胡各優(yōu)，張欽科，胡輝，張仁民，汪旭明

（吉首大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 吉首 416000）

0 引 言

隨著人口數(shù)量的增多以及經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們消耗能源的速度越來越快，能源危機(jī)已經(jīng)成為制約人類可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一，因此，如何有效利用能源便成了亟待解決的一大問題。電能是當(dāng)今主要能源之一，它的重要性不言而喻，節(jié)約用電可以減少電能的消耗，提高能源的利用率。此外，用電安全無法保障是目前的一大障礙——每年因用電不當(dāng)導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失甚至威脅到生命的事件不計(jì)其數(shù)。人們雖常對用電設(shè)備進(jìn)行定時(shí)檢查，但不便于對用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這便導(dǎo)致了如觸電、火災(zāi)等大量安全隱患的發(fā)生。因此，如何設(shè)計(jì)一款使用便捷、安裝簡單、能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測的用電器分析檢測裝置便顯得尤為重要。

擬設(shè)計(jì)的用電器分析識裝置既能通過測量用電器的一系列電參量來識別用電器種類，顯示用電器的用電情況，以此來判斷其是否正常工作，保障用戶的用電安全、減少用電事故的發(fā)生，又能借此讓用戶根據(jù)家庭用電量的情況進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，提高能源的利用率。

1 總體設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)的工作原理是通過AC-DC模塊將220 V的交流電轉(zhuǎn)換成5 V的直流電給STM32單片機(jī)和采樣模塊供電，同時(shí)SUI-101A交流電能計(jì)量模塊采集用電器在市電下輸入的交流電流、電壓、有功功率、累計(jì)電量、頻率、功率因數(shù)等參數(shù)，再通過串口通信將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過一定的判斷算法判斷出用電器的工作狀態(tài)，最終將用電器的類型和電參數(shù)顯示在顯示屏上。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

如圖2、圖3所示，硬件部分由電參數(shù)測量模塊、信號處理平臺和顯示模塊、供電模塊構(gòu)成。其中電參數(shù)測量模塊將測量信息通過串口發(fā)送至信號處理平臺和顯示模塊，供電模塊將220AC-5VDC給信號處理平臺和顯示模塊電源支撐。

圖2 硬件部分

圖3 裝置實(shí)物圖

2.1 電參數(shù)測量模塊設(shè)計(jì)

電參數(shù)測量使用的是SUI-101A交流電能計(jì)量模塊。SUI-101A交流電能計(jì)量模塊采用全隔離采集方案，該方案不僅能實(shí)現(xiàn)高低壓完全隔離，而且能夠?qū)崟r(shí)測量交流電流、電壓、有功功率、累計(jì)電量、頻率、功率因數(shù)等電參數(shù)，大大增強(qiáng)了裝置的安全性及可靠性。同時(shí)，SUI-101A芯片支持自定義簡易協(xié)議和Modbus雙協(xié)議自動識別，無須軟件或硬件設(shè)置，可直接使用調(diào)試指令來簡化調(diào)試。

2.2 信號處理平臺和顯示模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F103ZET6最小系統(tǒng)作為信號處理平臺接收來自采樣模塊的數(shù)據(jù)，STM32單片機(jī)經(jīng)過算法處理后將用電器類型和相關(guān)參數(shù)顯示在TFT屏幕上。其中STM32單片機(jī)具有體積小、功耗低、外設(shè)資源豐富、算法靈活等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)算性能滿足在系統(tǒng)中應(yīng)用。

2.3 供電模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)供電采用220VAC-DC降壓模塊。該模塊將220 V交流市電轉(zhuǎn)換為5V的直流電，并帶有電源保護(hù)，使整個模塊安全穩(wěn)定。又由于SUI-101A交流電能計(jì)量模塊為全隔離模塊，需要外部5 V供電，而STM32單片機(jī)也需要5 V供電，故使用AC-DC模塊將220 V的交流電轉(zhuǎn)換成5 V的直流電給單片機(jī)和電參數(shù)采集模塊供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 用電器狀態(tài)識別方法設(shè)計(jì)

用電器狀態(tài)識別方法采用電參量多維模型綜合識別法，即按照用電器的電流、電壓、功率、頻率、功率因數(shù)建立多個維度的參考模型，利用多個維度對比建立的參考模型，就能判斷用電器當(dāng)前的工作狀態(tài)。這個方法的優(yōu)點(diǎn)是多個維度的判別結(jié)果可以互相參考，既避免了用電器之間信號覆蓋的情況，同時(shí)也增加判別結(jié)果的可信度。

3.2 主程序流程圖

系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

主程序：當(dāng)裝置上電后，整個系統(tǒng)開始工作。STM32單片機(jī)開始系統(tǒng)初始化，初始化完成后判斷按鍵是否按下：若按鍵按下，則需判斷按鍵對應(yīng)編號，若為按鍵1則進(jìn)入測試子程序，為按鍵0則進(jìn)入學(xué)習(xí)子程序，同時(shí)清空所有的用電器信息，若都不是則繼續(xù)判斷按鍵是否按下。

3.3 子程序流程圖

系統(tǒng)子程序流程圖如圖5所示。

圖5 子程序流程圖

測試子程序：通過檢測電路的參數(shù)來判斷用電器的使用情況，若按鍵1未按下則繼續(xù)檢測電路的參數(shù)來判斷用電器的使用情況。若按鍵1按下則開始通過判斷電路參數(shù)的變化來判斷用電器是否使用的情況，再一次按下按鍵1則返回主程序。

學(xué)習(xí)子程序：按鍵1按下是通過檢測電路的參數(shù)來學(xué)習(xí)用電器，按鍵0按下進(jìn)入測試模式，開始通過判斷電路參數(shù)的變化來判斷用電器的使用情況，按鍵WK_UP則返回主程序。

3.4 判斷用電器類型

在設(shè)計(jì)中，實(shí)驗(yàn)所用的7種用電器分別為自制用電器、小功率風(fēng)扇、大功率風(fēng)扇、充電器、LED燈、燒水杯、熱得快。其中自制用電器、小功率風(fēng)扇、大功率風(fēng)扇、充電器、LED燈屬于電流小于50 mA的小電器，而熱得快電流大于9 mA。其中，燒水杯電流介于1 mA和2 mA之間，充電器的電流小于10 mA，自制電器的電流介于10 mA和15 mA之間，小風(fēng)扇的電流介于15mA到20 mA之間，大風(fēng)扇的電流介于20 mA和25 mA之間，LED燈的電流介于25mA到30mA之間。設(shè)計(jì)主要通過電壓、電流、功率來判斷出用電器的類型?？紤]到排插供電電壓的波動以及外界因素對小電流的干擾嚴(yán)重，故需要借助其他維度進(jìn)行輔助判斷，經(jīng)過測試得出用電器的功率因數(shù)較為穩(wěn)定，所以又采取功率因數(shù)這一電參量進(jìn)行輔助識別，增加測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 測試方案與測試結(jié)果

4.1 測試方案

將7個電器依次接入插座，查看顯示屏顯示添加的用電器類型以及用電器的電壓、電流、有功功率、頻率、功率因數(shù)，并通過萬用表等工具測量真實(shí)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證裝置測量的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。

4.2 測試結(jié)果

第一次測試結(jié)果如表1所示。

表1 第一次測試表

將1號自制電器接入裝置，顯示屏顯示添加1號用電器并得出了如表1中的裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測1號用電器的電參數(shù)，在保留1號用電器的基礎(chǔ)上，將2號用電器接入裝置，顯示屏顯示添加2號用電器并得出了如表2中的裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測2號用電器的電參數(shù)。以此類推，依次將3號到7號用電器接入裝置，測得每個用電器的電參數(shù)。

第二次測試結(jié)果如表2所示。

表2 第二次測試表

為了減少測試的偶然性和不確定性，重復(fù)第一次測試。依次將1號到7號用電器接入裝置，裝置都能正確顯示接入用電器的編號，并測得每個用電器的電參數(shù)，得到表2測試數(shù)據(jù)。對比表1和表2的數(shù)據(jù)可知，第二次與第一次的測試結(jié)果之間存在0.60 V以內(nèi)的電壓誤差和20.00 mA以內(nèi)的電流誤差。

第三次測量結(jié)果如表3所示。

表3 第三次測試表

第三次重復(fù)測試，對比表2和表3的測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，第三次與第二次的測試結(jié)果之間存在0.60 V以內(nèi)的電壓誤差和30.00 mA以內(nèi)的電流誤差。通過比對三次測試數(shù)據(jù)，可以得出測試的誤差較小。又由于電網(wǎng)波動和用電器實(shí)際功率時(shí)變性質(zhì)的影響會使測試結(jié)果存在一定波動，所以該裝置能夠相對正確的測量用電器的電參數(shù)并識別用電器種類。

5 結(jié) 論

基于SUI-101A的用電器分析識別裝置能有效幫助用戶實(shí)時(shí)了解用電器的使用情況——使用時(shí)它會顯示各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)以此對用電器類型進(jìn)行分析和識別。該裝置從整體來看使用方便，操作簡單，安全而又穩(wěn)定，但是該裝置仍然存在一些待解決的問題：比如未實(shí)現(xiàn)裝置與手機(jī)間的通信功能，未實(shí)現(xiàn)物聯(lián)功能等，因此接下來還需要根據(jù)不同的使用場景來進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。