针对智能家电市场 Atmel提供完整的AVR 8/32位微控制器产品

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在今年上海世博会上,“绿色低碳”、“节能环保”成为主旋律,智能家电/智能家居生活场景的展示令人印象深刻:冰箱的液晶显示屏可显示储存食品的状况,及时提醒需要补足的食材,并自动与超市联网配送物品;洗衣机能够自动识别衣物材质选择恰当的洗涤模式;出门在外,只需通过手机等终端平台发条短信就能对家电设备进行远程控制……结合了尖端科技与人性化设计的智能家电正在从创意概念一步步变成现实,而这种新趋势也将为传统家电行业注入创新活力,甚至引发新一轮行业洗牌。

“预计智能家电所带来的商业影响将是全球范围的。”爱特梅尔(Atmel)公司战略营销经理Pierre Roux指出。目前,智能家电市场处于发展初期,面临标准、成本、产业生态系统建设、商业模式等诸多问题,还需要经历一个较长的市场培育期,规模商用尚需时日。不过,“由于人们提高用能效率的意识不断高涨,加上多项政府计划的激励,在接下来的几年里,智能家电的部署进程将有望加速。”Pierre Roux表示。

主打节能牌

作为电力网的终端用电设备,家用电器的能耗不容小觑,即使是待机功耗也是一项不小的开销。据中国节能认证中心调查,中国城市家庭的平均待机功耗相当于每个家庭每天都亮着一盏25瓦到50瓦的长明灯。据测算,家电待机能耗已占到中国家庭电力消耗的20%以上。美国能源部的报告也显示,超过三分之一的美国发电量被用于家用电器。

智能控制技术、信息技术的快速发展为家电智能化提供了可能,智能家电由于能够实现更高效能而被认为是促进节能降耗的有效途径。据悉,美国家用电器协会(AHAM)已经联合26家家电企业及能源监管组织,达成一项关于提高家电产品能源效率、节水能力以及促进智能家电产品研发的协议,该协议还申请将智能家电列入“能源之星”认证计划。

“我们已经看到智能家电产品在全球(包括中国在内)市场的日益增长。”Microchip公司亚太区家电解决方案部市场经理Alan Lee分析,这一方面缘于人们生活水平的提高,倾向使用性能更好的家电产品;另一方面,在全球变暖和能源成本不断上升的压力下,市场更加青睐高能效的智能家电。

“人们对节能降耗、人机界面和通信功能等方面的需求将是拉动智能家电市场增长的主要力量。”意法半导体(ST)大中国区微控制器事业部市场经理James Wiart也谈到,现在世界很多国家,包括中国在内都在鼓励家电厂商研制这类智能家电。”

看好智能家电在节能领域的发展前景,全球家电厂商纷纷制定开发计划或推出相关产品。例如,美国Whirlpool公司宣布2011年将在市场上出售100万台智能干衣机;并在2015年之前,将实现全部新产品的智能化。GE公司开发的智能热水器产品目前已经上市,该公司表示在2010年还陆续推出一系列智能家电。海尔、海信、美的等中国家电企业也竞相推出全套智能家电方案。

基础技术到位,标准尚待统一

智能家电并非全新概念,数年前,单项家电产品的智能化功能就已经实现,诸如全自动洗衣机、数控电饭煲等产品早已进入人们的生活。随着3C融合、三网融合以及物联网技术应用逐步深入,家电将朝着多智能化、自适应化和网络化方向发展。新一代智能家电需要解决各种家电设备之间的互连互通以及家电网络与外部网络的通信问题。

从系统开发层面看,智能家电是一个复杂的嵌入式系统,其研发过程涉及多个技术领域,包括电机变频技术、低功耗设计技术、先进图形界面技术以及网络通信技术等。针对智能家电系统的三个基础技术——人机界面、连接和先进的电机控制,Microchip的Alan Lee逐项分析道:“随着节能意识的不断提高,消费者希望了解他们的消费模式,而QVGA液晶图形显示以及触摸传感技术可以以一种用户友好的方式展示这一信息;采用创新的单片机可以形成一个完整的嵌入式智能控制解决方案;此外,智能家电需要连接到智能电表或者宅内管理设备,以便能够共享和接收到能源使用数据和分时用电事件,这就需要稳健的有线和无线连接解决方案,例如那些以Wi-Fi或ZigBee协议为基础的解决方案。”

家庭网络通信技术是构建智能家电系统的关键之一,家庭网络主要分成家电控制网络、家庭A/V网络和家庭数据通信网络。在IP域方面,全球厂商大多遵循 IEEE标准,未来将向IPv6通信技术发展;但在非IP域方面,目前尚无全球统一标准,区域性标准分属不同阵营,不同厂商设备无法互连互通。比较典型的标准有,美国的UPnP、SCP及LonWorks,日本的Echonet,欧洲的KNX标准。中国的闪联标准以及e家佳联盟主导提报的《家庭多媒体网关通用要求》也已晋级为国际标准。

低功耗控制方案成主流

电机的功耗在家用电器的整体能耗中占据很大比例,一直以来,业界都在寻求更先进的电机控制技术,以期实现低功耗控制方案。“例如,在永磁同步电机中使用无传感器磁场定向控制(FOC)技术,就可实现能效更高、运行更平顺、噪声更低的控制方案。”Microchip的Alan Lee进一步分析道:单独使用数字信号处理器(DSP),不仅提高了成本,而且需要一个外部模数转换器(ADC),因为它们并不专门用于嵌入式控制;FPGA的使用费用太过昂贵,需要NRE费用,且开发周期较长;相较而言,大多数MCU都是现成器件,兼具成本效益且使用灵活,而且由于内置电机控制脉宽调制(PWM)模块和高速ADC,因而可降低系统的总成本。“要实现无传感器磁场定向控制永磁同步电机,除了MCU的电机控制外设,还需要有数字信号处理引擎。”Alan Lee强调,Microchip通过将MCU和 DSP两者功能集成于专用16位dsPIC数字信号控制器(DSC)中,解决了上述问题。

如何控制多种家电设备是控制系统设计的一个关键点。“给每个设备配备一个控制面板的成本太高,多个设备共用一个中央控制面板是最佳解决方案。”Atmel公司的Pierre Roux指出,“这种中央控制面板可以固定安装在家庭的某个中心位置,也可以是一个便携装置,这二者都有市场。”针对智能家电市场,Atmel提供完整的 AVR 8/32位微控制器和基于ARM核的AT91SAM微控制器产品,以及作为智能化家庭组件核心的微处理器,可实现功耗更低、性能更佳的解决方案。

为降低智能家电研发工作量,缩短设计周期,ST为客户提供各种微控制器及配套软件。主要的芯片产品包括用于变频技术的STM32F103;用于变频技术和以太网/互联网通信的STM32F200;用于ZigBee通信的STM32W。ST的 James Wiart介绍,在该公司现有的135款STM32微控制器中,每款产品的管脚和软件相互兼容,为智能家电设计人员提供了最大的选择灵活性。

ZigBee扮演重要角色

在家庭无线联网领域,目前802.15.4 和 802.11两种无线标准都获得广泛采用,此外还有无线M-Bus、电力线通信(PLC)技术等。在如何保持家电设备之间的通信链路畅通,或者是如何在无需使用任何计算机或人工干预之下对网络进行设置等方面,不同的网络技术各有其优势和劣势。

“这带来两方面挑战,”Atmel的Pierre Roux指出,其一是来自不同供应商的智能家电之间的互操作性问题。由于不同地区推出的家庭局域网络(HAN)技术解决方案各不相同(比如,德国和东欧推出无线M-bus,而英国选择2.4GHz 802.15.4,意大利则采用1GHz以下 802.15.4),因此互操作性的难度增加。另一个挑战是如何实现家电上电即插即联网。随着物联网应用逐渐成为现实,每个家庭还将需要网关设备来实现 HAN和智能电器解决方案之间的桥接。

相较而言,ZigBee由于具有低耗电、低数据速率、低成本、支持大量网络节点等特性而占据优势。因此,“ZigBee成为实施家庭局域网络的优先考虑方案。” Freescale亚太区无线连接产品部市场经理Victor Kwong介绍,通过应用ZigBee技术,可以将家中的各种电器设备连接起来,还可以通过网关连接到互联网,这样用户就可以方便的在任何地方监控家里的情况,实现对电器的智能控制。

不过,“基于ZigBee的智能家用电器系统对射频和网络性能都有要求,这两方面也是实现该方案的基本要素和主要挑战。”Victor Kwong指出,许多客户不具备相关专业知识和优势来确保健壮和优化的硬件设计,尤其在射频设计方面。此外,智能家电产品设计还需满足不同的协议栈需求,例如ZigBee Home Automation (HA)与ZigBee Smart Energy (SE)等,以及不同的硬件需求。为此,Freescale提供了一个完整的符合ZigBee标准的平台,该平台包括带有参考设计的芯片和软件栈,可帮助客户以简便的方式生产符合ZigBee认证的产品。例如,Freescale第三代ZigBee PiP MC13224V器件就简化了射频设计。

据Victor Kwong介绍,Freescale已与意大利家电厂商Indesit合作,为ZigBee 互连白色家电提供智能家电解决方案。“Indesit公司最近推出了配备了Freescale ZigBee节点的两个项目,第一个是采用Indesit动态需求控制技术的智能冰箱,能够根据供电情况管理用电;第二个是Energy@home,这是一个研究项目,对旨在优化能耗的家电互连系统进行试验。”此外,Freescale还在与亚洲本地制造商合作开发采用HAN解决方案的智能家电产品。


图1:2015年全球智能家电市场份额分布情况预测

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