宗銳，何福根，張帆遠(yuǎn)

（山東科技大學(xué)，山東濟(jì)南 250031）

目前，大部分用電識別裝置只能默認(rèn)識別已存的參數(shù)范圍，該設(shè)計(jì)利用代碼實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)功能，根據(jù)特征參量識別若干同種用電器后，即可識別所有同種用電器。主機(jī)以STM32 為主控制器，通過SPI 與ATT7022 電能采集模塊進(jìn)行通信；ATT7022 模塊負(fù)責(zé)采集用電器電壓、電流、有功功率、無功功率以及功率因數(shù)等電源參數(shù)[1-5]。設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行試驗(yàn)證明了裝置的可靠性。

1 主控制器件、芯片等選型

1.1 主控制器件

1）傳統(tǒng)51 系列單片

從內(nèi)部硬件到軟件有完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器。處理對象是位，不是字或字節(jié)。其優(yōu)點(diǎn)：對片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行傳送、置位、清零、測試等處理，進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算，功能完備，使用方便；在片內(nèi)RAM 區(qū)間開辟一個(gè)雙重功能的地址區(qū)間，使用靈活；乘法和除法指令為編程帶來便利。其缺點(diǎn)：內(nèi)存較小，AD、EEPROM 等功能需要擴(kuò)展，增加了硬件和軟件負(fù)擔(dān)；I/O 腳高電平時(shí)無輸出能力；雙數(shù)據(jù)指針等運(yùn)行速度慢；保護(hù)能力差，易燒壞芯片。

2）STM32 控制核心

STM32[6-9]大小為32 bit，具有外圍接口豐富，模塊化的單片機(jī)程序，接口相對簡單，自身攜帶很多功能，工作速度快；集高性能、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號處理功能、低功耗、低電壓于一身，且保持高集成度和開發(fā)簡易的特點(diǎn)。經(jīng)綜合比較、評價(jià)，該方案選擇STM32控制核心。

1.2 數(shù)據(jù)檢測采集芯片

1）ATT7022E 芯片、電流互感器和電壓互感器

電能信息采集模塊主要由電能采集芯片ATT7022E、電壓互感器、電流互感器組成。負(fù)責(zé)采集電壓、電流數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為功率、電能信息，將用電信息存儲于ATT7022寄存器。該芯片可用于三相交流電、單相交流電采集，ATT7022E集成七路Sigma-deltaADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)及頻率測量數(shù)字信號處理等電路，能夠測量各相以及合相有功功率、無功功率、視在功率、有功能量、無功能量、各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，滿足單相用電器監(jiān)測裝置的需求。

2）CS5463 計(jì)量芯片

CS5463[10]內(nèi)部的兩個(gè)可編程放大器可采集電壓和電流數(shù)據(jù)，Δ-∑調(diào)制器對模擬量進(jìn)行采樣處理，高速數(shù)字低通可選高通濾波器濾取可用電壓、電流數(shù)字信號，通過功率計(jì)算引擎來計(jì)算功率、電壓、電流，并將計(jì)算值通過串行接口進(jìn)行輸出，并接STM32進(jìn)行分析。

該方案采用ATT7022E 芯片、電流互感器和電壓互感器搭建。

1.3 顯示模塊

1）0.96 寸OLED

OLED 對比度高、耗電低、反應(yīng)速度快，但其價(jià)格較高，且尺寸不能展示所有參數(shù)、識別結(jié)果及多個(gè)內(nèi)容。

2）1.8 寸TFT

TFT 顯示器響應(yīng)度、亮度、對比度均較高，能較好地顯示識別出來的參數(shù)。

經(jīng)綜合比較、評價(jià)，該方案采用1.8 寸TFT。

1.4 機(jī)器識別以及學(xué)習(xí)方式

1）羅列法

需要輸入較多組數(shù)據(jù)，不夠簡便。

2）算法窮舉法

輸入七組后，通過算法將各種組合窮舉，無法在清空后重新學(xué)習(xí)。

3）基于感知機(jī)模型[11]機(jī)器的學(xué)習(xí)法

采用最小二乘法確定w初始值，使用減少遞歸次數(shù)的口袋算法來遞歸計(jì)算w值，二次分類在七分類場景中為避免ovo 無法識別某些場景的弊端，避開了ovr 共21 組對抗計(jì)算，屬于ovr 簡化模型。提前利用搜集數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型得出w，將要學(xué)習(xí)的新數(shù)據(jù)導(dǎo)入若新數(shù)據(jù)，使用w可以得出：若新數(shù)據(jù)的分類不正確則正確數(shù)據(jù)不變(得分低)，則加入新數(shù)據(jù)，重新遞歸。遞歸結(jié)果w得分比原來高則使用新w，比原來低則使用原模型，并將新數(shù)據(jù)導(dǎo)入存儲數(shù)據(jù)庫。在電氣歐幾里得空間中使用感知機(jī)算法畫出決策構(gòu)建沃羅諾伊圖。

經(jīng)綜合比較、評價(jià)，該方案選擇建立基于感知機(jī)模型機(jī)器學(xué)習(xí)法。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主電路設(shè)計(jì)

如圖1 所示，在插排上插上不同用電器，通過電流互感器，將信號傳輸給ATT7022E 芯片，芯片將特征參量識別并傳輸給STM32，經(jīng)識別后輸出結(jié)果。

圖1 主電路設(shè)計(jì)圖

2.2 系統(tǒng)學(xué)習(xí)模式

主機(jī)以STM32 為主控制器，通過SPI 與ATT7022電能采集模塊進(jìn)行通信。ATT7022 模塊負(fù)責(zé)采集用電器電源電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)等參數(shù)。學(xué)習(xí)模式框圖如圖2 所示、識別模式框圖如圖3 所示，根據(jù)有功功率、功率因數(shù)判斷用電器狀態(tài)，經(jīng)過建立感知機(jī)模型，能夠?qū)W習(xí)或識別出參數(shù)。在識別模式下，可以識別已學(xué)習(xí)的用電器，并在識別到陌生用電器時(shí)顯示無該用電器類別。

圖2 學(xué)習(xí)模式框圖

圖3 識別模式框圖

2.3 程序設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的程序需具有識別、學(xué)習(xí)能力，及彩屏顯示、無線傳輸模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。主程序流程如圖4所示。

1）ADC 設(shè)計(jì)：采集電路中用電器電壓、電流、功率、功率因數(shù)等特征參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

2）顯示設(shè)計(jì)：顯示用電器編號、工作狀態(tài)、電流值、電壓值等。

3）感知機(jī)設(shè)計(jì)：基于可學(xué)習(xí)記憶的智能識別模型聚類分析[12]，對于每一組標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，求其質(zhì)點(diǎn)以及最小分類E的值，以質(zhì)點(diǎn)為圓心，到最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離加E為半徑的圓球空間稱為基本識別空間。對于每一組數(shù)據(jù)，其最小識別空間與其他組數(shù)據(jù)的最小識別空間沒有重疊，稱為基本類（擁有關(guān)于電器參數(shù)歐幾里得空間的獨(dú)立空間)。對于不同組，且都包含于某基本類中，存在N，使得不同組重合度低于N%，則稱為該基本類的特殊類（由OVR 模型感知機(jī)核算法區(qū)分[14]）。對于每一種電器，由國家制定或行業(yè)規(guī)范的參數(shù)形成某一種電器的歐幾里得空間，處于該空間類的某一測試類數(shù)據(jù)稱為規(guī)范數(shù)據(jù)，否則稱為非規(guī)范數(shù)據(jù)[13]。實(shí)現(xiàn)方法為單一電器數(shù)據(jù)集輸入，尋找最小識別空間（確定各個(gè)電器的空間分布和位置）。由已輸入大量數(shù)據(jù)組成的電器參數(shù)歐幾里得空間查找基本類，然后對于每一基本類再確定特殊類[15]。

2.4 多檔位自動切換電流采樣電路硬件設(shè)計(jì)

由于所需電流變化范圍較大，對于毫安級電流，采用傳統(tǒng)的電流采集模塊無法實(shí)現(xiàn)精度要求，所以考慮設(shè)計(jì)高精度的電流采樣電路。其原理：多檔位自動切換電流采樣的主要原理基于電阻降壓法，對電流流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電阻上產(chǎn)生一定的壓降進(jìn)行采樣，通過切換電路的不同阻值實(shí)現(xiàn)量程的切換，再通過精密整流電路進(jìn)行全波整流，最終使得輸出給STM32的ADC 信號限制在0～3.3 V 之間。基于STM32 實(shí)現(xiàn)檔位自動切換，電流通過互感器輸入采樣電路后，首先接入大電流檔位，若此時(shí)信號端采集不到信號，則給STM32 施加控制信號使量程下降一個(gè)檔位，再收集信號。若仍獲取不到信號，則繼續(xù)施加控制信號切換檔位，以此類推。多檔位自動切換采樣電路圖如圖5 所示，精密整流電路如圖6 所示。電路可實(shí)現(xiàn)5 mA～10 A 電流范圍的采樣，設(shè)置5 mA～0.5 A、0.5～1 A、1～10 A 三組量程，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 多檔位自動切換采樣電路圖

3 測試方案及測試結(jié)果

3.1 測試方案

1）硬件測試

搭建各個(gè)模塊的實(shí)際電路，將各個(gè)模塊通過杜邦線連接起來，用數(shù)字萬用表對各電路的參數(shù)進(jìn)行測量分析，并記錄結(jié)果。

2）軟件測試及基于感知機(jī)實(shí)現(xiàn)的機(jī)器學(xué)習(xí)法測試

使用Altium Designer 繪制電路原理圖，另外使用Multisim、LTSpice 軟件進(jìn)行仿真測試，再將測試結(jié)果與實(shí)際電路進(jìn)行對比，并記錄結(jié)果。采集輸入信息，確定輸入點(diǎn)所屬類別，對于每組基本類建立基本質(zhì)點(diǎn)，特殊類建立特殊質(zhì)點(diǎn)。對于全部基本類質(zhì)點(diǎn)建立基本類沃羅諾伊圖，邊界為無窮遠(yuǎn)處；對于特殊類質(zhì)點(diǎn)建立特殊類沃羅諾伊圖，邊界為基本類邊界。能夠快速鎖定某一點(diǎn)的從屬類別，對于某基本類中特殊類的最小E半徑相似圖集有不錯(cuò)的效果。對于每組輸入的電氣參數(shù)向量，通過泰勒多邊形快速查找所屬類別。如果該向量同時(shí)屬于多個(gè)特殊類，則無法用某一特定的特殊類標(biāo)定該組數(shù)據(jù)類別，只能標(biāo)定其為基本類。即存在某兩種電器，其電氣參數(shù)相同，只能標(biāo)定屬于某種類別的大功率或者小功率電器，無法識別具體電器類別。

3）硬件軟件聯(lián)調(diào)

利用STM32 編輯或修改程序，使芯片AD 口采集并轉(zhuǎn)換電路中的特征參數(shù)，再利用顯示屏進(jìn)行顯示，不斷測試并檢查數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，調(diào)試程序并修改電路，直到得出正確結(jié)果。

圖6 精密整流電路

3.2 測試條件與儀器

1）測試條件

仿真電路和硬件電路與系統(tǒng)原理圖相同，經(jīng)檢查電路無虛焊、無短路，測試儀器詳見表1。編號1-7 依次為自制用電器、功率為3 W 的節(jié)能燈、功率為5 W 的節(jié)能燈、功率為20 W 的用電器、功率為48 W的節(jié)能燈、功率為120 W 的電烙鐵、功率為600 W 的電煮鍋，用電器測試結(jié)果如表2 所示。

表1 測試儀器

2）測試結(jié)果分析

電路可接多個(gè)負(fù)載并正常工作；采集模塊正常工作時(shí)能夠采集數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳輸給STM32；顯示模塊可以正常顯示，且可以同時(shí)顯示多個(gè)內(nèi)容；通過區(qū)別用電狀態(tài)即可以識別出正在工作的用電器。

4 結(jié)束語

該文提出的用電器分析識別電路設(shè)計(jì)，解決了用電器分析識別時(shí)需要記錄較多參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)才能分類的問題。通過理論計(jì)算分析設(shè)計(jì)了一種較為簡便且具有學(xué)習(xí)功能的用電器分析識別電路，實(shí)現(xiàn)了5 mA～10 A 之內(nèi)較為精準(zhǔn)的測量和識別，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方案滿足設(shè)計(jì)要求。