利用新型电子开关增强家居电能监测的智能化和安全性

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。

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。[page]

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。