物聯網（IoT）承諾在智能建筑和智能校園環境中全面應用后可節省大量資金。管理能源將提供最大的節約之一，因為環境控制可以為居民提供最佳舒適度，同時最大限度地減少能源使用。工廠和工業園區也將受益于更強大和連接的基于物聯網的能源管理系統。收集和控制所有電力輸送和消耗點將需要更廣泛地推出能量測量和管理設備。

MCU制造商長期以來一直致力于能量測量和管理應用，現代MCU具有多項先進功能這使它們在這些應用中非常有效。此外，通常還提供參考設計，為常見的能量測量，控制和集中器應用提供完整的系統解決方案。本文將探討其中一些參考設計，以說明它們如何顯著簡化下一次能源測量和管理設計的實施，并加快產品上市時間。

智能電網中的能源管理

智能電網是一種思考和構建能源基礎設施的新方式。它適用于能源的產生，分配和利用的所有方面。如果所有這三個元素都已到位且可操作，則可以構建更智能和高效的“智能電網”。智能電網將通過測量和預測所需能源，然后有效地生成和交付，來優化能源生產，交付和消耗。智能電網的一個關鍵要素是消費者對能源使用的感知，監控和通信。一旦知道能源使用并通過使用大數據分析實現理想的可預測性，就可以更好地管理生成和交付。如果可以根據產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說明了智能電網的發展。在左側，以前的能源系統集中在發電上。智能電網利用更分散的發電方法，利用多個電源以及通信和傳感網絡來更好地管理能源的輸送和利用。整個智能電網使用傳感器來測量功率。這不僅在每個使用點實施，而且在每個生成和分發點實施，因此可以做出實時決策，以優化整個系統的效率。

圖1：智能電網演進（由意法半導體提供）

電能計量評估套件

智能家居中的電能計量可以成為智能電網中的關鍵要素。通常，能量計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電能計量IC和若干支持組件，提供電力線調制解調器（PLM）通信，附加存儲器，安全性和電源。 STPM10使用單相或多相計量系統中的電流互感器和分流傳感器測量電力線系統中的有功，無功和視在能量。

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

STPM10的模擬部分包括前置放大器和一階Σ-ΔA/D轉換器，帶隙電壓基準和低壓降穩壓器。數字部分包括系統控制，振蕩器，配置和校準非易失性存儲器，DSP和SPI接口。從模擬部分產生的一對sigma-delta輸出信號，DSP單元計算消耗的有功，無功和視在能量的量，以及RMS和瞬時電壓和電流值。計算結果可作為設備數字輸出上的脈沖頻率和狀態，或數據流中的數據位，可通過SPI接口從設備讀取。 STEVAL-IPE15V1評估套件可用于簡化原型開發。

能量計量和通信參考設計

如上所述的評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周期。當提供包括圖形用戶界面（GUI）以觀察目標評估套件或參考設計的操作的軟件工具時，可以進一步加速開發過程。例如，Cirrus Logic CDB5480U-Z參考設計平臺包括一個目標板和一個相關的GUI，它與電路板通信以配置和觀察操作。圖3顯示了左側的目標板和GUI的示例輸出，顯示了收集數據的直方圖。平均值，標準偏差，方差，最大值和最小值顯示在窗口的左側。這種功能齊全的目標板和先進的配置和測量工具以及易于使用的GUI的組合在加快開發周期方面特別有效。

圖3：參考設計板和用戶界面顯示（由Cirrus Logic提供）

MCU制造商還為智能電網的通信部分提供參考設計。電力線通信是在智能電網內發送和接收數據的常用方法，而MCU通常用作這些類型系統中的中央控制元件。一些MCU已針對這些應用進行了優化，并為智能電網實施提供了廣泛的通信功能。圖4顯示了德州儀器TMDSICE3359工業通信引擎參考設計的框圖以及通信優化TI AM335x處理器的使用。請注意支持的大量通信接口，包括雙以太網，USB，CAN/PROFIBUS，I 2 C，SPI和UART。

圖4：德州儀器智能電網通信參考設計框圖（由德州儀器公司提供）

TI的AM3352 MCU功能強大，足以實現各種智能算法，用于感應和控制能源使用用于照明，HVAC，標牌，占用，材料運輸和過程控制。 TI TMDSICE3359參考設計中包含了SYS/BIOS Industrial SDK中收集的大量代碼。 SDK包括開源RTOS，引導加載程序，外設驅動程序，用于EtherCAT從站堆棧的工業通信協議棧的評估版本，PROFIBUS從站堆棧，EtherNet/IP適配器/從站堆棧，Profinet IO設備堆棧以及示例通過各種工業通信協議演示工業輸入/輸出數據交換的應用。通過消除從頭開始創建這些復雜功能的需要，包含這些關鍵功能大大加快了上市時間。

總之，使智能電網“智能化”需要每個密鑰的控制和計量功能能源網格的要素：發電，配電和消費。通過使用基于MCU的功率測量系統，網格可以收集提高系統效率所需的大量數據，而基于MCU的通信系統可以在智能電網內發送和接收這些數據。正如我們所示，評估套件和參考設計隨時可用于幫助您加速這些智能電網設計解決方案的開發。