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(東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 電子信息工程，沈陽(yáng)110819)

引　言

在互聯(lián)網(wǎng)影響下發(fā)展起來(lái)的智能家居是智能物聯(lián)化的體現(xiàn)，而實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)的智慧互聯(lián)并通過(guò)統(tǒng)一的平臺(tái)操作是家電走向智能化方向的關(guān)鍵。要實(shí)現(xiàn)總控系統(tǒng)對(duì)不同用電器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的操作就離不開(kāi)對(duì)用電器電線上的單相電參數(shù)的測(cè)量。以往的單相電測(cè)量?jī)x器成本高、便攜性差，本文介紹了一種基于MSP430的單相電參數(shù)測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)把ZM101S實(shí)時(shí)檢測(cè)到的電參數(shù)傳輸給MSP430進(jìn)行分析，并可以使用藍(lán)牙模塊把狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到便攜式設(shè)備顯示，相較傳統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)了低成本下可靠性較高的電參數(shù)測(cè)量。

1　系統(tǒng)整體方案

系統(tǒng)由MSP430G2553(以下簡(jiǎn)稱(chēng)MSP430)、TFT顯示屏、藍(lán)牙主從機(jī)、ZM101S模塊組成，前端電路調(diào)理采用ZM101S上集成的互感器和精密電阻電路來(lái)變換單相電信號(hào)，在使用直連測(cè)量功能時(shí)，經(jīng)過(guò)模塊板載NEC78F0526單片機(jī)和ADC處理后將各個(gè)電參數(shù)通過(guò)UART通信傳給MSP430單片機(jī)，并把電參數(shù)和用電器種類(lèi)、狀態(tài)顯示在TFT液晶屏上; 而在使用遠(yuǎn)距傳輸功能時(shí)，藍(lán)牙主從機(jī)分別接在便攜式設(shè)備和ZM101S上，通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送ZM101S中的數(shù)據(jù)到便攜設(shè)備上讀取顯示。測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框圖

2　單相電參數(shù)計(jì)量模塊

單相電參數(shù)計(jì)量模塊用5 V單電源供電,集成Σ-Δ型ADC,參考電壓電路以及所有功率、能量、電壓電流有效值、功率因數(shù)以及頻率測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理電路。ZM101S的核心電路如圖2所示。

圖2　ZM101S核心電路

模塊優(yōu)點(diǎn)如下：① 輸入動(dòng)態(tài)工作電壓范圍在5000∶1內(nèi)，分線性測(cè)量誤差小于1%；② 有功測(cè)量滿足0.5級(jí)，支持IEC62053-22：2003,GB/T17215.322-2008標(biāo)準(zhǔn)；③ 在500∶1動(dòng)態(tài)范圍，有效值精度優(yōu)于0.1%；④ 提供UART通信接口，支持MODBUS協(xié)議。

傳統(tǒng)的單相電參數(shù)測(cè)量方法對(duì)運(yùn)放共模輸入電壓和單片機(jī)的運(yùn)算速度要求很高，ZM101S模塊通過(guò)互感器把220V電壓信號(hào)調(diào)理成易于處理的范圍，而且可以不受電器的有容或感性測(cè)量結(jié)果的影響，直接用UART接口讀取參數(shù)數(shù)據(jù)即可。采樣測(cè)量電信號(hào)效果好，使用簡(jiǎn)單。

該模塊支持負(fù)載的電流最大為5 A,工作時(shí)模塊通信連線如圖3所示。

圖3　模塊通信連線電路

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由ZM101S及其外圍電路和藍(lán)牙式便攜設(shè)備組成。ZM101S完成單相電電壓、電流的轉(zhuǎn)換，把220 V交流電由電壓互感器按照1000∶1變比，電流互感器按照2 000∶1的變比以及100 kΩ采樣電阻轉(zhuǎn)換為ZM101S可測(cè)量的范圍。ZM101S外圍電路包括MSP430對(duì)ZM101S的讀寫(xiě)通信電路和TFT顯示屏電路。藍(lán)牙便攜設(shè)備由HC05模塊，通過(guò)串口助手軟件進(jìn)行配置。對(duì)于插排的電線和ZM101S的接線方式見(jiàn)圖3。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1　用電器電流有效值的分析

4.2　基于歐幾里得度量的分析

為了更好地識(shí)別用電器的狀態(tài)和組合，本測(cè)量?jī)x在算法方面采用基于特征參量的算法，在學(xué)習(xí)模式下，檢測(cè)各個(gè)電器的電流有效值、有功功率、功率因數(shù)等特征參量作為參考樣本數(shù)據(jù)。單個(gè)器件學(xué)習(xí)模式從單片機(jī)讀取到的電參數(shù)如表1所列。

考慮到器件數(shù)量和狀態(tài)刷新速度，只選取區(qū)分度大的功率因數(shù)和電流有效值作為特征參量，把功率因數(shù)作為橫軸，電流作為縱軸，建立坐標(biāo)軸圖，根據(jù)基于歐幾里得度量的算法，在MSP430里分別計(jì)算所測(cè)電器的特征參量和各個(gè)樣本參量之間的歐氏距離，其中歐氏距離結(jié)果個(gè)數(shù)最小的對(duì)應(yīng)的電器樣本認(rèn)為是待測(cè)電器，示意圖如圖4所示。

表1　電參數(shù)

圖4　電流(縱軸)-功率因數(shù)(橫軸)散點(diǎn)圖

4.3　程序設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)狀態(tài)下，將從模塊得到的參數(shù)進(jìn)行格式的轉(zhuǎn)化，由壓縮BCD碼轉(zhuǎn)化成以最低位作為個(gè)位的長(zhǎng)整型數(shù)據(jù)，并將轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在特定數(shù)組中，數(shù)組初始值均為適當(dāng)?shù)拇髷?shù)，以防止在計(jì)算歐幾里得距離的時(shí)候產(chǎn)生不可預(yù)

知的錯(cuò)誤，并提高區(qū)分度。模式9為對(duì)學(xué)習(xí)后的器件進(jìn)行監(jiān)控，以所有學(xué)習(xí)到的器件的參數(shù)通過(guò)歐幾里得距離的平方小于144作為區(qū)分器件的依據(jù)。

監(jiān)測(cè)狀態(tài)下，將從模塊中獲得的數(shù)據(jù)與事先寫(xiě)入或?qū)W習(xí)模式下寫(xiě)入的電流有效值與功率因數(shù)所構(gòu)成的坐標(biāo)系來(lái)計(jì)算歐幾里得距離。在對(duì)給定器件的判斷中，通過(guò)找到最小的歐幾里得距離以確定所插入的用電器的種類(lèi)和數(shù)量，對(duì)于學(xué)習(xí)后的器件以限制歐幾里得距離的方式進(jìn)行判斷，以此來(lái)提高區(qū)分不同的用電器的能力。

使用無(wú)線通信功能時(shí)，通過(guò)藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制ZM101S模塊，便攜式設(shè)備通過(guò)UART與藍(lán)牙主機(jī)進(jìn)行通信，藍(lán)牙主機(jī)將信息傳遞給連接著從機(jī)的ZM101S模塊，從而完成遠(yuǎn)程操作與讀取數(shù)據(jù)。

5　實(shí)驗(yàn)與討論

為了檢驗(yàn)基于MSP430的單相電參數(shù)測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度和它對(duì)多器件識(shí)別的準(zhǔn)確性,特意選取了7種用電器組成多種組合來(lái)驗(yàn)證,分別通過(guò)ZM101S與MSP430直接相連測(cè)量的結(jié)果和藍(lán)牙遠(yuǎn)距傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證，測(cè)量皆正確。用電器和電參數(shù)驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果如表2所列。

表2　用電器和電參數(shù)驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果

結(jié)　語(yǔ)