單相電參數測量的電器識別與監測分析

易健

摘 要：隨著科學技術的不斷發展，智能家居得到了非常廣泛的應用，提高了人們的生活質量，為人們帶來了高質量的生活水平。智能家居各項功能的順利實現是建立在高精度的實時監測基礎上，這就需要對線路的單相電參數進行系統全面的檢測。本文通過對單相電參數測量系統的整體方案進行了一定的論述，在此基礎上，進一步對單相電參數計量模塊、系統硬件設計以及系統軟件設計進行了深入的分析研究，進而能夠促進單相電參數測量質量的不斷提高，對于從事相關工作的技術人員具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：單相電;參數測量;電器識別

1前言

隨著互聯網技術的不斷發展，智能物聯化也獲得了快速的發展，其在實際生活中最直接的體現就是智能家居，子系統的智能互聯和統一的管理平臺是未來家電智能化的發展方向。為了能夠對不同的電器設備進行實時的監控，并根據相關的監控數據對電器設備進行科學合理的調整，這就需要對電氣設備的單相電參數進行精確地測量。傳統的單相電測量儀器不僅成本高，并且其測量精度還會受到工作環境的嚴重影響，進而造成測量數據的參考價值大打折扣。因此，為了有效提高單相電參數的測量精度，本文結合MSP430測量儀的測量特點，對當前的測量方案進行了一定的改善，通過將ZM101S監測到的電參數傳輸至MSP430中進行進一步的深入分析，再通過系統中設置的藍牙模塊將電氣設備的運行參數傳輸至顯示設備中，技術人員就能實時的了解電器設備的實際運行狀況，實現了低成本下可靠性較高的電參數測量，具有十分重要的現實意義。

2 系統整體方案

整個監測系統主要是由MSP430、TFT顯示屏、藍牙主從機以及相應的ZM101S模塊等4部分組成，通過利用ZM101S上的集成互感器和精密電阻電路對前端的電路進行科學合理的調節，進而實現單相電變換的目的。在實際的直連測量過程中，通過模塊板上的NEC78F0526單片機和ADC對測量的電參數進行預處理后，再經由UART通信傳輸至MSP430單片機中，同時還能將電參數、用電器種類以及其運行狀態顯示在TFT液晶屏幕上。當系統對監測數據進行遠距離的傳輸時，主要是借助設置在便攜設備和ZM101S上的藍牙主從機，經由藍牙將ZM101S所監測的數據傳輸至便攜設備，再通過其顯示屏進行顯示。

3 單相電參數計量模塊

單相電參數計量模塊在工作過程中所需要的電能主要是通過內部設置的5V單電源進行供給，集成∑-△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。

該模塊在監測工作過程中的優勢如下所示：

（1）所輸入的動態工作電壓范圍非常大，高達5000：1，具有非常廣泛的應用范圍，并且其分線性測量誤差能夠進行有效控制，通常不大于1%;

（2）有功測量的精度也較高，能夠滿足0.5級的測量要求，并且能夠支持多種不同的測量標準，適用范圍廣;

（3）系統的動態范圍在500：1時，其有效值具有非常高的精度，一般不低于0.1%;

（4）通過提供UART通信接口，能夠與其他設備進行有效的連接，并且還支持MODBUS協議，具有非常高的實用價值。

4 系統硬件設計

整個監測系統的硬件主要包括：ZM101S、配套的外圍電路以及藍牙便攜設備等3部分，其中ZM101S主要是負責對單相電的電流和電壓進行有效的轉換，將220V的交流電按照1000：1的比例進行變比，而將電流互感器按照2000：1的比例進行相應的比例變換，同時還能將系統中100KΩ采樣電阻轉換到ZM101S能夠測量的范圍內;系統的外圍電路是由讀寫通信電路和顯示屏電路組成，為了避免兩者之間造成影響，需要對其線路進行科學合理的布置;藍牙便攜設備主要是由HC05模塊組成的，其借助相應的串口助手軟件進行有針對性的配置。

5 系統軟件設計

5.1 用電器電流有效值的分析

當系統對單個電器設備進行監測識別時，其主要是通過對流經設備的電流有效值進行檢測，進而對電器設備進行科學合理的識別，并對其工作狀態進行準確的判斷。對于具有N個電器設備的系統而言，其工作狀態一共具有C1 N中不同的類型，在實際的工作過程中，通過檢測電路中電流的有效值就能對相應的電器設備進行準確的判斷，當系統有多種電器設備介入后，其相應的組合方式一共有C1 N+……+CN N種。考慮到電器設備在工作過程中的負荷不是一成不變的，而是會隨著工作狀態的變化而發生相應的變化，其負載情況非常復雜，既有阻性負載，又有感性和容性負載，這就會造成不同電器設備所做的無功功率不盡相同。通過大量的試驗發現，僅根據電流的有效值，無法對電器設備的工作狀態和組合進行科學合理的判斷，在實際的工作過程中要予以充分的重視。

5.2 基于歐幾里得度量的分析

為了能夠進一步提高電器設備工作狀態和組合的識別精度，將基于特征參量的算法運用于測量儀的算法之中。在相應的學習模式下，將所有電器設備中的電流有效值、有功功率以及功率因素等特征參量作為系統學習的樣本數據，單個器件學習模式從單片機讀取到的電參數如表1所示。

通過對電氣設備的數量和工作狀態的刷新頻率進行綜合性的考慮，只選取其中區分度較大的功率因數和電流有效值作為判斷的特征參量。為了能夠進行更加直觀的展示，以功率因數作為橫坐標、電流作為縱坐標，建立相應的坐標系。根據歐幾里得的度量算法，計算在MSP430中電器設備的特征參量與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設備，其具體的形式如圖1所示。

5.3 程序設計

在所設置的程序中，程序模式的選取是通過相應的按鍵實現的，其中學習和監測狀態下的模式一共有9種，其中對應的模式1只要是對之前存儲的C1 N+……+CN N電器設備器件進行相應的監測，并將所監測到的運行數據展示到TFT屏幕上，進而確保技術人員能夠實時了解電氣設備的運行狀態;模式2～8主要對應的是不同器件的學習模式，能夠對7個不同的器件進行學習，同時在學習過程中單片機嚴禁出現中斷情況，進而避免讀寫錯誤的發生。

6 結語

總而言之，隨著科學技術的不斷發展，智能家居走進了千家萬戶，給人們的生活帶來了極大的便利，提高了人們的生活質量。為了確保智能家居系統中所有電器設備的正常運行，就要通過對系統的單相電線進行科學合理的電參數測量，進而能夠根據相應的測量數據對電器設備的運行狀態進行監測，并根據工作的需要進行相應的調整。

參考文獻：

[1] 楊艷. 從零開啟大學生電子設計之路-基于MSP430Launch-Pad口袋實驗平臺[M]. 北京：北京航空航天大學出版社， 2014.