室內安全監測智能終端的設計

邢曉瑩　周磊

（杭州電子科技大學微電子CAD研究所， 浙江 杭州 310018）

摘 要： 通過對目前國內外室內用電安全檢測裝置的技術現狀和功能缺陷的分析，研究并設計了一種以STM32單片機為核心，集用電安全監測和環境安全監測于一身的室內安全監測智能終端。介紹了終端的硬件電路組成模塊，分析了用電器識別和電弧檢測的軟件實現方法。經過實驗驗證，該終端監測數據準確可靠，系統運行穩定，能夠滿足室內安全監測的基本要求。

關鍵詞： 室內安全； STM32； 智能終端； 電器識別

中圖分類號：TP319 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）10-18-04

Design of an intelligent terminal for indoor security monitoring

Xing Xiaoying， Zhou Lei

（Institute of Microelectronics CAD Research， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）

Abstract： By analyzing the current technology status and functional defects of indoor electrical safety testing device of domestic and international， an indoor electrical safety monitoring intelligent terminal with STM32 microcontroller as the core is researched and designed， which sets electricity safety monitoring and environmental safety monitoring as one. The hardware circuit module of the terminal is introduced， and the software realization method of the identification and arc detection of electrical appliances is analyzed. Through experimental verification， the terminal monitoring data is accurate and reliable， the system runs stably， and can meet the basic requirements of indoor safety monitoring.

Key words： indoor safety； STM32； intelligent terminal； electrical appliances identification

0 引言

目前，斷路器、空氣開關等電路保護裝置的使用在居民家庭中已經非常普遍，能夠在線路發生短路、電流過載時切斷電源，保護居民人身和財產安全。隨著傳感器技術的發展，各種各樣的環境檢測裝置也開始陸續出現在家庭中。

用電安全方面，國內目前多使用低壓斷路器作為保護裝置，其核心部件是一個脫扣裝置，它利用某些物理效應，通過電磁元件等機械結構來控制電路的通斷。比如當發生短路或過載時，線路電流變大，發熱量加劇，雙金屬片變形到一定程度后推動開關機構動作。這種斷路器的一大缺點是開關動作時間受電流大小影響，電流越大，動作時間越短。與國內相比，歐美等國家在智能電器方面的研究起步較早，用電安全保護相關的產品也比較先進，目前大多使用一種智能電弧斷路器。這種智能斷路器綜合了計算機技術、微電子技術、傳感器技術等先進技術，使用微處理器作為“大腦”，復雜的傳感器和電子電路代替電磁式脫扣裝置，實現斷路器的保護功能[1]。

從電磁式斷路器和智能斷路器的基本原理來看，無論是利用物理效應還是傳感器技術，都是基于對線路中大電流的檢測。這種檢測方法過于簡單，檢測功能過于單一，有很大的局限性[2]。目前看來，主要存在以下不足：

⑴ 對整條線路的總電流進行檢測，無法準確定位故障來源；

⑵ 導致電弧的原因很多，有些情況產生的電弧（如大功率電器突然斷開）并不會有安全隱患，難免會引起誤判；

⑶ 用電檢測功能單一，無法同時檢測室內環境，無法遠程監控。

針對目前國內外市場上用電安全檢測產品存在的不足，研究設計了一種集用電安全監測和環境安全監測于一體的室內安全監測智能終端。使用基于負載電流波形的數學分析方法，可以準確地對線路中不同用電器、不同電弧進行區分。

1 功能介紹

針對室內用電安全、環境安全的監測需求和當前市場上相關產品的不足，室內安全監測智能終端設計功能如下：

⑴ 對室內接入線路的電流波形進行實時采樣，通過智能算法計算電流波形參數，識別接入用電器種類。

⑵ 實時監測線路電流波動，對可能引起故障電弧的畸變電流進行頻域分析，提取特征參數。

⑶ 集成溫濕度、噪聲、PM2.5等多種環境傳感器，對室內環境進行實時、準確的監測與警告。

⑷ 內置以太網卡，實現用電、環境數據遠程上報，為后臺大數據分析提供數據支持。

2 硬件組成

室內安全監測智能終端包括微處理器、電流互感器采樣電路、多種環境傳感器、TFT觸摸液晶屏、以太網卡、電源穩壓電路等。終端硬件組成框圖及實物圖如圖1所示。

本設計采用基于ARM Cortex-M3內核的32位微處理器STM32F103VET6。該芯片屬于“增強型”系列單片機，是同類產品中性能最高的一款。它內置的3通道12位高精度AD轉換模塊可以迅速的對外部模擬電壓進行轉換并將轉換數據發送給CPU處理[3]。

電流采集使用霍爾電流互感器，是室內用電安全監測功能的核心器件，它可以將電流信號轉換成線性電壓信號輸出，具有精度高、功耗低、線性度好、易于安裝等優點。圖2中的U5為霍爾電流互感器。

3 軟件設計

室內安全監測智能終端的核心在于軟件設計，主要包括電流采樣算法，電器識別算法，以及故障電弧檢測算法。

3.1 電流采樣

電流采樣的精度是影響電器識別算法和電弧檢測算法的關鍵因素。霍爾電流互感器輸入量程為

-20A～+20A，輸出為1.65±1.25V的線性直流電壓，其輸入/輸出曲線如圖3所示。

使用STM32內部自帶的12位AD轉換器對霍爾電流互感器的模擬電壓輸出進行采樣，由于電源電壓穩定性、AD轉換器轉換精度等外部因素的存在，單次AD轉換得到的數字量并不準確。多次采樣再進行軟件濾波的方法可以比較準確的獲得一個采樣數據，連續進行AD轉換N次，對N次轉換結果從小到大排序，分別刪除最小的和最大的L個數據，對剩余N-2×L個數據取平均，得到的平均值就是一個采樣點的電壓所對應的數字量d（i）。

其中，x（k）為N次轉換結果從小到大排序后的數據。

根據霍爾電流互感器的輸入/輸出曲線（圖3），一個采樣點的電壓數字量d（i）到線路真實電流的轉換公式為：

其中，是AD轉換器的參考電壓；V0是線路電流為0時互感器的輸出電壓；Imax是互感器的最大可測量電流；ΔV是互感器線性輸出電壓變化最大值。

3.2 電器參數計算

⑴ 電器識別參數計算

傳統的基于線路總電流的檢測方法有很多弊端，缺乏對故障用電器的定位，是一種簡單粗暴的方式。室內安全監測智能終端的首要目標就是識別接入用電器，從而可以解決故障用電器的定位問題。

通過對用電器接入或移除時的瞬時電流進行采樣，計算電流識別參數，對各種用電器的瞬時電流變化規律分類統計，可以用特征匹配的方式實現對用電器的識別。采用離散傅里葉變換（DFT）將線路的采樣電流從時域變換為頻域，有助于對不同用電器電流識別參數的計算和分析[4]。

對于個采樣數據，它的離散傅里葉變換（DFT）為：

利用歐拉公式

設，則公式⑶變形為：

進一步計算得到：

時域中任何波形都可以經過上述傅里葉變換分解為各次諧波的組合[5]，高次諧波對波形整體影響非常小，因此只要合理選定諧波次數k，將前k次諧波系數作為特征匹配的參數，即可通過特征參數匹配識別出用電器。

⑵ 功率計算

對于同種負載類型的用電器，比如飲水機與電水壺，電流波形的差異比較小，僅通過上述電流波形參數有時難以作出判斷，因此引入功率參數，在電流參數匹配之后再進行功率匹配，可以增加同類用電器的識別率。

用霍爾電流互感器對線路電流的采樣數據是離散的，流過互感器的總電流有效值的離散計算公式為：

其中，I（i）是一個采樣點的采樣電流，n為一個周期的采樣個數。在線路電壓U=220V時，通過電流可以計算出功率：

在頻域內電器識別參數相差很小的情況下，通過功率將一些功耗差別較大的用電器加以區分。

為了驗證電流識別參數和功率匹配相結合的算法的有效性，實驗選取了多種不同類型的用電器進行了多次識別實驗，實驗結果如表1所示。

3.3 故障電弧特征提取

居民用電中很多情況下都會產生電弧，有的是由于電線短路、電器故障等引起，這些故障電弧往往會導致更嚴重的安全事故；有的是用電過程中的正常電弧，比如大功率用電器的突然斷開、關閉等，這類電弧并不會存在安全隱患。在上述電流波形采樣算法的基礎上，通過檢測電流波形的跳變來識別電弧的發生比較容易，難點是對故障電弧和正常電弧的區分。

經過大量的采樣實驗發現，故障電弧產生的瞬間其電流波形變化速度遠大于正常電弧，且故障電弧在電弧前后有明顯的高頻雜波。圖4顯示了一組故障電弧和正常電弧的電流波形，故障電弧為飲水機內部偶發性短路引起，正常電弧為飲水機突然啟動導致。

通過圖4中三張圖的對比發現，飲水機正常工作時的電流波形接近于正弦波，發生故障電弧時的波形中有不規律的高頻噪聲，正常電弧雖然也存在毛刺，但與故障電弧相比少了很多，且變化速度慢。在實際的檢測算法中，通過計算電流波形的變化速率，以及高頻噪聲的分布密度，可以對故障電弧和正常電弧作出區分。

4 結束語

本文主要介紹了基于STM32單片機的室內安全監測智能終端，系統集用電安全監測和環境安全監測于一體。能夠智能識別接入用電器的類型，檢測線路中的故障電弧，對室內溫濕度、噪聲、PM2.5等環境數據進行監測和報警。還可以通過網絡將用電監控數據和環境監控數據上傳到遠程服務器，供服務器進行大數據分析處理。該終端不僅可以應用于普通家庭，還可以用于工礦企業、事業單位以及學校等公共場所，具有良好的應用前景。

參考文獻（References）：

[1] 胡紹兵.國內外智能低壓斷路器的研究現狀與發展趨勢[J].

煤礦機電，2013.5：52-54

[2] 吳威.基于模糊模式識別的負載電流波形數據檢測研究[D].

吉林建筑工程學院，2012.

[3] 張慶輝，馬延立.STM32F103VET6和ENC28J60的嵌入式

以太網接口設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2012.9：23-25，32

[4] 張淼特，谷小紅.電器惡性負載識別方法研究與仿真[J].計算

機仿真，2013.2：213-216

[5] 郭家穩.故障電弧模式識別方法的研究[D].沈陽工業大學，

2013.