【儀器儀表商情網 行業知識】所謂電能傳感器(Electric Energy Sensor)，是指可以測量電器的功率、電流、電壓、電量等參數，對電特性進行感知的模塊，可以監測電器的真實運行狀態。隨著智能家居的發展，電能傳感器會發展為一種標準品嵌入到智能家電中，后續還會具備電器狀態指示、自我學習等功能。
那么，該如何理解電能傳感器之于智能家居與大數據的重要性呢?
一、從智能家居的發展歷程說起
隨著各云平臺的發布(如云棲大會上發布的阿里云)和五中全會上將大數據上升為國家戰略，這些跡象都表明大數據技術(DT)時代即將到來，各大企業都在摩拳擦掌，要在DT時代成為弄潮者。智能家居是應物聯網而生的龐大應用場合，隨著大數據的發展，物聯網系統需要各種各樣的數據來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、或氣體等傳感數據，但所有家電最基本的數據是電能數據，因此電能傳感器是當前獲得電能數據的手段及未來的趨勢。
值得一提的是，目前來說我國在電能傳感器領域真正深入的企業并不多，而合力科技是為數不多較早涉入且專注于此領域的公司之一，其推出或即將推出的傳感器解決方案非常具備代表性和借鑒意義，本文會在后面詳細分析。
關于為什么需要這些傳感器，首先要從智能家居說起。智能家居的發展分為三階段：
第一階段：使用移動終端進行遠程控制。此階段，實現家電的控制主要依靠人為干涉，是一個開環系統，能遠程控制，但不能獲得家電的自身數據，不能自動控制等。
第二階段：智能家電加入傳感器，可以感覺環境及自身的狀況。如光線、溫濕度、空氣質量、家電自身工作狀態，數據上傳到云平臺，平臺根據用戶設置的條件自動觸發控制。此階段數據的流向可以形成一個閉環，但云平臺還不夠“智慧”，不能自我學習。
第三階段：智能家電系統擁有“大腦”，具有思考能力、學習能力。云平臺收集智能家電反饋回來的數據，隨著采集到的數據越來越大，大數據分析技術的提高，云平臺可以學習用戶的使用習慣，“思考”用戶在相應時空下的需求，進行自動控制。家電制造商可以分析不同區域用戶使用喜好，設計更加多元化、更適合的產品。
現在智能家居發展處于第二階段，隨著各類云平臺的發展，大數據提升到國家策略，大數據價值不斷被挖掘，智能家居現正加速向第三階段發展，若沒有傳感器，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，它能檢測智能家電運行的電氣數據，如功率、電壓、電流、電量、功率因素等，云平臺通過這些數據可以監測智能家電運行真實狀態。
(1) 電能傳感器應用實例
·家電處于待機時，電流、功率值很低，云平臺自動執行節能操作;
·家電工作正常時，功率、電流、電壓等參數處于正常范圍之內;
·家電出故障時，功率、電壓、電流不匹配，云平臺提醒用戶，通知維修人員上門服務;
·家電超負荷工作時，功率、電流參數超出正常工作范圍，云平臺自動關閉家電。
云平臺收集電能數據，可以通過數據分析，智能執行自動節能、安全用電、故障排查等操作;家電制造商拿到數據，進行相關的數據分析，可以監測產品故障率、維修情況、耗電量、用戶使用喜好，監控產品質量問題，分析潛在市場需求;政府部門拿到數據，可以分析各種家電的能源消耗量，協助制定相關的政策，監督各品牌的產品質量等。
(2)電能傳感器結構介紹
電能測量的主流方法是使用專業電能計量芯片，芯片內部包含高精度ADC、濾波器、陷波，集成專業的電能計量算法，對采樣信號進行處理，通過接口輸出電流、電壓、功率等數據。電能傳感器主要包含：電能計量芯片、采樣電路、工作電源、隔離電路、單片機(可選)。
電能傳感器工作原理：采樣電路對電流、電壓信號進行采樣;電能計量芯片將信號轉化為數字信號，內部計算功率值、電壓值、電流值等;單片機對電能計量芯片的輸出進行讀取，并對電能參數進行初始處理;再通過隔離電路與外部的控制器進行通訊，將電能參數傳送到主控制器中。電能傳感器的關鍵器件是電能計量芯片，負責將家電用電模擬信息轉化為數字信息。電能計量芯片決定電能傳感器的關鍵參數，如測量參數、精度、體積等。
(3)電能傳感器對電能計量芯片有哪些要求?
智能家電功能模塊越來越多，預留空間越來越小，電能傳感器應具備體積小、外圍電路簡單、接口簡單的特點;電能傳感器傳輸數據要達到有效價值，必須要求能夠測量多種參數(功率、電流、電壓、電量)，精度較高。作為關鍵器件的電能計量芯片，有如下要求：
·體積小，外圍電路簡單。電能計量部分占PCB板很大一部分，電能計量芯片體積小、外圍電路簡單是非常重要，可以減少PCB板面積，降低傳感器的故障率;
·接口簡單。部分家電主控制器預留的接口資源不多，簡單的接口更容易進行通訊。若電能傳感器帶單片機，簡單的芯片接口，設計者可以選擇更具性價比的單片機;
·可測量多種參數，功率、電流、電壓、電量。電能計量芯片若能測量這些參數，電能傳感器提供的數據才有前文提到的用途，否則這些數據的價值會大打折扣;
·校準方便。由于采樣電路存在比較大的誤差，尤其是電流采樣電阻，所以電能計量類產品都需要進行校準，才能達到滿意的精度。考慮到成本問題，電能傳感器中若不帶單片機，校準時必須與主控制板連接之后進行整機校準，增加了生產的步驟及復雜度，也會一定程度上降低生產效率。
針對電能傳感器的要求，這里選擇一款在智能插座方面用得比較多的電能計量芯片(HLW8012)作為一個參考。HLW8012是合力為科技的電能計量芯片，專門應用于智能家居、智能路燈、充電樁等場合，已有許多知名廠家用在智能家居方面，可以測量有功功率、電量、電壓有效值、電流有效值，SOP8封裝，體積比較小，外圍電路簡單，接口1~3線。有功功率，在1000:1范圍內達到±0.3%的精度;電流或電壓有效值，在500:1范圍內達到±0.5%的精度，完全滿足現在的需求。
(4)電能計量芯片HLW8012應用于電能傳感器
下圖是電能計量芯片HLW8012應用原理圖。
HLW8012特點歸納如下：
·HLW8012外圍電路簡單，主要包括電流、電壓的采樣。電流信號通過錳銅電阻對負載電流進行采樣，電壓信號通過電阻網絡分壓采樣，元器件少，且HLW8012集成RC震蕩器、參考電壓，SOP8封裝，電能計量部分體積可以很小。
·HLW8012將功率、電壓、電流、電量等數據通過CF、CF1腳以脈沖的方式輸出。具有完整的電能參數。
·CF腳輸出脈沖頻率大小即表示有功功率值，CF輸出脈沖個數表示電量。CF1輸出脈沖頻率表示電壓有效值/電流有效值。MCU與HLW8012的接口如下表：
序測量參數MCU與HLW8012連接
1功率，電量1個IO口(1個外部中斷)
2功率，電量 + 電流/電壓2個IO口(2個外部中斷)
3功率，電量 + 電流 + 電壓3個IO口(2個外部中斷，1個GPIO)
用戶可以根據測量參數實際需求選擇不同的接口方式。
合力為科技專注于智能家居的電能測量方案，有很豐富的經驗，可以針對不同客戶的實際情況，提出不同的校準方案，降低產品的校準復雜度。后續會有針對性提高校準方便性的解決方案，甚至推出更智能化的電能傳感器解決方案。
三、展望
物聯網的發展對大數據的需求越來越大。智能家電必然是集各類傳感器于一身，而電能傳感器作為最基本的傳感器，也將會變成一種標準品，更趨于體積小型化、接口簡單化、多功能化、智能化。作為電能傳感器的關鍵器件，電能計量芯片將會體積更小、功能更強、精度更高、集成度更高，并具有簡單自我學習能力。
