家用區域網路(HAN)是最先進的電氣環境，其中的智慧型測量計會與HAN裝置彼此溝通，以便控制能源損耗狀況。基本的HAN裝置擁有一組與測量計之間的雙向通訊連結，此外也可選擇性地與其他同一環境中的HAN裝置溝通，共享與其連接的設備能源損耗資訊，同時也可以接收指令，以關閉未使用的設備或令其休眠。以下將詳細說明基本HAN裝置架構的改良之處，以及如何擴充其功能與特色。
HAN系統涵蓋多種組件
HAN裝置就像是一個智慧型的電源插座，一端連接到正常的電源插座，另一端則是可供家電插入電源的介面，如微波爐、空調等。可透過射頻(RF)無線介面，或是電力線通訊(PLC)，如HomePlug等有線介面，直接由測量計控制。此外，韌體亦可透過RF/PLC介面，由測量計更新。透過液晶顯示器(LCD)，顯示各種不同的裝置能源參數，HAN裝置也支援電池備援選項，以便記錄時間和日期(圖1)。
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| 圖1 HAN裝置應用圖 |
HAN裝置包括微控制器(MCU)、230伏特對3.3伏特的轉換器、繼電器、訊號調節電路、紅外線介面(支援收發)、LCD面板與RF/電力線路通訊實體(PHY)等組件。圖2顯示上述組件的方塊關係圖。HAN裝置中的各種重要組件及其角色分述如下。
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| 圖2 HAN裝置方塊圖 |
微控制器擔任控制角色
微控制器/單晶片系統在裝置運作上扮演樞紐的角色。除控制其他組件以外，還需在內部快閃記憶體中儲存應用韌體。為支援HAN裝置的各種功能，微控制器應具備的特性包括：具備低功率處理核心，能夠執行能源計算所需複雜演算能力；具備RF PHY或適當的通訊介面，供電力線通訊PHY使用。微控制器內建的快閃記憶體與靜態隨機存取記憶體(SRAM)，可儲存應用韌體，並加速運作。此外，微控制器須內建LCD螢幕驅動程式、支援紅外線通訊的通用異步收發器(UART)介面、驅動繼電器的IO埠，以及具備可程式化增益放大器(PGA)的高解析度類比數位轉換器(ADC)，以便測量電壓與電流，還須即時計時器以便記錄時間。
微控制器會透過訊號調節電路、ADC及PGA來感應電壓與電流，以便計算RMS電壓及電流值、瞬間能源耗量、特定時段內(一個月或更久)的整體能源損耗。然後將資料透過RF或電源線PHY送到計量表，並顯示在LCD上。當微控制器接收到關機指令時，會透過輸入/輸出(I/O)埠執行適當的邏輯程序，以進行轉換。微控制器的電源供應來自於230伏特對3.3伏特的轉換器電源線路，此一轉換器可依照微控制器運作電壓適度調整。晶片內建的快閃記憶體則可透過RF或PLC介面，從測量計更新資料。協定及韌體更新的細節則視實作狀況而定。
訊號調節測量電流/電壓
訊號調節單元具備類比前端，以便測量電壓與電流。線上電壓會先經梯形電阻降值後再進行測量，然後再經過直流濾波及直流偏壓處理，與電壓測量相較，電流測量則較簡單。首先，線上電流會經過電流變壓器降階，然後通過一個小型、高精確度的分流電阻，從電阻兩端的電壓差即可測出線上電流。由於這個電壓差相當小，因此必須經過適度放大，再傳輸給ADC，放大器由只會放大交流電(AC)的可程式增益級所組成，因此可以預防放大器輸出呈現飽和。
透過紅外線遙控家電
紅外線介面可視範圍及功率損耗適度調整。此介面為HAN裝置提供遙控設定功能，讓使用者可從遠端開/關家中連接在HAN裝置上的任何家電，其協定及運作細節均可視特別應用彈性選擇。
LCD面板顯示相關參數
LCD面板會顯示即時能源消耗、前月/當月整體能源消耗、當天日期與時刻，以及RMS電壓、電流等參數。此外，LCD面板繼承部分電表顯示的性質，因此會較近似準確度較低的智慧型交流能源計。
總結來說，上述架構實現成本控制及HAN裝置功能多樣化的概念，其具備所有基本的HAN裝置功能，並支援韌體更新，以及以RF/PLC完全控制家電等先進功能，同時還可兼任智慧型AC能源計，能提供詳盡的家電能源損耗資訊。雖然本文將其視為獨立的智慧型電源插座，但其實也可以嵌入到家電當中。
(本文作者任職於飛思卡爾)