家电智能化促进MCU市场增长

来源:YXQ 作者:2019-06-09 14:30:00
[导读] 家电行业的智能化风潮在几年前就开始了,这几年变得更加明显和快速。
关键词: mcu 智能家电

家电行业的智能化风潮在几年前就开始了,这几年变得更加明显和快速。不论是传统的黑电、白电,还是近年来发展迅猛的厨电生活电器和智能小家电,均不同程度地加入了智能化元素。目前智能家电添加的智能化功能包括智能控制、远程监控、自动报警、语音交互、摄像头等。

随着技术的进步和信息化程度的提高,以及人们对智能家电产品需求的提升,家电产品的智能化将会成为未来家电产品的主要形态。全国家用电器工业信息中心数据显示,2018年智能冰箱的市场份额从31.7%增长到39.7%;智能空调的市场渗透率已超过30%,成为了用户选购的新趋势;智能洗衣机(具有WiFi或者自动投放功能的型号),零售额份额也从36.6%上升到39.8%。

图1:2009~2018年家用电器营业收入及增长率情况。(数据来源:Wind)

家电智能化促进MCU市场增长

在今年3月份上海举办的中国家电及消费电子博览会(AWE)上,我们看到了很多知名家电、消费电子和跨行企业展示的大量智能家电产品,比如带体感雷达的空调、支持触摸屏幕的冰箱、可识别衣物材质的洗衣机、可自动鉴别油烟浓度来调节风力大小的抽油烟机、带有摄像头和路径规划的扫地机器人等等。

在这些智能家电产品中,空调、冰箱、洗衣机、吸尘器等白电和小家电产品是增长主力。而所有这些产品的智能化都离不开一个关键的核心器件——微控制器(MCU)。

图2:2018年中国冰箱的智能化份额上升到了39.7%。(来源:中国家用电器研究院)

从IC Insights公布的关于MCU的报告来看,2018年MCU全球销售额为186亿美元。出货量达到306亿颗,预计2019年营收将保持9%增长率,增长至203.57亿元,并有望在2022年创下238.75亿美元的历史新高年收入记录。

图3:2019~2022年全球MCU市场规模及出货量预测。(来源:IC Insights)

中国的MCU厂商的出货量也反映了这一趋势,以行业龙头兆易创新为例,其2018年的年报显示,该公司当年MCU产品累计出货量已经超过了2亿颗,客户数量超过了1万家。其GD32 MCU也很适用于智能生活体验的产品开发,包括智慧家居、智能家电、机器人、无人机、手持云台和体感平衡车等。从市场情况来看,GD32 MCU是目前中国最大的Arm® Cortex®-M系列MCU产品家族。GD32 MCU在最高主频、代码执行效率、片上Flash和SRAM容量、集成外设资源和功耗效率上都有着优异的表现。

GD32为智能吸尘器增添动能

根据中国家用电器研究院的《2018年中国家电年度报告》显示,2018年吸尘器继续担任小家电行业中增长品类的排头兵,市场规模达到零售额195亿元,同比增长率45.6%。

虽然吸尘器在我国已经发展了近20年,但其实也就是近几年才开始逐渐普及。吸尘器在美国、日本等国家普及率已接近饱和,而在我国,吸尘器的普及率目前仅为11%,市场规模远未打开。

在吸尘器产品中,热门的产品有扫地机器人和以戴森(Dyson)为代表的手持吸尘器。

目前,在扫地机器人领域,市场参与者既有科沃斯、戴森、iRobot、Neato、福玛特等专注于吸尘器品类的厂商,也有飞利浦、海尔、松下、美的等传统家电厂商,此外,包括小米在内的一些智能硬件厂商也在分羹一杯。据业内资深人士透露,目前市面上绝大部分厂商的扫地机器人均有采用GD32 MCU。原因在于GD32 MCU能为扫地机器人带来卓越的电机驱动和操控能力,使机器具备强劲动力、超强静音、节能省电等特性的同时,还能进一步提升其智能化水平、降低生产成本。

GD32成为智能家电的电机控制核心

戴森的手持吸尘器可谓这两年市场上的爆款产品,其最大的特点是超高速,最新的Cyclone V11无绳吸尘器使用的数码电机转速高达12.5万转每分钟,输出功率达到了525W。

图4:戴森V11数码电机每分钟转速高达12.5万转。(来源:戴森官网)

这几年,国产品牌也推出过一些和戴森类似的吸尘器产品,虽然外观差不多,但是吸力还是不在一个等级上,究其原因,一是高速电机设计问题,另一个就是硬件驱动控制电路设计方面存在不足。

国产品牌要想获得突破,除了要有高速电机外,还需要选择有高速开关和低损耗特性的MOSFET器件,以及具有高代码执行效率的MCU的支持。虽然国产低损耗特性的MOSFET器件还没有突破国外技术壁垒,但是MCU器件方面,一些国产的MCU器件在规格和性能上已经超过国外品牌的同类产品;以兆易创新的GD32F350和GD32E230产品为例,其产品规格和性能很适用于手持吸尘器控制板的设计。GD32E230系列产品采用了业界最新ARMv8架构的Cortex-M23内核,超值型产品的主频高达72MHz,并配备了大容量的嵌入式存储器,配合内置的硬件乘法器、除法器和高速硬件比较器,工作性能最高可达55DMIPS。就同主频下的代码执行效率来看,相比市场同类Cortex-M0+产品提高了30%以上,再配合片上集成的12位2.6M SPS高速采样率的ADC闭环检测,就能够驱动无刷直流电机轻松上10w转每分钟。除此之外,GD32E230系列产品可进入低功耗的睡眠模式,大大降低手持吸尘器产品在待机时的静态功耗,保证吸尘器产品在不使用情况下的待机时间。

传统白色家电的智能化新趋势

与生活电器等小家电市场相似,白色家电也在升级迭代,由于变频化已经成为主流,直流无刷电机的使用量正在逐年高速成长。预计2019年白色家电的变频化将达到40%,2022年会达到70%!

MCU也开始踏上了AIoT的技术整合之路,从专业的主“控制”开始向“智能互联”目标迈进。在AIoT时代,MCU将不再只是负责核心控制,推理和运算等AI能力将成为MCU的标配,更将各种人工智能算法,如图像分析、生物识别等引入家电领域,使得传统家电更具智慧。

韩国白色家电行业的领军企业三星和LG在本国推广多年的双驱动双转变频洗衣机,近年来也开始逐渐渗透进入国内市场,这种将滚筒与波轮两种洗涤方式巧妙结合的双驱内筒设计可大大提升洗净能力,而且脱水也更加高效,可大大缩短洗涤时间。

图5:三星Quick Drive多维双驱洗衣机原理。(来源:三星官网)

双驱动双转变频洗衣机与传统洗衣机最大的不同是,MCU需要同时控制两个电机的转动,这对MCU的内核运算能力,模拟外设精度,以及片内存储空间的需求会不断提高,因此未来的洗衣机产品对MCU的规格和性能要求会更加苛刻。目前能够用一颗MCU同时控制2个BLDC电机任意转速,任意方向运作的Arm内核 MCU产品,除了国外的半导体供应商意法半导体的STM32系列MCU, 另外一家就是兆易创新推出的GD32F3/F4系列MCU。GD32 MCU已经成为中国最大的Arm Cortex MCU家族,提供了22个产品系列、320多个产品型号和11种不同封装类型,为工程师提供了灵活的方案设计选择。

除此之外,这里不得不提到时下颇受欢迎的按摩椅(包括家庭用的按摩椅和共享按摩椅)。以乐摩吧共享按摩椅为例,该品牌按摩椅借助GD32 MCU的多个控制板和压力、角度等多种传感器同步检测,进而实现人性化的按摩手法、力度、时间等多重控制,更具备人工智能调节。每天在购物中心、电影院、车站、机场等消费场所广泛服务约70万用户。与现有的32位MCU相较,GD32 MCU具备了高性能、低成本及易用性的差异化优势,因此目前已经被诸多方案商所采用。

安全性是智能家电应用的关键

随着智能家电产品种类越来越多,产品功能越来越丰富。有的产品会通过无线或有线网络连接在一起,有的需要连接到云端,比如智能电视、电视盒子、洗衣机、电饭煲等就需要与外界互联网相连接。因此,安全性问题被提升到新的高度,而打造安全可靠的智能家电产品,需要从硬件底层做起。对MCU系统而言,安全性主要包括开发的安全性、代码运行的安全性和应用的安全性。

在MCU安全性方面,不同MCU厂商有不同的做法,有的采用定制化嵌入式闪存模块来保障代码安全;有的内置硬件级AES-128/192/256加解密电路来给数据加密;有的从用户认证、身份管理、安全网络接入等软件层面来进行考量……而兆易创新GD32 MCU不仅集成了广泛应用的AES、DES、MD5等硬件加解密功能,还遵循产业安全标准增强了内存保护单元(MPU)和频率安全系统(CSS),并具备了底层加密防开盖破解功能,充分保障代码数据的安全性和用户的知识产权。

为了进一步强化MCU的安全机制,兆易创新正计划推出采用Arm TrustZone技术的新一代基于Arm Cortex-M23和Arm Cortex-M33内核的GD32系列安全处理器。

人们对智能家电的要求日益提高,在智能家电产品升级演进的道路上,无论可动(电机)、可视(HMI界面),还是远程可控(无线Wireless)和安全性能,都对多元化应用开发提出了更高的要求。作为中国最大最完整的Arm® Cortex-M系列MCU产品家族, GD32 MCU提供自主可控且完善的产品组合与开发生态,全面促进家电产品实现智能化升级,已然成为加速智能家电产业的发展与落地的重要推动力。

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