物聯(lián)網(wǎng)（IoT）承諾在智能建筑和智能校園環(huán)境中全面應(yīng)用后可節(jié)省大量資金。管理能源將提供最大的節(jié)約之一，因?yàn)榄h(huán)境控制可以為居民提供最佳舒適度，同時(shí)最大限度地減少能源使用。工廠和工業(yè)園區(qū)也將受益于更強(qiáng)大和連接的基于物聯(lián)網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)。收集和控制所有電力輸送和消耗點(diǎn)將需要更廣泛地推出能量測量和管理設(shè)備。

MCU制造商長期以來一直致力于能量測量和管理應(yīng)用，現(xiàn)代MCU具有多項(xiàng)先進(jìn)功能這使它們在這些應(yīng)用中非常有效。此外，通常還提供參考設(shè)計(jì)，為常見的能量測量，控制和集中器應(yīng)用提供完整的系統(tǒng)解決方案。本文將探討其中一些參考設(shè)計(jì)，以說明它們?nèi)绾物@著簡化下一次能源測量和管理設(shè)計(jì)的實(shí)施，并加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

智能電網(wǎng)中的能源管理

智能電網(wǎng)是一種思考和構(gòu)建能源基礎(chǔ)設(shè)施的新方式。它適用于能源的產(chǎn)生，分配和利用的所有方面。如果所有這三個(gè)元素都已到位且可操作，則可以構(gòu)建更智能和高效的“智能電網(wǎng)”。智能電網(wǎng)將通過測量和預(yù)測所需能源，然后有效地生成和交付，來優(yōu)化能源生產(chǎn)，交付和消耗。智能電網(wǎng)的一個(gè)關(guān)鍵要素是消費(fèi)者對(duì)能源使用的感知，監(jiān)控和通信。一旦知道能源使用并通過使用大數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)理想的可預(yù)測性，就可以更好地管理生成和交付。如果可以根據(jù)產(chǎn)生的能量的可用性來管理消耗，則可以獲得額外的效率。

圖1說明了智能電網(wǎng)的發(fā)展。在左側(cè)，以前的能源系統(tǒng)集中在發(fā)電上。智能電網(wǎng)利用更分散的發(fā)電方法，利用多個(gè)電源以及通信和傳感網(wǎng)絡(luò)來更好地管理能源的輸送和利用。整個(gè)智能電網(wǎng)使用傳感器來測量功率。這不僅在每個(gè)使用點(diǎn)實(shí)施，而且在每個(gè)生成和分發(fā)點(diǎn)實(shí)施，因此可以做出實(shí)時(shí)決策，以優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的效率。

圖1：智能電網(wǎng)演進(jìn)（由意法半導(dǎo)體提供）

電能計(jì)量評(píng)估套件

智能家居中的電能計(jì)量可以成為智能電網(wǎng)中的關(guān)鍵要素。通常，能量計(jì)量解決方案將包括與能量測量IC一起工作的MCU。圖2顯示了典型智能電表的簡化框圖，該智能電表利用STMicroelectronics STM32F系列MCU，STPM10電能計(jì)量IC和若干支持組件，提供電力線調(diào)制解調(diào)器（PLM）通信，附加存儲(chǔ)器，安全性和電源。 STPM10使用單相或多相計(jì)量系統(tǒng)中的電流互感器和分流傳感器測量電力線系統(tǒng)中的有功，無功和視在能量。

圖2：智能家居中的能量計(jì)量。 （由STMicroelectronics提供）

STPM10的模擬部分包括前置放大器和一階Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器，帶隙電壓基準(zhǔn)和低壓降穩(wěn)壓器。數(shù)字部分包括系統(tǒng)控制，振蕩器，配置和校準(zhǔn)非易失性存儲(chǔ)器，DSP和SPI接口。從模擬部分產(chǎn)生的一對(duì)sigma-delta輸出信號(hào)，DSP單元計(jì)算消耗的有功，無功和視在能量的量，以及RMS和瞬時(shí)電壓和電流值。計(jì)算結(jié)果可作為設(shè)備數(shù)字輸出上的脈沖頻率和狀態(tài)，或數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)位，可通過SPI接口從設(shè)備讀取。 STEVAL-IPE15V1評(píng)估套件可用于簡化原型開發(fā)。

能量計(jì)量和通信參考設(shè)計(jì)

如上所述的評(píng)估套件可以快速將工作硬件放在您的指尖，從而幫助加快您的開發(fā)周期。當(dāng)提供包括圖形用戶界面（GUI）以觀察目標(biāo)評(píng)估套件或參考設(shè)計(jì)的操作的軟件工具時(shí)，可以進(jìn)一步加速開發(fā)過程。例如，Cirrus Logic CDB5480U-Z參考設(shè)計(jì)平臺(tái)包括一個(gè)目標(biāo)板和一個(gè)相關(guān)的GUI，它與電路板通信以配置和觀察操作。圖3顯示了左側(cè)的目標(biāo)板和GUI的示例輸出，顯示了收集數(shù)據(jù)的直方圖。平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差，方差，最大值和最小值顯示在窗口的左側(cè)。這種功能齊全的目標(biāo)板和先進(jìn)的配置和測量工具以及易于使用的GUI的組合在加快開發(fā)周期方面特別有效。

圖3：參考設(shè)計(jì)板和用戶界面顯示（由Cirrus Logic提供）

MCU制造商還為智能電網(wǎng)的通信部分提供參考設(shè)計(jì)。電力線通信是在智能電網(wǎng)內(nèi)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的常用方法，而MCU通常用作這些類型系統(tǒng)中的中央控制元件。一些MCU已針對(duì)這些應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，并為智能電網(wǎng)實(shí)施提供了廣泛的通信功能。圖4顯示了德州儀器TMDSICE3359工業(yè)通信引擎參考設(shè)計(jì)的框圖以及通信優(yōu)化TI AM335x處理器的使用。請(qǐng)注意支持的大量通信接口，包括雙以太網(wǎng)，USB，CAN/PROFIBUS，I 2 C，SPI和UART。

圖4：德州儀器智能電網(wǎng)通信參考設(shè)計(jì)框圖（由德州儀器公司提供）

TI的AM3352 MCU功能強(qiáng)大，足以實(shí)現(xiàn)各種智能算法，用于感應(yīng)和控制能源使用用于照明，HVAC，標(biāo)牌，占用，材料運(yùn)輸和過程控制。 TI TMDSICE3359參考設(shè)計(jì)中包含了SYS/BIOS Industrial SDK中收集的大量代碼。 SDK包括開源RTOS，引導(dǎo)加載程序，外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序，用于EtherCAT從站堆棧的工業(yè)通信協(xié)議棧的評(píng)估版本，PROFIBUS從站堆棧，EtherNet/IP適配器/從站堆棧，Profinet IO設(shè)備堆棧以及示例通過各種工業(yè)通信協(xié)議演示工業(yè)輸入/輸出數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用。通過消除從頭開始創(chuàng)建這些復(fù)雜功能的需要，包含這些關(guān)鍵功能大大加快了上市時(shí)間。

總之，使智能電網(wǎng)“智能化”需要每個(gè)密鑰的控制和計(jì)量功能能源網(wǎng)格的要素：發(fā)電，配電和消費(fèi)。通過使用基于MCU的功率測量系統(tǒng)，網(wǎng)格可以收集提高系統(tǒng)效率所需的大量數(shù)據(jù)，而基于MCU的通信系統(tǒng)可以在智能電網(wǎng)內(nèi)發(fā)送和接收這些數(shù)據(jù)。正如我們所示，評(píng)估套件和參考設(shè)計(jì)隨時(shí)可用于幫助您加速這些智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)解決方案的開發(fā)。