馬意彭 石瀟讓 南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院 沈瑩瑩 南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院

1 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，具有較高測量精度的電能表已經(jīng)逐漸普及。而這類電能表僅能對用戶各月全部的電能消耗量進(jìn)行統(tǒng)計，并不能精確到每一個用電器。如果要檢測每個用電器的用電量，最常見的方式是在每個家用電器的電源入口安裝電壓、電流傳感器，在通過計算得到電量信息。該方法雖然能達(dá)到檢測單個家用電器電能消耗量的目的，但是成本過高且安裝復(fù)雜。

針對上述背景，本文提出一種基于Cotex-M3單片機(jī)的低成本、高精確度的用電器識別監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以精確地學(xué)習(xí)和識別用電器類型，還可以對單個用電器電能消耗進(jìn)行統(tǒng)計，協(xié)助用戶管理家用電器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件部分主要由電能采集模塊和Cotex-M3單片機(jī)兩部分組成。其中，電能采集模塊主要負(fù)責(zé)對電網(wǎng)中的有功功率、無功功率和功率因數(shù)等電功率參數(shù)提取并發(fā)送給Cotex-M3單片機(jī)，Cotex-M3單片機(jī)通過智能算法對接入電網(wǎng)的單個用電器進(jìn)行學(xué)習(xí)、識別和功率計算。

2.1 電能采集模塊設(shè)計

電能采集模塊使用RN8209電能計量芯片。RN8209是Renergy公司生產(chǎn)的一種可以測量有功功率、無功功率、有功能量、無功能量和有效值，并能同時提供兩路獨立測量通道的電能計量芯片。RN8209還提供兩個串行接口SPI和RSIO，可用于與外部MCU之間進(jìn)行通信。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)提供兩套模式：學(xué)習(xí)模式和監(jiān)測模式。在學(xué)習(xí)模式下，單片機(jī)首先對串口進(jìn)行檢測，如果有數(shù)據(jù)輸入則延時3到5秒，待用電器工作穩(wěn)定后對用電器電學(xué)特征進(jìn)行提取，儲存顯示后繼續(xù)檢測串口。在監(jiān)測模式下，單片機(jī)仍然對串口進(jìn)行檢測，如果有數(shù)據(jù)輸入則延時后提取并使用特征向量對比算法與數(shù)據(jù)庫對比檢測，判斷是否為已學(xué)習(xí)用電器。如果為已學(xué)習(xí)用電器則顯示用電器的名字和相關(guān)參數(shù)，反之，提示學(xué)習(xí)新的用電器。

3.1 特征向量對比算法

以有功功率為x軸，以無功功率為y軸建立二維平面，則每種用電器都會有一個獨一無二的特征向量。電計量芯片可以測量電路中的整體特征向量，通過矢量求和的運算法則與數(shù)據(jù)庫中已存儲的用電器特征向量進(jìn)行對比，可以求得最相近的特征向量組合。實踐證明，由于各用電器特征向量差別較大，故不會出現(xiàn)同一整體特征向量對應(yīng)多種特征向量組合的情況出現(xiàn)。

3.2 軟件設(shè)計程序流程圖

圖2 軟件設(shè)計程序流程圖

4 結(jié)束語

本文提出一種基于Cotex-M3單片機(jī)與RN8209的低成本、高精確度的用電器識別監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以精確地學(xué)習(xí)和識別用電器類型，同時還可以對單個用電器電能消耗進(jìn)行統(tǒng)計，避免了增加額外器件與電路的麻煩。

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