基于SUI-101A的用電器分析識別裝置設計

胡各優，張欽科，胡輝，張仁民，汪旭明

（吉首大學 信息科學與工程學院，湖南 吉首 416000）

0 引 言

隨著人口數量的增多以及經濟的不斷發展，人們消耗能源的速度越來越快，能源危機已經成為制約人類可持續發展的重要因素之一，因此，如何有效利用能源便成了亟待解決的一大問題。電能是當今主要能源之一，它的重要性不言而喻，節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——每年因用電不當導致財產損失甚至威脅到生命的事件不計其數。人們雖常對用電設備進行定時檢查，但不便于對用電情況進行實時監控，這便導致了如觸電、火災等大量安全隱患的發生。因此，如何設計一款使用便捷、安裝簡單、能夠實時監測的用電器分析檢測裝置便顯得尤為重要。

擬設計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、減少用電事故的發生，又能借此讓用戶根據家庭用電量的情況進行科學規劃，提高能源的利用率。

1 總體設計思路

系統總體框圖如圖1所示。系統的工作原理是通過AC-DC模塊將220 V的交流電轉換成5 V的直流電給STM32單片機和采樣模塊供電，同時SUI-101A交流電能計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、累計電量、頻率、功率因數等參數，再通過串口通信將采集到的數據發送給單片機，單片機經過一定的判斷算法判斷出用電器的工作狀態，最終將用電器的類型和電參數顯示在顯示屏上。

圖1 系統總體框圖

2 硬件設計

如圖2、圖3所示，硬件部分由電參數測量模塊、信號處理平臺和顯示模塊、供電模塊構成。其中電參數測量模塊將測量信息通過串口發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 裝置實物圖

2.1 電參數測量模塊設計

電參數測量使用的是SUI-101A交流電能計量模塊。SUI-101A交流電能計量模塊采用全隔離采集方案，該方案不僅能實現高低壓完全隔離，而且能夠實時測量交流電流、電壓、有功功率、累計電量、頻率、功率因數等電參數，大大增強了裝置的安全性及可靠性。同時，SUI-101A芯片支持自定義簡易協議和Modbus雙協議自動識別，無須軟件或硬件設置，可直接使用調試指令來簡化調試。

2.2 信號處理平臺和顯示模塊設計

系統采用STM32F103ZET6最小系統作為信號處理平臺接收來自采樣模塊的數據，STM32單片機經過算法處理后將用電器類型和相關參數顯示在TFT屏幕上。其中STM32單片機具有體積小、功耗低、外設資源豐富、算法靈活等優點，運算性能滿足在系統中應用。

2.3 供電模塊設計

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

3 軟件設計

3.1 用電器狀態識別方法設計

用電器狀態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，就能判斷用電器當前的工作狀態。這個方法的優點是多個維度的判別結果可以互相參考，既避免了用電器之間信號覆蓋的情況，同時也增加判別結果的可信度。

3.2 主程序流程圖

系統主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

主程序：當裝置上電后，整個系統開始工作。STM32單片機開始系統初始化，初始化完成后判斷按鍵是否按下：若按鍵按下，則需判斷按鍵對應編號，若為按鍵1則進入測試子程序，為按鍵0則進入學習子程序，同時清空所有的用電器信息，若都不是則繼續判斷按鍵是否按下。

3.3 子程序流程圖

系統子程序流程圖如圖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來判斷用電器的使用情況，若按鍵1未按下則繼續檢測電路的參數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。

學習子程序：按鍵1按下是通過檢測電路的參數來學習用電器，按鍵0按下進入測試模式，開始通過判斷電路參數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

在設計中，實驗所用的7種用電器分別為自制用電器、小功率風扇、大功率風扇、充電器、LED燈、燒水杯、熱得快。其中自制用電器、小功率風扇、大功率風扇、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，小風扇的電流介于15mA到20 mA之間，大風扇的電流介于20 mA和25 mA之間，LED燈的電流介于25mA到30mA之間。設計主要通過電壓、電流、功率來判斷出用電器的類型。考慮到排插供電電壓的波動以及外界因素對小電流的干擾嚴重，故需要借助其他維度進行輔助判斷，經過測試得出用電器的功率因數較為穩定，所以又采取功率因數這一電參量進行輔助識別，增加測試結果的準確性。

4 測試方案與測試結果

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，并通過萬用表等工具測量真實數據來驗證裝置測量的數據是否準確。

4.2 測試結果

第一次測試結果如表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中的裝置實時監測1號用電器的電參數，在保留1號用電器的基礎上，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中的裝置實時監測2號用電器的電參數。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。

第二次測試結果如表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，得到表2測試數據。對比表1和表2的數據可知，第二次與第一次的測試結果之間存在0.60 V以內的電壓誤差和20.00 mA以內的電流誤差。

第三次測量結果如表3所示。

表3 第三次測試表

第三次重復測試，對比表2和表3的測試數據發現，第三次與第二次的測試結果之間存在0.60 V以內的電壓誤差和30.00 mA以內的電流誤差。通過比對三次測試數據，可以得出測試的誤差較小。又由于電網波動和用電器實際功率時變性質的影響會使測試結果存在一定波動，所以該裝置能夠相對正確的測量用電器的電參數并識別用電器種類。

5 結 論

基于SUI-101A的用電器分析識別裝置能有效幫助用戶實時了解用電器的使用情況——使用時它會顯示各項參數指標以此對用電器類型進行分析和識別。該裝置從整體來看使用方便，操作簡單，安全而又穩定，但是該裝置仍然存在一些待解決的問題：比如未實現裝置與手機間的通信功能，未實現物聯功能等，因此接下來還需要根據不同的使用場景來進一步完善設計細節。