专利名称：家电的电能监控设备的制作方法
技术领域：
实施例涉及一种用于监控关于家电中的功耗的信息的电能监控设备。
背景技术：
随着信息技术(IT)的发展，家电的数量在快速增加，从而导致电能需求增加。为了满足这样的电能需求，发电站的数量在快速增加。然而，从电能需求模式可看出，在一年中的大部分天数期间不会达到峰值容量。更具体地说，发电站只在一年中的少部分天数期间在全容量下工作。在短时间内需要高电能需求的状态被称为峰值负荷。如果将附加的发电站加入电网以应对峰值负荷，则需要用于附加的发电站的巨额建设成本，并且被建设用于维持短时期的峰值负荷的发电站的维护成本相当高。最近，许多开发者已经对在不兴建这样附加的发电站的情况下通过限制峰值负荷来临时限制功耗的需求管理方法进行了深入的研究。为了上述目的，需求管理是关注的焦点，并且大量的研究集中在需求响应(DR)的先进需求管理形式。需求响应(DR)是一种用于根据电价的变化来智能化管理能耗的系统。例如，当电价高时，消费者可临时关闭空调以降低功耗。需要需求响应(DR)控制器来控制需求响应(DR)。DR控制器从电力公司实时地接收电价，并基于接收的电价来控制家电。安装在家里的家电通过DR控制器接收电价信息，并响应于接收的电价信息来操作内部控制算法，从而可根据电价来改变功耗。上述功能被称为需求响应(DR)功能，并且 DR控制器可通过控制家电来使家庭能效最大化。然而，通信模块必须以这样的方式安装在家电中家电能够与DR控制器进行通
fn °另外，DR控制器需要关于每个家电的功耗的正确信息以控制家庭电能的使用，从而需要在每个家电中安装电能监控模块。因此，家电必须包括通信模块和电能监控块，这样就增加了生产成本并且难以保证家电中有充足的安装空间。此外，不是所有包括电能监控模块的家电都能与DR控制器互相操作。在不能与DR 控制器互相操作并且只具有电能监控单元的示例性家电的情况下，该家电由于存在不使用的功能而具有高生产成本，导致增加消费者的花费。
发明内容
因此，本实施例的一方面在于提供一种电能监控设备，所述电能监控设备外连到家电，从而所述电能监控设备可将通信功能和电能监控功能提供给家电。本实施例的另一方面在于提供一种电能监控设备，所述电能监控设备将能够向家电提供通信功能的通信模块外连到家电的通信端口，并且将能够向家电提供电能监控功能的电能监控模块连接到电力线路，从而可在电力线路上实现电能监控，其中，电力线路分配到家电的电源插座(即，插座)。另外方面将在下面的描述中部分地阐明，并且从描述中部分是清楚的，或者通过本发明的实施可以被理解。根据本实施例的一方面，一种电能监控设备包括通信连接器，连接到家电的通信端口 ；通信模块，连接到通信连接器以执行家电和外部装置之间的通信；电源连接器，连接到家电的电源端口，其中，家电的电源端口连接到家电的电力线路；电能监控模块，连接到电源连接器以基于提供给家电的电能来监控家电的电能。可通过电缆将电源端口和电源连接器连接。电能监控模块可包括电压感测单元，感测提供给家电的电压；电流感测单元，感测提供给家电的电流；电能控制器，基于通过电压感测单元感测的电压和电流感测单元感测的电流来监控家电的电能。电压感测单元可检测家电的电力线路两端之间的电压。电流感测单元可以是电流传感器，其中，所述电流传感器包括串行连接到存在于电缆中的AC电力线路中的任何一个的电阻以感测在所述AC电力线路中的任何一个中流过的电流。电流感测单元可以是CT电流传感器，所述CT电流传感器包括在电缆中的AC电力线路的任何一个中以检测在所述AC电力线路中的任何一个中流过的电流。通信连接器可包括通用串行总线(USB)连接器、通用异步接收器/发送器(UART) 连接器、串行外设接口(SPI)总线连接器、内置集成电路(I2C)和20引脚标准连接器中的任何一个。通信模块可包括发送/接收单元，将信息发送到外部装置或从外部装置接收信息；通信控制器，控制通过发送/接收单元发送到外部装置的信息或从外部装置接收的信息。通信模块可包括电源单元，将电能提供给通信模块；电能管理器，监控电源单元的电能状态并基于监控的电能状态提供电能状态信息；开关单元，将电压提供给电源单元或阻止来自电源单元的电压；通信控制器，基于从电能管理器提供的电能状态信息，当需要将电提供给电源单元时控制开关单元，从而对电源单元进行充电。通信控制器可控制在家电的操作完成之前的对电源单元进行充电的操作。根据本实施例的另一方面，一种电能监控设备包括电源连接器，连接到家电的电源端口，其中，家电的电源端口连接到家电的电力线路；电能监控模块，连接到电源连接器以基于提供给家电的电能来监控家电的电能；通信连接器，连接到家电的通信端口 ；通信模块，连接到通信连接器以与外部装置进行通信，其中，通信模块将由电能监控模块监控的家电电能数据发送到外部装置。可通过电缆将电源端口和电源连接器连接。通信连接器可包括通用串行总线(USB)连接器、通用异步接收器/发送器(UART) 连接器、串行外设接口(SPI)总线连接器、内置集成电路(I2C)和20引脚标准连接器中的任何一个。
家电可包括用于切换电力线路的主继电器开关，并且通信模块接通主继电器开关。根据本实施例的另一方面，一种电能监控设备包括通信模块，外连到家电的通信端口并将通信功能提供给家电；电能监控模块，与通信模块进行通信，监控通过家电的电源插座的电力线路提供给家电的电能，并将监控的电能信息发送到通信模块。电能监控模块可有线地连接到通信模块，从而监控的电能信息可被有线地发送到通信模块。电能监控模块可以以钳或夹的形式被配置以连接到家电的电力线路。电能监控模块可包括变流器，用于感测在家电的电力线路中的任何一个中流过的电流。电能监控模块和通信模块可被集成为一个元件，并且家电的通信端口位于家电的电源插座的电力线路附近。电能监控模块可无线地连接到通信模块，从而监控的电能信息可被无线地发送到通信模块。电能监控模块可以以连接到家电的电源插头的插座的形式被配置。电能监控模块可包括电流感测单元，感测在家电的电力线路中流过的电流；电压感测单元，感测所述电力线路两端的电压。根据本实施例的另一方面，一种电能监控设备包括通信连接器，连接到家电的通信端口 ；通信模块，连接到通信连接器以与外部装置进行通信；电能监控模块，监控通过连接到电源插座的家电的电力线路提供给家电的电能，并有线地或无线地连接到通信模块， 从而监控的电能信息通过通信模块被发送到外部装置。根据本实施例的另一方面，一种电能监控设备包括通信模块，外部连接到家电的通信端口并将通信功能提供给家电；电能监控模块，与通信模块时进行无线通信，监控通过家电的电源插座的电力线路提供给家电的电能，并将监控的电能信息无线地发送到通信模块，其中，当电能监控模块和通信模块之间的通信被注册时，电能监控模块接收用于与通信模块进行通信的唯一数字，并存储接收到的唯一数字，电能监控模块和通信模块之间的通信由验证电能监控模块的唯一数字的通信模块完成。通信模块可包括用于检测电能监控模块靠近的传感器，其中，如果传感器检测到电能监控模块的靠近，则所述唯一数字自动被发送到电能监控模块。通信模块和电能监控模块中的每个模块可包括按钮，并且如果通信模块和电能监控模块的按钮被按下，则通信模块可发送所述唯一数字，并且电能监控模块可存储发送的所述唯一数字。根据另一实施例，一种监控家电的电能的方法包括由外连到家电的电能监控设备检测家电消耗的电能的量；由电能监控设备将检测的电能的量发送到需求响应单元。监控家电的电能的方法还可包括由电能监控设备从需求响应单元接收请求；响应于请求将检测的电能的量发送到需求响应单元。此外，监控家电的电能的方法还可包括由电能监控设备将检测的电能的量发送到家电。
通过结合附图，从实施例的下面描述中，本发明的这些和/或其它方面将会变得清楚，并且更易于理解，其中图1是示出根据实施例的应用于电能监控设备的需求响应(DR)系统的配置图。图2是示出根据实施例的电能监控设备的结构图。图3是示出根据实施例的电能监控设备外连到家电的结构图。图4示出图2中示出的通信模块和电能监控模块之间的关系。图5是示出根据实施例的电能监控设备的控制框图。图6是示出根据实施例的外连到家电的电能监控设备的透视图。图7是示出根据实施例的由电能监控设备感测和发送电能的控制框图。图8是示出根据另一实施例的外连到家电的电能监控设备的透视图。图9是示出根据另一实施例的由电能监控设备感测和发送电能的控制框图。图10示出根据另一实施例的电能监控设备的连接结构。图11是示出根据另一实施例的电能监控设备的结构图。图12是示出根据另一实施例的电能监控设备的结构图。图13是示出根据实施例的电能监控设备的控制框图。图14是示出根据另一实施例的电能监控设备的结构图。图15是示出根据另一实施例的电能监控设备的结构图。图16是示出根据另一实施例的电能监控设备的结构图。图17是示出根据另一实施例的电能监控设备的结构图。图18是示出根据实施例的电能监控设备的控制框图。图19是示出根据另一实施例的电能监控设备的结构图。图20是示出根据实施例的电能监控设备的控制框图。
具体实施例方式现在将详细地参照实施例，实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终表示相同的元件。图1是示出根据实施例的应用于电能监控设备的需求响应(DR)系统的配置图。参照图1，包括电能监控设备的DR系统包括智能电表10，安装在家里以将信息发送到电力公司并从电力公司接收信息；DR控制单元20，从智能电表10接收关于电价的信息；多个家电30，连接到DR控制单元20。家电使用通过电力线路接收的电能执行期望的功能。家电30可包括所有类型的家电，例如，电冰箱、空调、洗衣机、电炉(电磁炉)、电视机等。家电30的功耗由电能监控设备40测量。电能监控设备40包括通信功能和电能测量功能，并且外连到家电30。电能监控设备40检测家电的实际功耗，并且将关于检测的功耗的信息发送到DR控制单元20或家电 30，或者发送到DR控制单元20和家电30两者。电能监控设备40检测家电30的实际功耗，并向DR控制单元20通知检测的功耗。
DR控制单元20基于特定信息(例如，电价信息)确定DR级别，并将DR级别发送到家电30。DR控制单元20以单位时间间隔通过智能电表10从电力公司接收电价信息，并使用接收的电价信息确立具有不同电价的不同DR级别。DR级别可包括若干个级别，例如4个级别(第一 DR级别到第四DR级别)，每个级别具有不同的电价和不同的允许功耗。在一个示例中，DR级别越高，电价越高。确立的DR 级别信息被发送到家电30。DR控制单元20识别家电30的当前DR级别，并使用电能监控设备40测量家电30 的功耗。DR控制单元20将测量的功耗与当前DR级别相应的允许功耗进行比较。如果功耗等于或高于允许功耗，则DR控制单元20以优先级的数字升序来延迟各负载的操作开始时间点，直到当前功耗达到允许功耗。如果当前功耗低于允许功耗，则各负载以预定操作顺序正常地操作。通过上述的方案，在高DR级别期间降低功耗，从而降低电费。图2是示出根据实施例的电能监控设备的结构图。图3是示出根据实施例的电能监控设备外连到家电的结构图。参照图2，电能监控设备40包括主体41 ；通信连接器42，安装于主体41的前部， 从而与家电30的通信端口连接；电源连接器43，安装于主体41的后部，从而通过电缆与家电30的电源端口连接。主体41包括连接到通信连接器42以与家电或外部装置进行通信的通信模块411。 在本实施例中，通信模块411执行通信功能。主体41包括连接到电源连接器43以测量从电源供应到家电的家电电能的电能监控模块412。在本实施例中，电能监控模块412执行电能测量功能。通信模块411和电能监控模块412被配置为互相通信。在实施例中，如果不需要通信功能，则可单独提供电能监控模块412。通信连接器42被用作信号线以将各种控制信号发送到家电30并从家电30接收各种控制信号。通信连接器42可基于通用串行总线(USB)连接器，并且还可使用(例如) 移动电话中使用的标准20引脚连接器来实现通信连接器42。然而，虽然通信连接器42包括USB型连接器，通信连接器42的范围或精神不限于USB高速通信方案。S卩，用于通过通信连接器42发送和接收信息的通信方案可以是通用异步接收器/发送器(UART)、串行外设接口(SPI)总线、内置集成电路(I2C)等中的任何一个。电源连接器43用于测量由家电30消耗的电能，并连接到家电30的电源端口。电源端口是AC电源端口。如果由DC电源操作家电30，则DC电源端口也可被用作家电30的电源端口。在这种情况下，根据用于允许电能监控设备40检测家电30的电压信号和电流信号的方案，改变电源连接器43的引脚的数量。具体地，根据电流检测方案来改变引脚的数量。当使用基于电阻的电流检测方法时，引脚的数量为3。在使用基于变流器(CT，CUrrent transformer)的电流检测方案的情况下，引脚的数量为4。图3是示出根据实施例的电能监控设备40外连到家电的结构图。参照图3，电能监控设备40的通信连接器42 (或电能测量单元)直接连接到通信端口 33，其中，通信端口 33连接到用于整体控制家电30的CPU 34。电源连接器43连接到电源端口 35，其中，电源端口 35通过电缆50连接到家电30的AC电力线路(AC⑴和AC㈠)。两个连接器51和52分别位于电缆50的两端。信号线36连接在CPU 34和通信端口 33之间。存在各种信号线，例如，VCC、TX、RX 和GND。TX和RX用于CPU 34和电能监控设备40之间的数据通信，VCC和GND用于将电能提供给电能监控设备40。插头31连接到家电30的AC电力线路(AC(+)和AC㈠)的一侧。主继电器开关32连接到AC电力线路(AC(+)和AC(-))之一。主继电器开关32 可被配置为不仅由CPU 34通电或断电还由电能监控设备40通电或断电。电能监控设备40包括电池。因此，即使家电30完全断电(即，虽然主继电器开关 32断开并且电能不被供应给家电30)，电能监控设备40也可使用电池电能来接通家电30 的主继电器32，从而电能监控设备40可使家电30通电。对于这项操作，电能监控设备40包括用于驱动家电30的主继电器开关32的电路。所述电路是电源连接器43通过电缆50连接到家电30的电源端口 35的闭合电路。通过上述电路配置，家电30不需要处于待机状态以接收外部信号，从而降低待机功耗。在家电30的操作期间，电能监控设备40的电池检查其自身的充电级别，并且随后在需要电池充电或主继电器开关断开之前的特定时间进行完全充电。当家电30完全断电时，电能监控设备40以节电模式操作以节省电池的电量。更具体地说，家电30包括DR相关算法以执行DR控制。为了操作DR相关算法，家电30需要将各种信息发送到DR控制单元20并从DR控制单元20接收各种信息。为了测量家电30的电能，需要通信模块和电能监控模块。如果家电30包括通信模块和电能监控模块，则还需要通信模块和电能监控模块的生产成本，因此，优选地是将通信模块或电能监控模块配置为外部型模块。因此，根据实施例，通信模块和电能监控模块被安装在外连到家电30的电能监控设备40中。其结果是，电能监控设备40可测量家电30的电能并可将电能数据发送到DR控制单元20。家电30可通过电能监控设备40从DR控制单元20接收DR级别或各种控制命令。CPU 34可响应于DR级别来最优化地控制家电，或可响应于各种控制命令来控制家电。同时，为了充分降低家电30的功耗，当家电30不操作时，CPU 34使包含在主板中的主继电器开关32断开，从而当插头31在插座中时，可消除家电30的待机功耗。在这种情况下，为了通过外部命令使家电30正常重新操作，主继电器开关32必须由电能监控设备40接通。当从DR控制20接收接通信号时，电能监控设备40可通过使用电池电能接通主继电器开关32来激活CPU 34。为了这项操作，电能监控设备40包括电池。当主继电器开32接通时，电能监控设备40使用通过主继电器开关32接收的电能对电池进行充电。当主继电器开关32断开时， 电能监控设备40可由储存在电池(以下称为电源)中的电能来驱动。
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图4示出图2中示出的通信模块411和电能监控模块412之间的关系。参照图4，通信模块411在从DR控制单元20接收到电能信息请求时，将电能测量命令发送到电能监控模块412。电能监控模块412测量家电30的电能，并将电能数据发送到通信模块411。通信模块411基于电能数据将电能信息发送到DR控制单元20。通信模块411可根据串行通信方案(如USB、SPI或I2C等)将从DR控制单元20 接收的命令或信息提供给家电30。另外，通信模块411可由若干个通信模块组成，从而通信模块411可响应于环境在各种通信方案(如ZIGBEE、WI-FI和电力线路通信(PLC))之间切换。PLC芯片由于其制作工艺上的困难具有较高生产成本。在根据本发明使用外连到家电的电能监控设备40的情况下，不需要PLC被安装在所有家电中，从而降低了生产成本。根据通信芯片标准化，当ZIGBEE芯片连接到电能监控设备40时，可使用ZIGBEE 通信。如果WI-FI芯片连接到电能监控设备40，则可进行WI-FI通信，从而电能监控设备 40可支持各种通信方案。作为参考，通过连接到电源连接器43的AC电力线路可实现基于 PLC芯片的电力线路通信。通信模块411可将通过天线接收的模拟RF信号解调为数字信号，或可将待发送的数字信号调制为模拟RF信号。电能监控模块412可响应于从通信模块411接收的电流测量命令来监控或测量家电30的电能。电能监控模块412检测连接到电源连接器43的电源端口 35的AC电力线路两端之间的电压。电能监控模块412检测在AC电力线路中的任何一个中流过的电流，从而可计算家电30的电能数据。如果需要，电能监控模块411可将除功率值以外的电压值和电流值发送到通信模块411。图5是示出根据实施例的电能监控设备的控制框图。参照图5，根据实施例的电能监控设备40可包括电压感测单元44、电流感测单元 45和电能控制器492。电压感测单元44可使用连接到电源连接器43的AC电力线路来检测家电30的电压。电压感测单元44可检测AC电力线路两端之间的电压。电流感测单元45可使用连接到电源连接器43的AC电力线路中的任何一个来检测家电30的电流。另外，电流感测单元45包括电流传感器，所述电流传感器由磁芯和线圈组成。电流传感器测量在绕在磁芯上的线圈中产生的电动势(EMF)，从而可基于测量的EMF检测AC 电流。大多数电流传感器被实现为电导率温度(CT)传感器。另外，电流感测单元45包括电流传感器，所述电流传感器由串联到AC电力线路中的任何一个的一个或多个电阻组成。所述电流传感器测量电阻两端之间的电压，从而可检测AC电流。电能控制器492响应于从通信控制器491接收的电流测量命令来监控(或测量) 家电30的电能。电能控制器492使用电压感测单元44检测连接到电源连接器43的AC电力线路两端之间的电压，并检测在连接到电源连接器43的AC电力线路中的任何一个中流过的电流，从而电能控制器492计算家电的功耗数据。在这种情况下，电能控制器492可将电流值和电压值发送到通信控制器491，而不将功率值发送到通信控制器491。根据实施例的电能监控设备40可包括通信模块411。通信模块411包括发送/ 接收单元46、开关单元47、电能管理器48、电源单元48a和通信控制器491。发送/接收单元46包括天线。天线可被实现为用于增强无线通信(例如，WI-FI 或ZIGBEE)可靠性的PCB型天线。开关单元47可在从通信控制器491接收到控制信号时将电压提供给电源单元 48a，或可阻止提供给电源单元48a的电压。电能管理器48在从通信控制器491接收到控制信号时测量电源单元48a的电能状态，并基于测量的电能状态将电能状态信息输出到通信控制器491。例如，电能管理器48 检测电源单元48a的充电级别以确定电源单元48a是否被充满电，并向通信控制器491通知确定的结果。电源单元48a提供电能以驱动电能监控设备40。电源单元48a可以是可再充电电池、碱性电池、扣式电池或燃料电池中的任何一个。电能监控设备40包括电源单元48a。因此，家电30不需要保持待机模式以接收电能监控设备40的输出信号，从而降低家电30在待机模式下的功耗。仅当电源单元48a需要被充电时，电能监控设备40激活家电30，并使用电对电源单元48a进行充电，从而降低家电30的待机功耗。另外，通信控制器491使用电对电源单元48a进行充电。通信控制器491使用电能管理器48来测量电源单元48a的电能状态。如果电源单元48a需要被充电，则通信控制器491使开关单元47接通以将电能提供给电源单元48a。一旦电源单元48a被充满电，通信控制器491使开关单元47断开以防止电能流向电源单元48a。因此，家电30不需要保持待机状态以从电能监控设备40接收信号，从而可降低家电30的待机模式功耗。通信控制器491响应于从DR控制单元20接收的电能信息请求，将电能测量命令发送到电能控制器492，并从电能控制器492接收电能数据。通信控制器491基于电能数据将电能信息发送到DR控制单元20。另外，通信控制器491可使用串行通信方案(如USB、SPI、I2C等)来将从DR控制单元20接收的命令或信息提供给连接的家电30。另外，通信控制器491可将通过天线接收的模拟RF信号解调为数字信号，或可将将被发送的数字信号调制为模拟RF信号。图6是示出根据实施例的外连到家电的电能监控设备的透视图。图7是示出根据实施例的由电能监控设备测量和发送电能的控制框图。参照图6，为了将电能监控设备40外连到家电30，需要电能监控设备40的通信连接器42被连接到家电30的通信端口 33。其结果是，家电30可通过电能监控设备40的通信功能来与外部进行通信。另外，电能监控设备40的电源连接器43通过电缆50连接到家电30的电源端口 35。电缆50的第一连接器51连接到电能监控设备40的电源连接器43，电缆50的第二连接器52连接到家电30的电源端口 35。例如，如果电流感测单元45被实现为CT电流传感器，则电缆50的数量可被设为4。通过上述的连接，家电的AC电力线路连接到电能监控设备40，从而可以测量家电 30的电能。参照图7，电能监控设备40的电压感测单元44包括串联在AC电力线路(AC(+)和 AC㈠)之间的电阻R3。标号60指示的LR电路适合于降低施加到电压感测单元44的电压级别。电能控制器492通过感测电阻R3两端之间的电压来检测家电30的电压。电能监控设备40的电流感测单元45包括磁芯4 和线圈45b。AC电力线路(AC(+) 和AC(-))之一穿过磁芯45a，线圈45b绕在磁芯45a的一侧上。因此，在穿过磁芯45a的AC电力线路(AC(-))中流过的交流电流在AC电力线路 (AC(-))的附近产生同心磁通量。磁通量穿过磁芯45a，其中，所述磁芯4 穿过AC电力线路(ACB)0在这种情况下，由AC信号感应的磁通量是时变磁通量，从而根据电磁感应规律在线圈4 中产生感应电动势。感应电动势由模数(A/D)转换器70转换为数值，并且转换的结果被发送到电能控制器492。电能控制器492基于所述数值计算在AC电力线路(AC(-))中流过的AC信号的值。 这样，电能控制器492通过电流感测单元45来检测家电30的电流。 电能控制器492使用由电压感测单元44检测的电压和由电流感测单元45检测的电流来计算电能数据，并将计算的电能数据发送到通信控制器491。通信控制器491通过发送/接收单元46将电能数据发送到DR控制单元20。图8是示出根据实施例的外连到家电的电能监控设备的透视图。图9是示出根据实施例的由电能监控设备感测和发送电能的控制框图。在图8的实施例中，电能监控设备40被称为电能测量单元401。参照图8，电能测量单元401的通信连接器421连接到家电30的通信端口 33，电能测量单元401 (电能监控设备40)的电能连接器431通过电缆501连接到家电30的电源端口 35。在图8的实施例中，如果电流感测单元45是电阻式电流传感器，则电缆线501的数量可被示例性地设为3。通过上述连接，家电30可使用电能监控设备40的通信功能来与外部进行通信。家电30的AC电力线路连接到电能监控设备40，从而可测量家电30的功率。参照图9，电能监控设备40(电能测量单元401)的电压感测单元441包括串联在 AC电力线路(AC(+)和AC(-))之间的电阻R3。由标号60指示的LR电路用于降低施加到电压感测单元441的电压。电能控制器492检测在电阻R3的两端之间产生的电压以检测家电30的电压。另外，电能监控设备40的电流感测单元45包括串联到AC电力线路(AC(+)和 AC(-))中的一个(AC(-))的电阻R4。电能控制器492可通过感测电阻R4两端之间的电压来检测家电30的电流。电能控制器492使用由电压感测单元44检测的电压和由电流感测单元45检测的电流来计算电能数据，并将计算的电能数据发送到通信控制器491。通信控制器491通过发送/接收单元461将电能数据发送到DR控制单元20。
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图10示出根据另一实施例的电能监控设备的连接结构。在图10的实施例中，电能监控设备40被称为电能监控设备402。参照图10，电能监控设备402的通信连接器422和电源连接器432还可布置在主体412的若干个平面中的
同一面上。其结果是，电源连接器432可在不使用电缆的情况下直接连接到家电30的电源端口 35，并可与家电30紧密贴合。根据实施例的上述电能监控设备将通信连接器连接到家电的通信端口，同时将电源连接器直接连接到家电的电源端口，或以这样的方式通过电缆连接在电源连接器和家电的电源端口之间电能监控设备可连接到家电。因此，将电能监控设备的电源连接器连接到家电的电源端口的操作是必要的，从而安装工程师需要将电能监控设备安装到家电中以保证用户的安全和方便，其中，家电的电源端口接收作为输入的电源电压。另外，为了使电能监控设备监控家电的功耗，家电的内部配置的电力线路需要连接到电源端口，从而电能监控设备需要附加的组件和空间。由于上述电能监控设备仅可应用于具有上述结构的家电，因此可用家电的模型可能受到限制，从而当设计家电时必须考虑到上述结构。因此，根据另一实施例的电能监控设备被配置为通过电源线在连接到电源插座 (即，插座)的家电的电力线路监控电能，而不通过将电能监控模块连接到家电的电源端口来监控电能。对于上述配置，根据另一实施例的电能监控设备包括通信模块，连接到家电的通信端口以提供通信功能；电能监控模块，通过连接到墙上插座的家电的电力线路来监控家电的电能，并将监控的电能信息有线地或无线地发送到通信模块。简单地说，上述方案将电能监控模块与电能监控设备的主框架(或主体)分离，并将分离的电能监控模块布置在家电的电力线路上。因此，在家电中不需要构造附加的电力线路，从而可去除家电的电源端口、电能监控设备的电源连接器以及用于在家电的电源端口和电源连接器之间相互连接的电缆。因此，上述方案可在不改变家电的结构的情况下监控家电的电能。另外，电能监控模块以变流器中广泛使用的钳或夹具的形式被配置或以连接到家电的电源线的插座的形式被配置，该配置方式使得用户可在不需要工程师的帮助下容易并安全地将电能监控模块连接到家电，从而增强用户的安全和方便。用于通过连接到插座的家电的电力线路来监控家电的电能并同时将监控的家电的电能信息发送到通信模块的电能监控模块可主要被分为以下的第一方案和第二方案。在第一方案中，电能监控模块有线地连接到通信模块。在这种情况下，电能监控模块可以以钳或夹的形式被配置，并可连接到家电的电力线路。电能监控模块被配置为检测在家电的电力线路中流过的电流或检测家电的电源两端之间的电压，从而电能监控模块可监控或测量家电的功耗。通过将电能监控模块连接到通信模块的通信线路来将由电能监控模块监控(或测量)的电能信息发送到通信模块。在第二方案中，电能监控模块无线地连接到通信模块。电能监控模块以电源插座的形式被配置，其中，家电的电源线连接到所述电源插座。在这种情况下，连接到电源线的电能监控模块连接到电源插座。电能监控模块通过检测在家电的电力线路中流过的电流或检测家电的电源两端之间的电压来监控(或测量)电能。将由电能监控模块监控(或测量)的电能信息无线地发送到通信模块。图11是示出根据另一实施例的电能监控设备的结构图。图12是示出根据另一实施例的电能监控设备的结构图。参照图11和图12，电能监控设备40包括主框架41、通信连接器42和通信模块 411。通信连接器42安装于主框架41的前部，从而可连接到家电30的通信端口 33。通信模块411连接到通信连接器42以与家电或外部装置进行通信。通信连接器42用作信号线以将各种控制信号发送到家电30并从家电30接收各种控制信号。通信连接器42可基于通用串行总线(USB)连接器，还可使用移动电话中使用的20引脚标准连接器来实现通信连接器42。然而，虽然通信连接器42包括USB型连接器， 但是通信连接器42的范围或精神不限于USB高速通信方案。即，用于通过通信连接器42 发送和接收信息的通信方案可以是通用异步接收器/发送器(UART)、串行外设接口(SPI) 总线、内置集成电路(I2C)等中的任何一个。另外，电能监控模块连接到通信线路(CL)，电能监控模块使用提供给家电30的电源信号来监控(或测量)家电的电能。在这种情况下，电能监控模块412通过通信线路(CL) 接收电源信号。因此，通过通信线路(CL)将由电能监控模块412测量的家电的电能信息发送到通信模块411。通信模块411连接到电能监控模块412，从而通信模块411可与电能监控模块412进行通信。电能监控模块412可以以钳或夹的形式被配置，并连接到家电的30的电力线路 (PL)。电能监控模块412被配置为检测在家电30的电力线路(PL)中流过的电流或检测家电30的电源两端之间的电压，从而电能监控模块412可监控或测量家电30的电能。通过通信线路(CL)将由电能监控模块412监控(或测量)的电能信息发送到通信模块411。为引将电能监控设备40连接到家电30，电能监控设备40的通信连接器42连接到家电30的通信端口 33，并且以钳或夹的形式被配置的电能监控模块412连接到家电30的电力线路(PL)0通过上述连接，家电30可通过电能监控设备40的通信模块411来与外部进行通信，电能监控设备40的电能监控模块412连接到家电30的电力线路(PL)，从而可测量家电 30的功耗。图13是示出根据实施例的电能监控设备的控制框图。参照图13，电能监控设备40包括通信模块411、电能监控模块412。电能监控模块412包括电压感测单元44、电流感测单元45、通信接口单元60和电能控制器492。电压感测单元44可检测家电30的电力线路(PL)两端之间的电压。电流感测单元45可使用家电30的电力线路(PL)的两条线路(AC-和AC+)中的任何一个来检测家电30的电流。电流感测单元45包括由磁芯和线圈组成的电流传感器。 电流传感器测量绕在磁芯上的线圈中产生的电动势(EMF)，从而电流传感器可基于测量的 EMF来检测AC电流。大多数电流传感器可被实现为电导率温度(CT)传感器。通信接口单元60支持电能控制器492和通信控制器491之间的有线通信。
电能控制器492通过通信接口单元60从通信控制器491接收电能监控命令，并使用接收的电能监控命令来监控(或测量)家电30的电能。电能控制器492使用电压感测单元44来检测家电30的电力线路(PL)两端之间的电压，并检测在家电30的电力线路(PL)中的任何一个中流过的电流，以计算家电的电能数据。在这种情况下，电能控制器492不从电流值和电压值中检测已知数据，而只检测未知数据，从而电能控制器492可基于检测的未知结果来计算电能数据。电能控制器492还可将电流值和电压值发送到通信控制器491，而不将功率值发送到通信控制器491。通信模块411包括发送/接收单元(也被称为收发器)46、通信接口单元61和通信控制器491。发送/接收单元46包括天线。所述天线可被实现为用于提高无线通信(如WI-FI 或ZIGBEE)可靠性的PCB型天线。通信接口单元61支持电能控制器491和通信控制器492 之间的有线通信。通信控制器491在从DR控制单元20接收到电能信息请求时将电能监控命令发送到电能控制器492，并从电能控制器492接收电能数据。通信控制器491基于电能数据将电能信息发送到DR控制单元20。另外，通信控制器491可根据串行通信方案(如USB、SPI或I2C等)来将从DR控制单元20接收的命令或信息提供给家电30。通信控制器491可将通过天线接收的模拟RF信号解调为数字信号，或可将待发送的数字信号调制为模拟RF信号。图14是示出根据另一实施例的电能监控设备的结构图。图15是示出根据另一实施例的电能监控设备的结构图。参照图14，在家电30的通信端口 33与电力线路紧密贴合，电能监控设备40的通信连接器42连接到通信端口 33的同时电能监控设备40被夹在家电的电力线路上或被钳夹住的情况下，，可去除通信模块411和电能监控模块412之间的通信线路(CL)，主框架41 可包括通信模块411和电能监控模块412两者(见图15)。图16是示出根据另一实施例的电能监控设备的结构图。图17是示出根据另一实施例的电能监控设备的结构图。参照图16和图17，电能监控设备40包括主框架41、通信连接器42和通信模块 411。通信连接器42安装于主框架41的前端，从而通信连接器42可连接到家电30的通信端口 33。通信模块411连接到通信连接器42以与家电或外部装置进行通信。另外，电能监控模块412可与通信模块411进行无线通信，电能监控模块412的主框架以墙上插座的形式被配置。墙上插座可连接到家电30的电力线路的电源插头。因此，可将由电能监控模块412监控(或测量)的家电30的电能信息无线地发送到通信模块 411。电能监控模块412被配置为检测在家电30的电力线路中流过的电流或检测家电 30的电源两端之间的电压，从而电能监控模块412可监控或测量家电30的功耗。将由电能监控模块412监控(或测量)的电能信息无线地发送到信模块411。 为了将电能监控设备40连接到家电30，电能监控设备40的通信连接器42连接到家电30的通信端口 33，电能监控模块412连接到家电30的电源插头并同时插入插座。
通过上述连接，家电30可通过电能监控设备40的通信模块411来与外部进行通信，电能监控设备40的电能监控模块412连接到家电30的电力线路，从而可测量家电30 的功耗。图18是示出根据实施例的电能监控设备的控制框图。参照图18，电能监控设备40包括通信模块411、电能监控模块412。电能监控模块412包括电压感测单元44、电流感测单元45、通信接口单元60和电能控制器492。电压感测单元44可检测家电30的电力线路两端之间的电压。电流感测单元45可使用家电30的电力线路的两条线路(AC-和AC+)中的任何一个来检测家电30的电流。电流感测单元45包括由磁芯和线圈组成的电流传感器。电流传感器测量绕在磁芯上的线圈中产生的电动势(EMF)，从而电流传感器可基于测量的EMF检测AC电流。大多数电流传感器可被实现为导电率温度(CT)传感器。另外，电流感测单元45包括由串联到AC电力线路中的任何一个的一个或多个电阻组成的电流传感器。该电流传感器监控(或测量)电阻两端之间的电压，从而该电流传感器可检测AC电流。通信接口单元60支持电能控制器492和通信控制器491之间的无线通信。电能控制器492使用电压感测单元44检测家电30的电力线路(PL)两端之间的电压，并检测在家电30的电力线路(PL)中的任何一个中流过的电流，从而电能控制器492 可计算家电的电能数据。在这种情况下，电能控制器492不从电流值和电压值中检测已知数据，而只检测未知数据，从而电能控制器492可基于检测的未知结果来计算电能数据。通信模块411包括发送/接收单元(可被称为收发器)46、通信接口单元61和通信控制器 491。发送/接收单元46包括天线。所述天线可被实现为用于提高无线通信(如WI-FI 或ZIGBEE)可靠性的PCB型天线。通信接口单元61支持电能控制器491和通信控制器492之间的无线通信。通信控制器491在从DR控制单元20接收到电能信息请求时将电能监控命令发送到电能控制器492，并从电能控制器492接收电能数据。通信控制器491基于电能数据将电能信息发送到DR控制单元20。通信控制器491可将通过天线接收的模拟RF信号解调为数据信号，或可将待发送的数据信号调制为模拟RF信号。图19是示出根据另一实施例的电能监控设备的结构图。图20是示出根据实施例的电能监控设备的控制框图。可将由电能监控模块412监控(或测量)的家电30的电能信息无线地发送到通信模块411(见图15)。然而，如果使用PLC进行电能监控模块412通信，则电能信息可在通过家电之后被有线地发送到通信模块411。参照图20，家电30接收由电能监控模块412监控(或测量)的家电30的电能信息，并将接收的电能信息发送到通信模块411。同时，如果通信模块411通过有线接口连接到电能监控模块412，则由于通信模块 411直接与电能监控模块412配对，因此在通信模块411和电能监控模块412之间的通信中不存在问题。然而，如果通信模块411通过无线接口连接到电能监控模块412，则当电能监控模块412将电能信息发送到通信模块411时会发生意外的问题。例如，假设存在多个家电，则每个电家的电能信息的传输需要每个家电的通信模块411和电能监控模块412之间的正确数据通信。即，通信模块411总是被配置为与电能监控模块412配对，从而通信模块411可与电能监控模块412进行通信。为了实现一对模块的正确数据通信，这对模块的数据通信必须与其它对模块的数据通信分离。在任意电能监控模块412尝试将电能信息发送到与其配对的通信模块的情况下， 所述通信模块仅需要有线地或无线地接收与其配对的电能信息。例如，需要通信模块和电能监控模块之间的通信配对方法。由制成品的制造商在制成品中将唯一数字映射给通信模块411和电能监控模块 412中的每个。磁传感器或邻近传感器可安装到通信模块411或电能监控模块412。因此， 如果通信模块411沿预定方向靠近电能监控模块412，则磁传感器或邻近传感器可识别分配给每个模块的唯一数字，并随后可在所述模块之间建立通信链接。例如，如果磁传感器或邻近传感器检测到电能监控模块412的靠近，唯一数字被自动发送到电能监控模块412。 即，模块411和412的唯一数字被记录在地址值区用于数据通信，从而完成数据发送/接收的配对。即，可在不使用寻址方法(如使用附加IP的网络协议)的情况下实现数据发送/ 接收的配对。为此，通信模块411和电能监控模块412需要以外观可以彼此匹配的方式被机械设计。在上述配置下，当电能监控模块412和通信模块411之间的通信被注册时，电能监控模块412从相应的通信模块411接收用于通信的唯一数字，并存储接收到的唯一数字。当相应的通信模块411验证了电能监控模块412的唯一数字时，实现电能监控模块412和相应的通信模块411之间的通信。另外，如果具有各自按钮的通信模块411和电能监控模块412互相分离，并且用户按下通信模块411的按钮，则发光二极管(LED)发光并同时通信模块411进入配对模式。 在这种情况下，如果电能监控模块412的按钮被按下，则LED发光并且电能监控模块412可根据需要与通信模块411进行配对。例如，如果通信模块411和电能监控模块412的按钮被按下，则通信模块411发送所述唯一数字，并且电能监控模块412存储发送的所述唯一数字。例如，在空调的情况下，需要三个元件(即，主卧的室内单元、客厅的室内单元和室外单元)互相通信，需要一个通信模块411和三个电能监控模块412。其结果是，可有效地使用简单的基于接触的配对方法和一个通信模块411与若干个电能监控模块412之间的配对方法。从以上描述容易看出，根据一方面的电能监控设备将通信功能和电能测量功能提供给外部连接到家电的设备，从而家电不需要包括电能监控设备，从而降低家电的生产成本。根据另一方面，用于将通信功能和电能测量功能提供给家电的电能监控设备可外连到家电。如果用户希望使用需求管理功能，则用户只需要将电能监控设备连接到家电，从而使用更加方便。
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另外，根据另一方面，电能监控设备将通信模块外连到家电的通信端口，并将电能监控模块连接到被分配到家电的电源插座的电力线路，从而可在电源插座的电力线实现电能监控，其中，所述通信模块被配置为将通信功能提供给家电，所述电能监控模块被配置为将电能测量功能提供给家电。其结果是，不需要在家电中构造用于电能监控的附加电力线路，从而可去除家电的电源端口、电能监控设备的电源连接器以及用于电源端口和电源连接器相互连接的电缆，并且可在不改变家电的情况下进行电能监控。另外，用户可在没有安装工程师的帮助下容易地连接电能监控设备，从而可增强用户的安全和方便。虽然已经示出和描述了一些实施例，但是本领域的技术人员将认识到在不脱离本发明的原理和精神的情况下，可在这些实施例中进行改变，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种电能监控设备，包括电能监控模块，在接收到提供给家电的电能监控家电的电能； 通信连接器，连接到家电的通信端口 ；通信模块，连接到通信连接器以与家电或外部装置进行通信，接收由电能监控模块监控的电能信息，并将接收的电能信息发送到家电或外部装置。
2.如权利要求1所述的设备，其中，电能监控设备包括电源连接器，连接到家电的电源端口，其中，所述电源端口连接到家电的电力线路；电能监控模块，连接到电源连接器并在接收到提供给电源端口的电能时监控家电的电能。
3.如权利要求2所述的设备，其中，电源端口和电源连接器通过电缆连接。
4.如权利要求2所述的设备，其中，电源端口和电源连接器直接连接。
5.如权利要求2所述的设备，其中，电能监控模块包括 电压感测单元，感测提供给家电的电压；电流感测单元，感测提供给家电的电流；电能控制器，基于通过电压感测单元感测的电压和电流感测单元感测的电流来监控家电的电能。
6.如权利要求5所述的设备，其中，电压感测单元检测家电的电力线路两端之间的电压。
7.如权利要求5所述的设备，其中，电流感测单元是电流传感器，其中，所述电流传感器包括电阻，所述电阻串联到电缆中的AC电力线路中的任何一个以感测在所述AC电力线路中的任何一个中流过的电流。
8.如权利要求5所述的设备，其中，电流感测单元是CT电流传感器，所述CT电流传感器被包括在电缆中的AC电力线路的任何一个中以检测在所述AC电力线路中的任何一个中流过的电流。
9.如权利要求1所述的设备，其中，通信连接器包括通用串行总线(USB)连接器、通用异步接收器/发送器(UART)连接器、串行外设接口(SPI)总线连接器、内置集成电路(I2C) 和20引脚标准连接器中的任何一个。
10.如权利要求1所述的设备，其中，通信模块包括发送/接收单元，将信息发送到外部装置或从外部装置接收信息；通信控制器，控制通过发送/接收单元将信息发送到外部装置或从外部装置接收信肩、O
11.如权利要求10所述的设备，其中 通信模块包括电源单元，将电能提供给通信模块；电能管理器，监控电源单元的电能状态并基于监控的电能状态提供电能状态信息； 开关单元，将电压提供给电源单元或阻止来自电源单元的电压， 所述通信控制器基于从电能管理器提供的电能状态信息，当需要将电提供给电源单元时控制开关单元，从而对电源单元进行充电。
12.如权利要求11所述的设备，其中，通信控制器控制在家电的操作完成之前的对电源单元进行充电的操作。
13.如权利要求1所述的设备，其中，电能监控模块与通信模块进行通信，监控通过家电的电源插座的电力线路提供给家电的电能，并将监控的电能信息发送到通信模块。
14.如权利要求13所述的设备，其中，电能监控模块有线地连接到通信模块，从而将监控的电能信息有线地发送到通信模块。
15.如权利要求14所述的设备，其中，电能监控模块以钳或夹的形式被配置以连接到家电的电力线路。
16.如权利要求15所述的设备，其中，电能监控模块包括用于感测在家电的电力线路中的任何一个中流过的电流的变流器。
17.如权利要求13所述的设备，其中，电能监控模块和通信模块集成在一个元件中，家电的通信端口位于家电的电源插座的电力线路附近。
18.如权利要求13所述的设备，其中，电能监控模块无线地连接到通信模块，从而将监控的电能信息无线地发送到通信模块。
19.如权利要求18所述的设备，其中，电能监控模块以连接到家电的电源插头的插座的形式被配置。
20.如权利要求19所述的设备，其中，电能监控模块包括电流感测单元，感测在家电的电力线路中流过的电流；电压感测单元，感测在所述电力线路两端之间的电压。
21.如权利要求18所述的设备，其中，当电能监控模块和通信模块之间的通信被注册时，电能监控模块接收用于与通信模块进行通信的唯一数字，并存储接收到的唯一数字，由验证电能监控模块的唯一数字的通信模块来实现电能监控模块和通信模块之间的通信。
22.如权利要求21所述的设备，其中，通信模块包括用于检测电能监控模块靠近的传感器，其中，如果传感器检测到电能监控模块的靠近，则所述唯一数字被自动发送到电能监控模块。
23.如权利要求22所述的设备，其中，通信模块和电能监控模块中的每个模块包括按钮，并且如果通信模块和电能监控模块的按钮被按下，则通信模块发送所述唯一数字，并且电能监控模块存储发送的所述唯一数字。
全文摘要
提供了一种家电的电能监控设备，所述电能监控设备外连到家电，从而所述电能监控设备可将通信功能和电能测量功能提供给家电。因此，家电不需要包括电能监控设备，从而降低了家电的生产成本。
文档编号G05B19/048GK102236331SQ201110124880
公开日2011年11月9日 申请日期2011年5月6日 优先权日2010年5月7日
发明者元银泰, 张载辉, 朴英珍, 朴贤洙, 林亨奎, 裴泰汉, 赵治弘, 韩世熙, 黄栋胤 申请人:三星电子株式会社