使用无线MCU的智能插头的应用

每个人都应该有一个自动化的家。这不仅仅是我所说的极客,这是基于我们作为一个物种所处的位置的观察。我们现在每年产生和消耗大约 25tw 的能量,或者地球上每个人的能量刚刚超过 3kw。发电过程会产生温室气体,以 co 2克数来衡量或每千瓦时发电的当量(写为 gco2eq/kwh)。毫不奇怪,政府希望看到这个数字下降——到 2030 年,发电的碳足迹目标预计将降至 500 gco2e/kwh 左右。通过减少我们个人对电力的需求,我们几乎可以在一夜之间帮助减少能源生产的总体碳足迹。家庭自动化可以帮助我们抑制这种个人需求,只需记住为我们关闭设备即可。
让我们面对现实吧,没有人会一直关闭一切,但技术显然可以在这里提供帮助。数字助理非常适合这一点,通过 zigbee 和 z-wave 等无线技术,我们已经朝着正确的方向前进。任何由市电供电的家用电器都可以远程打开和关闭。然而问题是,我们目前的大多数家用电器都是笨拙的,所以我们需要使用智能插头来稍微促进自动化。
今天,智能插头只是一种无线适配器,位于现有插头和插座之间。一些使用 wi-fi 连接到云服务,然后由智能手机或数字助理访问,而另一些则支持 zigbee,可以直接由家庭网关控制。一些数字助理现在为此集成了 zigbee 家庭集线器。
所以这里的想法是:开发一个更智能的插头,而不是一个适配器(虽然这些很便宜,使用简单且易于改装 - 毕竟它只是一个插头和插座),而是一个可以大量出售的合适的 oem 模制电源线批量交付给电器制造商,并在总装期间在工厂安装。它将通过设计使所有电器更智能,但不会迫使制造商对电器本身进行任何设计更改。
为了实现这一点,插头内部需要做一些事情,例如产生低直流电压来驱动智能功能,并添加某种形式的无线连接——尽管电力线通信 (plc) 也可能是潜在的一个可以考虑的选项。最后,它需要能够隔离从插座到设备的主电源,而无需切断自己的电源。这意味着我们正在研究 ac/dc 转换,可能是带有调节功能的 dc/dc 降压转换、电源开关以及与现代家庭集线器的无线兼容性。这不会是一个单芯片解决方案,所以我们可能谈论的是指定少数组件。由于 rf 可能很棘手,因此使用无线 mcu 是有意义的,
如果我们假设我们的目标是基于 zigbee 的系统,那么选择很多。有几个我喜欢的潜在解决方案,包括 silicon labs 的em341 zigbee soc 和nxp 的jn516x。silicon labs 设备集成了 arm cortex-m3 处理器,而其 nxp 对应的设备依赖于也可以托管应用程序代码的专有处理器。两者都具有竞争力的价格和丰富的功能,所以我想这可能归结为处理架构偏好。
可以通过多种方式处理功率转换,但这里的首要要求是使其尽可能小。理想情况下,对于消费者来说,插头在任何方面都不是很聪明。现在可以使用满足此要求的现代 usb 电源适配器,因此模仿它应该不难。通过快速的网络搜索,我们找到了 stmicroelectronics 的viper01系列高压转换器。在这些设备的目标应用列表中排名靠前的是用于家用电器的低功耗 smps,以及楼宇和家庭控制。基于此,我认为我们可能会有赢家!
难题的唯一其他部分实际上是电源开关,它会在不需要时切断设备的电源。我认为来自 stmicroelectronics的acst系列三端双向可控硅开关的产品可以解决问题。
现在我们已经有了设计的基础,是时候开始修补了。所选的每个设备都需要最少数量的外部组件来配合它,所以我希望我能把所有东西都挤进一个普通插头的大小。这意味着现在存在与使用它相关的美学或功能缺点。


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