利用新型电子开关增强家居电能监测的智能化和安全性

        您愿意额外支付10美元获得改善家庭供电质量的一些宝贵信息吗？例如冰箱、除湿器和空调的实际功耗信息？我的答案是“也许”。
是否投资电能检测技术，确实取决于很多因素。我马上想到的是：安装是否简单？什么时候能访问这些信息？是否可靠？数据是否精确？数据测量信息是否足以使我做出正确的结论？是否能够拿来就用呢？
接下来，我们花费几分钟的时间来了解一些背景知识。
家居监控确保安全和安心
当我不住在湖边别墅时，我制作了一个技术含量不高的部件，作为防盗措施，晚上在不同的时间将电视和照明灯打开或关闭。我使用的是图1所示12美元一个的机械定时器。这种基础架构具有显而易见的局限性。我得不到关于工作是否正常的任何反馈，也得不到关于开关信号的任何信息。小偷费不了多长时间就会知道房间内实际没有任何人，尤其是当某个灯泡坏掉时。我在下文将解释我为什么希望了解关于电信号的信息。幸运的是，现在有一套很棒的方案可解决机械式定时器的部分缺陷。


图1.典型的机械式定时器。

Belkin公司的WeMo Switch墙壁开关(图2)作为现代化方式，提供变化的打开/关断时间，尤其是与其运动传感器组合使用时。Belkin的WeMo Switch及其配套的app利用家里的Wi-Fi网络，使我能够通过智能手机、平板电脑或计算机进行控制。最初，49.99美元的价格使我觉得有些贵，但我们接下来可稍微做一下分析。


图2.Belkin WeMo Switch墙壁插座。以无线方式控制电视、照明灯、立体声音响、加热器、风扇等。

作为构建家域网的平台，我不需要支付任何安装费用，并且完全是模块化。直观、设置简单，费用允许时，只要连接至现有Wi-Fi路由器，即可每次添加一个WeMo开关。我可以将任何设备插入插座，只要愿意，随时可以更改。我通过移动设备定制通知规则，以及定时器打开/关闭周期。当没有互联网可用时，WeMo Switch就像一个机械定时器。
现在，我能够实现机械开关无法办到的事情；但是，慢着...实际上我还没有买呢。为什么？因为Belkin有另一套我更喜欢的方案。

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为家居电能监控增加智能化
我需要的不仅仅是防止小偷进入房间。毕竟，有了正确的“智能”开关，可通过互联网完全访问我家里的每个电气设备。例如，我希望遥控了解潜水泵、除湿器、冷冻柜或冰箱是否存在故障。如果地下室被淹、设施损坏或一批食物霉烂变质，所造成的损失很容易超过200美元。什么投资能够帮助我减少损失，避免电器故障带来的不便？
我需要丰富、有用的信息来帮助我更多地了解电器及其电源的状况。设备损坏的原因是因为电器质量不好还是因为电源异常？常住房内的电源控制是否比湖边别墅的另外一家电力公司更好？在我居住的美国新罕布什尔州，每年要发生大约3次超过8小时的断电。断电期间，当切换到备用电源时，电气设备是否压力过大？某些关键电气设备的电气特性，例如水泵、除湿器、冰箱或冷冻柜，是否随老化而发生变化？
如果要获得更多数据，以及让我能够做出关于电气连接、家用电器和使用模式的明智决定，需要多花费多少钱？甚至我能够预测可能发生的故障吗？
Belkin有一套简单、实用的解决方案，可照顾到我大多数的想法。只需要多支付10美元，Belkin就能够在其基本型WeMo Switch开关上增加“洞察”能力。其WeMo Insight Switch(图3)内部有一个微型电表，体积甚至比上一代还小。太棒了！对于这种扑克牌大小的开关中内置只有10美元的电表，技术狂人们一定会欣喜若狂吧？这主意简直棒极了。用户界面(图4)非常直观，引发大量的家庭讨论，因为无论是我10岁大的女儿还是年迈的老母亲，都非常容易理解和控制。


图3.利用Belkin WeMo Insight Switch，您可以在世界的任何地方将设备打开、关闭、定制通知以及更改设备状态。


图4.平板电脑的用户界面截屏。

WeMo Insight Switch非常具有创新性，采用专为电表的电能测量而设计的芯片。芯片为Maxim的78M6610+LMU电能测量处理器，支持诸如电流、电压、功率及谐波失真等测量值。另外，该芯片也特别精确。虽然不能通过WeMo app访问全部数据，但我对功率测量很满意。任何选择使用78M6610+LMU设计此类设备的人，都能利用78M6610+LMU提供的信息增强设备。
78M6610+LMU自身具有RC振荡器，以及两个低波特率光耦，将其数据传输至Belkin的通信处理器。该应用中，低速其实是一件好事。通常情况下，设计中的波特率越高，光耦价格越高；元件数量越多，总材料清单(BOM)越高。78M6610+LMU中的电能测量技术压缩了这些成本。78M6610的自动报告功能能够以定期间隔发送累积数据包，降低了光耦数量及速度要求。主处理器可选择接收每个数据包，或者仅仅是监测感兴趣的数据包。永远不会丢失信息。
78M6610+LMU的电表计量技术的精度和线性度也都高于Belkin对监测家用电器的要求，但设计者都非常清楚如何发挥优势。78M6610+LMU使Belkin能够满足其设计要求，而不产生任何额外的校准费用。
最后，此类设备的一项设计考虑是功耗和空间问题——保持低功耗及大小合适。Belkin可以使用电流变压器将电阻损耗降至最低，但那样将永远无法适应开关的小巧尺寸。替代方法是选择2mΩ旁路电阻检测电流，不妨碍整个电流范围内的精度；该方法有效，但是功耗比例如200μΩ旁路电阻方案高10倍。78M6610+LMU的占位面积非常小，功耗低得令人难以置信，是解决这一困难的最佳方案。
78M6610+LMU方框图(图5)表明，芯片内集成了模拟和数字技术。芯片以地为参考，与通信处理器共用电源。


图5.78M6610+LMU方框图标出了集成的元件：输入复用器、22位Δ-Σ ADC、24位RISC处理器(时钟为20MHz)、RAM和非易失存储器，以及串行接口选项。芯片也具有前置放大器增益级、温度补偿基准、RC振荡器、温度传感器，以及图中未标出的多个电压故障比较器。

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整合就是协作
最后，介绍一个关于Belkin和Maxim开发团队通力协作的故事。Belkin通过与Maxim工程师一起合作，增加智能电能监测功能，充分发挥其在包装及通信领域的最新技术成果。Belkin的WeMo Insight Switch为消费者监测和管理家庭用电提供了一套经济、适用的解决方案。Belkin实际上是将科技的力量置于我们手心中，以及电源插座上。只需59.99美元即可购得WeMo Insight Switch，现在就能够开始构建您的家庭网络。
利用诸如WeMo Insight Switch这样的工具，您能够预见到什么呢？您有任何关于将微型电表嵌入到产品内部的想法吗？您是否有项目可利用Maxim的电能测量技术进行增强呢？您有任何想法，均可通过Twitter和Facebook联系我们。非常感谢。
WeMo是Belkin International, Inc的注册商标。
Wi-Fi是Wi-Fi Alliance Corporation的注册商标。
About the Author
Paul Michael Daigle is a technology enthusiast who is fond of using closed-loop decision processes that rely on accurate measurement. He has a Master of Science in Electrical Engineering from Syracuse University. He expands depth of B2B customer engagement at Maxim Integrated in his role as a Business Development Executive. Paul specializes in electronic components that enable OEMs to build devices such as utility meters that are so accurate and reliable that they are trusted as the means of accounting and billing for power consumption of residential, commercial, or industrial buildings.

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