家電智能化趨勢凸現(xiàn)，節(jié)能需求成關(guān)鍵驅(qū)動力

在今年上海世博會上，“綠色低碳”、“節(jié)能環(huán)保”成為主旋律，智能家電/智能家居生活場景的展示令人印象深刻：冰箱的液晶可顯示儲存食品的狀況，及時提醒需要補足的食材，并自動與超市聯(lián)網(wǎng)配送物品；洗衣機能夠自動識別衣物材質(zhì)選擇恰當?shù)南礈炷Ｊ剑怀鲩T在外，只需通過手機等終端平臺發(fā)條短信就能對家電設(shè)備進行遠程控制……結(jié)合了尖端科技與人性化設(shè)計的智能家電正在從創(chuàng)意概念一步步變成現(xiàn)實，而這種新趨勢也將為傳統(tǒng)家電行業(yè)注入創(chuàng)新活力，甚至引發(fā)新一輪行業(yè)洗牌。

“預(yù)計智能家電所帶來的商業(yè)影響將是全球范圍的。”愛特梅爾()公司戰(zhàn)略營銷經(jīng)理Pierre Roux指出。目前，智能家電市場處于發(fā)展初期，面臨標準、成本、產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)、商業(yè)模式等諸多問題，還需要經(jīng)歷一個較長的市場培育期，規(guī)模商用尚需時日。不過，“由于人們提高用能效率的意識不斷高漲，加上多項政府計劃的激勵，在接下來的幾年里，智能家電的部署進程將有望加速。”Pierre Roux表示。

主打節(jié)能牌

作為電力網(wǎng)的終端用電設(shè)備，的能耗不容小覷，即使是待機功耗也是一項不小的開銷。據(jù)中國節(jié)能認證中心調(diào)查，中國城市家庭的平均待機功耗相當于每個家庭每天都亮著一盞25瓦到50瓦的長明燈。據(jù)測算，家電待機能耗已占到中國家庭電力消耗的20%以上。美國能源部的報告也顯示，超過三分之一的美國發(fā)電量被用于。

智能控制技術(shù)、信息技術(shù)的快速發(fā)展為家電智能化提供了可能，智能家電由于能夠?qū)崿F(xiàn)更高效能而被認為是促進節(jié)能降耗的有效途徑。據(jù)悉，美國協(xié)會（AHAM）已經(jīng)聯(lián)合26家家電企業(yè)及能源監(jiān)管組織，達成一項關(guān)于提高家電產(chǎn)品能源效率、節(jié)水能力以及促進智能家電產(chǎn)品研發(fā)的協(xié)議，該協(xié)議還申請將智能家電列入“能源之星”認證計劃。

“我們已經(jīng)看到智能家電產(chǎn)品在全球（包括中國在內(nèi)）市場的日益增長。”公司亞太區(qū)家電部市場經(jīng)理Alan Lee分析，這一方面緣于人們生活水平的提高，傾向使用性能更好的家電產(chǎn)品；另一方面，在全球變暖和能源成本不斷上升的壓力下，市場更加青睞高能效的智能家電。

“人們對節(jié)能降耗、人機界面和通信功能等方面的需求將是拉動智能家電市場增長的主要力量。”意法半導(dǎo)體(ST)大中國區(qū)微控制器事業(yè)部市場經(jīng)理James Wiart也談到，現(xiàn)在世界很多國家，包括中國在內(nèi)都在鼓勵家電廠商研制這類智能家電。”

看好智能家電在節(jié)能領(lǐng)域的發(fā)展前景，全球家電廠商紛紛制定開發(fā)計劃或推出相關(guān)產(chǎn)品。例如，美國Whirlpool公司宣布2011年將在市場上出售100萬臺智能干衣機；并在2015年之前，將實現(xiàn)全部新產(chǎn)品的智能化。GE公司開發(fā)的智能熱水器產(chǎn)品目前已經(jīng)上市，該公司表示在2010年還陸續(xù)推出一系列智能家電。海爾、海信、美的等中國家電企業(yè)也競相推出全套智能家電方案。

基礎(chǔ)技術(shù)到位，標準尚待統(tǒng)一

智能家電并非全新概念，數(shù)年前，單項家電產(chǎn)品的智能化功能就已經(jīng)實現(xiàn)，諸如全自動洗衣機、數(shù)控電飯煲等產(chǎn)品早已進入人們的生活。隨著3C融合、三網(wǎng)融合以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用逐步深入，家電將朝著多智能化、自適應(yīng)化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。新一代智能家電需要解決各種家電設(shè)備之間的互連互通以及家電網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的通信問題。

從系統(tǒng)開發(fā)層面看，智能家電是一個復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，其研發(fā)過程涉及多個技術(shù)領(lǐng)域，包括電機變頻技術(shù)、低功耗設(shè)計技術(shù)、先進圖形界面技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等。針對智能家電系統(tǒng)的三個基礎(chǔ)技術(shù)——人機界面、連接和先進的電機控制，的Alan Lee逐項分析道：“隨著節(jié)能意識的不斷提高，消費者希望了解他們的消費模式，而QVGA液晶圖形顯示以及觸摸傳感技術(shù)可以以一種用戶友好的方式展示這一信息；采用創(chuàng)新的可以形成一個完整的嵌入式智能控制；此外，智能家電需要連接到智能電表或者宅內(nèi)管理設(shè)備，以便能夠共享和接收到能源使用數(shù)據(jù)和分時用電事件，這就需要穩(wěn)健的有線和無線連接，例如那些以Wi-Fi或ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)的解決方案。”

家庭網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是構(gòu)建智能家電系統(tǒng)的關(guān)鍵之一，家庭網(wǎng)絡(luò)主要分成家電控制網(wǎng)絡(luò)、家庭A/V網(wǎng)絡(luò)和家庭數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。在IP域方面，全球廠商大多遵循標準，未來將向通信技術(shù)發(fā)展；但在非IP域方面，目前尚無全球統(tǒng)一標準，區(qū)域性標準分屬不同陣營，不同廠商設(shè)備無法互連互通。比較典型的標準有，美國的UPnP、SCP及LonWorks，日本的Echonet，歐洲的KNX標準。中國的閃聯(lián)標準以及e家佳聯(lián)盟主導(dǎo)提報的《家庭多媒體網(wǎng)關(guān)通用要求》也已晉級為國際標準。

低功耗控制方案成主流

電機的功耗在家用電器的整體能耗中占據(jù)很大比例，一直以來，業(yè)界都在尋求更先進的電機控制技術(shù)，以期實現(xiàn)低功耗控制方案。“例如，在永磁同步電機中使用無磁場定向控制（FOC）技術(shù)，就可實現(xiàn)能效更高、運行更平順、噪聲更低的控制方案。”的Alan Lee進一步分析道：單獨使用數(shù)字信號處理器（DSP），不僅提高了成本，而且需要一個外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），因為它們并不專門用于嵌入式控制；的使用費用太過昂貴，需要NRE費用，且開發(fā)周期較長；相較而言，大多數(shù)MCU都是現(xiàn)成器件，兼具成本效益且使用靈活，而且由于內(nèi)置電機控制脈寬調(diào)制（PWM）模塊和高速ADC，因而可降低系統(tǒng)的總成本。“要實現(xiàn)無磁場定向控制永磁同步電機，除了MCU的電機控制外設(shè)，還需要有數(shù)字信號處理引擎。”Alan Lee強調(diào)，Microchip通過將MCU和 DSP兩者功能集成于專用16位dsPIC數(shù)字信號控制器（DSC）中，解決了上述問題。

如何控制多種家電設(shè)備是控制系統(tǒng)設(shè)計的一個關(guān)鍵點。“給每個設(shè)備配備一個控制面板的成本太高，多個設(shè)備共用一個中央控制面板是最佳解決方案。”公司的Pierre Roux指出，“這種中央控制面板可以固定安裝在家庭的某個中心位置，也可以是一個便攜裝置，這二者都有市場。”針對智能家電市場，提供完整的AVR 8/32位微控制器和基于ARM核的AT91SAM微控制器產(chǎn)品，以及作為智能化家庭組件核心的微處理器，可實現(xiàn)功耗更低、性能更佳的解決方案。

為降低智能家電研發(fā)工作量，縮短設(shè)計周期，ST為客戶提供各種微控制器及配套軟件。主要的芯片產(chǎn)品包括用于變頻技術(shù)的F103；用于變頻技術(shù)和以太網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)通信的STM32F200；用于ZigBee通信的STM32W。ST的James Wiart介紹，在該公司現(xiàn)有的135款STM32微控制器中，每款產(chǎn)品的管腳和軟件相互兼容，為智能家電設(shè)計人員提供了最大的選擇靈活性。

ZigBee扮演重要角色

在家庭無線聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，目前802.15.4 和 802.11兩種無線標準都獲得廣泛采用，此外還有無線M-Bus、電力線通信()技術(shù)等。在如何保持家電設(shè)備之間的通信鏈路暢通，或者是如何在無需使用任何計算機或人工干預(yù)之下對網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)置等方面，不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)各有其優(yōu)勢和劣勢。

“這帶來兩方面挑戰(zhàn)，”Atmel的Pierre Roux指出，其一是來自不同供應(yīng)商的智能家電之間的互操作性問題。由于不同地區(qū)推出的家庭局域網(wǎng)絡(luò)(HAN)技術(shù)解決方案各不相同(比如，德國和東歐推出無線M-bus，而英國選擇2.4GHz 802.15.4，意大利則采用1GHz以下 802.15.4)，因此互操作性的難度增加。另一個挑戰(zhàn)是如何實現(xiàn)家電上電即插即聯(lián)網(wǎng)。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用逐漸成為現(xiàn)實，每個家庭還將需要網(wǎng)關(guān)設(shè)備來實現(xiàn)HAN和智能電器解決方案之間的橋接。

相較而言，ZigBee由于具有低耗電、低數(shù)據(jù)速率、低成本、支持大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等特性而占據(jù)優(yōu)勢。因此，“ZigBee成為實施家庭局域網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先考慮方案。” 亞太區(qū)無線連接產(chǎn)品部市場經(jīng)理Victor Kwong介紹，通過應(yīng)用ZigBee技術(shù)，可以將家中的各種電器設(shè)備連接起來，還可以通過網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，這樣用戶就可以方便的在任何地方監(jiān)控家里的情況，實現(xiàn)對電器的智能控制。

不過，“基于ZigBee的智能家用電器系統(tǒng)對射頻和網(wǎng)絡(luò)性能都有要求，這兩方面也是實現(xiàn)該方案的基本要素和主要挑戰(zhàn)。”Victor Kwong指出，許多客戶不具備相關(guān)專業(yè)知識和優(yōu)勢來確保健壯和優(yōu)化的硬件設(shè)計，尤其在射頻設(shè)計方面。此外，智能家電產(chǎn)品設(shè)計還需滿足不同的協(xié)議棧需求，例如ZigBee Home (HA)與ZigBee Energy (SE)等，以及不同的硬件需求。為此，提供了一個完整的符合ZigBee標準的平臺，該平臺包括帶有參考設(shè)計的芯片和軟件棧，可幫助客戶以簡便的方式生產(chǎn)符合ZigBee認證的產(chǎn)品。例如，第三代ZigBee PiP 器件就簡化了射頻設(shè)計。

據(jù)Victor Kwong介紹，F(xiàn)reescale已與意大利家電廠商Indesit合作，為ZigBee 互連白色家電提供智能家電解決方案。“Indesit公司最近推出了配備了Freescale ZigBee節(jié)點的兩個項目，第一個是采用Indesit動態(tài)需求控制技術(shù)的智能冰箱，能夠根據(jù)供電情況管理用電；第二個是，這是一個研究項目，對旨在優(yōu)化能耗的家電互連系統(tǒng)進行試驗。”此外，F(xiàn)reescale還在與亞洲本地制造商合作開發(fā)采用HAN解決方案的智能家電產(chǎn)品。