基于單相電參數測量的電器識別與監測*

，，，

(東北大學 計算機科學與工程學院 電子信息工程，沈陽110819)

引　言

在互聯網影響下發展起來的智能家居是智能物聯化的體現，而實現子系統的智慧互聯并通過統一的平臺操作是家電走向智能化方向的關鍵。要實現總控系統對不同用電器的實時監測并根據檢測到的數據進行相應的操作就離不開對用電器電線上的單相電參數的測量。以往的單相電測量儀器成本高、便攜性差，本文介紹了一種基于MSP430的單相電參數測量儀的設計方案，通過把ZM101S實時檢測到的電參數傳輸給MSP430進行分析，并可以使用藍牙模塊把狀態數據發送到便攜式設備顯示，相較傳統方案，實現了低成本下可靠性較高的電參數測量。

1　系統整體方案

系統由MSP430G2553(以下簡稱MSP430)、TFT顯示屏、藍牙主從機、ZM101S模塊組成，前端電路調理采用ZM101S上集成的互感器和精密電阻電路來變換單相電信號，在使用直連測量功能時，經過模塊板載NEC78F0526單片機和ADC處理后將各個電參數通過UART通信傳給MSP430單片機，并把電參數和用電器種類、狀態顯示在TFT液晶屏上; 而在使用遠距傳輸功能時，藍牙主從機分別接在便攜式設備和ZM101S上，通過藍牙發送ZM101S中的數據到便攜設備上讀取顯示。測量儀的系統框圖如圖1所示。

圖1　系統框圖

2　單相電參數計量模塊

單相電參數計量模塊用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、功率因數以及頻率測量的數字信號處理電路。ZM101S的核心電路如圖2所示。

圖2　ZM101S核心電路

模塊優點如下：① 輸入動態工作電壓范圍在5000∶1內，分線性測量誤差小于1%；② 有功測量滿足0.5級，支持IEC62053-22：2003,GB/T17215.322-2008標準；③ 在500∶1動態范圍，有效值精度優于0.1%；④ 提供UART通信接口，支持MODBUS協議。

傳統的單相電參數測量方法對運放共模輸入電壓和單片機的運算速度要求很高，ZM101S模塊通過互感器把220V電壓信號調理成易于處理的范圍，而且可以不受電器的有容或感性測量結果的影響，直接用UART接口讀取參數數據即可。采樣測量電信號效果好，使用簡單。

該模塊支持負載的電流最大為5 A,工作時模塊通信連線如圖3所示。

圖3　模塊通信連線電路

3　系統硬件設計

系統硬件主要由ZM101S及其外圍電路和藍牙式便攜設備組成。ZM101S完成單相電電壓、電流的轉換，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采樣電阻轉換為ZM101S可測量的范圍。ZM101S外圍電路包括MSP430對ZM101S的讀寫通信電路和TFT顯示屏電路。藍牙便攜設備由HC05模塊，通過串口助手軟件進行配置。對于插排的電線和ZM101S的接線方式見圖3。

4　系統軟件設計

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

為了更好地識別用電器的狀態和組合，本測量儀在算法方面采用基于特征參量的算法，在學習模式下，檢測各個電器的電流有效值、有功功率、功率因數等特征參量作為參考樣本數據。單個器件學習模式從單片機讀取到的電參數如表1所列。

考慮到器件數量和狀態刷新速度，只選取區分度大的功率因數和電流有效值作為特征參量，把功率因數作為橫軸，電流作為縱軸，建立坐標軸圖，根據基于歐幾里得度量的算法，在MSP430里分別計算所測電器的特征參量和各個樣本參量之間的歐氏距離，其中歐氏距離結果個數最小的對應的電器樣本認為是待測電器，示意圖如圖4所示。

表1　電參數

圖4　電流(縱軸)-功率因數(橫軸)散點圖

4.3　程序設計

學習狀態下，將從模塊得到的參數進行格式的轉化，由壓縮BCD碼轉化成以最低位作為個位的長整型數據，并將轉化后的數據儲存在特定數組中，數組初始值均為適當的大數，以防止在計算歐幾里得距離的時候產生不可預

知的錯誤，并提高區分度。模式9為對學習后的器件進行監控，以所有學習到的器件的參數通過歐幾里得距離的平方小于144作為區分器件的依據。

監測狀態下，將從模塊中獲得的數據與事先寫入或學習模式下寫入的電流有效值與功率因數所構成的坐標系來計算歐幾里得距離。在對給定器件的判斷中，通過找到最小的歐幾里得距離以確定所插入的用電器的種類和數量，對于學習后的器件以限制歐幾里得距離的方式進行判斷，以此來提高區分不同的用電器的能力。

使用無線通信功能時，通過藍牙遠程控制ZM101S模塊，便攜式設備通過UART與藍牙主機進行通信，藍牙主機將信息傳遞給連接著從機的ZM101S模塊，從而完成遠程操作與讀取數據。

5　實驗與討論

為了檢驗基于MSP430的單相電參數測量儀的測量精度和它對多器件識別的準確性,特意選取了7種用電器組成多種組合來驗證,分別通過ZM101S與MSP430直接相連測量的結果和藍牙遠距傳輸數據的結果來驗證，測量皆正確。用電器和電參數驗證測量結果如表2所列。

表2　用電器和電參數驗證測量結果

結　語