種撲克牌大小的開關(guān)中內(nèi)置只有10美元的電表，技術(shù)狂人們一定會欣喜若狂吧?這主意簡直棒極了。用戶界面(圖4)非常直觀，引發(fā)大量的家庭討論，因為無論是我10歲大的女兒還是年邁的老母親，都非常容易理解和控制。

圖3.利用Belkin WeMo Insight Switch，您可以在世界的任何地方將設(shè)備打開、關(guān)閉、定制通知以及更改設(shè)備狀態(tài)。

圖4.平板電腦的用戶界面截屏。

WeMo Insight Switch非常具有創(chuàng)新性，采用專為電表的電能測量而設(shè)計的芯片。芯片為Maxim的78M6610+LMU電能測量處理器，支持諸如電流、電壓、功率及諧波失真等測量值。另外，該芯片也特別精確。雖然不能通過WeMo app訪問全部數(shù)據(jù)，但我對功率測量很滿意。任何選擇使用78M6610+LMU設(shè)計此類設(shè)備的人，都能利用78M6610+LMU提供的信息增強設(shè)備。

78M6610+LMU自身具有RC振蕩器，以及兩個低波特率光耦，將其數(shù)據(jù)傳輸至Belkin的通信處理器。該應(yīng)用中，低速其實是一件好事。通常情況下，設(shè)計中的波特率越高，光耦價格越高;元件數(shù)量越多，總材料清單(BOM)越高。78M6610+LMU中的電能測量技術(shù)壓縮了這些成本。78M6610的自動報告功能能夠以定期間隔發(fā)送累積數(shù)據(jù)包，降低了光耦數(shù)量及速度要求。主處理器可選擇接收每個數(shù)據(jù)包，或者僅僅是監(jiān)測感興趣的數(shù)據(jù)包。永遠不會丟失信息。

78M6610+LMU的電表計量技術(shù)的精度和線性度也都高于Belkin對監(jiān)測家用電器的要求，但設(shè)計者都非常清楚如何發(fā)揮優(yōu)勢。78M6610+LMU使Belkin能夠滿足其設(shè)計要求，而不產(chǎn)生任何額外的校準費用。

最后，此類設(shè)備的一項設(shè)計考慮是功耗和空間問題——保持低功耗及大小合適。Belkin可以使用電流變壓器將電阻損耗降至最低，但那樣將永遠無法適應(yīng)開關(guān)的小巧尺寸。替代方法是選擇2mΩ旁路電阻檢測電流，不妨礙整個電流范圍內(nèi)的精度;該方法有效，但是功耗比例如200μΩ旁路電阻方案高10倍。78M6610+LMU的占位面積非常小，功耗低得令人難以置信，是解決這一困難的最佳方案。

78M6610+LMU方框圖(圖5)表明，芯片內(nèi)集成了模擬和數(shù)字技術(shù)。芯片以地為參考，與通信處理器共用電源。

圖5.78M6610+LMU方框圖標出了集成的元件：輸入復(fù)用器、22位Δ-Σ ADC、24位RISC處理器(時鐘為20MHz)、RAM和非易失存儲器，以及串行接口選項。芯片也具有前置放大器增益級、溫度補償基準、RC振蕩器、溫度傳感器，以及圖中未標出的多個電壓故障比較器。