基于STM32 的用電器在線識(shí)別系統(tǒng)

楊玉濤，李春樹

（寧夏大學(xué) 物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

0 引 言

近年來，智能家居和物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)快速發(fā)展，及時(shí)掌握用電器的工作狀態(tài)對(duì)于用戶實(shí)現(xiàn)用電器精細(xì)化管理、設(shè)備節(jié)能以及提高用電安全有重要意義。

何勇等人設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的用電器在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，符合當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，但是其只能識(shí)別單個(gè)用電器工作的情況，未涉及多個(gè)用電器同時(shí)工作時(shí)的復(fù)雜場(chǎng)景[1]。付英侃提出了一種基于DSP 的負(fù)載電參量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了多維模型綜合識(shí)別算法，識(shí)別效果較好，但是其需要手動(dòng)多次測(cè)量所有的負(fù)載組合類型，對(duì)于負(fù)載種類較多的情況，系統(tǒng)樣本庫的構(gòu)建十分繁瑣[2]。王飛提出了一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非侵入式負(fù)荷辨識(shí)算法，但該識(shí)別算法的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，并且未給出具體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[3]。

本文設(shè)計(jì)并制作了一種基于STM32 的用電器在線識(shí)別系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)如下：

具有用電器識(shí)別功能，對(duì)于單個(gè)或多個(gè)用電器同時(shí)在線的情況均能夠識(shí)別；具有學(xué)習(xí)功能，可不斷學(xué)習(xí)新的用電器數(shù)據(jù)，滿足用戶對(duì)于家庭、辦公樓、宿舍等多個(gè)不同使用場(chǎng)景的要求；具有良好的人機(jī)交互邏輯，用戶操作簡(jiǎn)便；系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單、可移植性強(qiáng)，能夠適應(yīng)多款硬件平臺(tái)；具有數(shù)據(jù)傳輸功能，通過物聯(lián)網(wǎng)用戶可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。用電器的220 V 交流信號(hào)通過電流互感器和電壓互感器處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)百毫伏的交流信號(hào)，通過CS5463 芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。CS5463 包含兩個(gè)Δ-Σ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，擁有功率計(jì)算功能，利用CS5463 模塊可以直接采集多項(xiàng)特征電參數(shù)[4]，并通過SPI接口發(fā)送給STM32。在STM32F103ZET6 上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該開發(fā)板具有以72 MHz 頻率運(yùn)行的高性能ARM Cortex-M3 RISC 內(nèi)核[5]，在識(shí)別模式下運(yùn)行FFT 算法對(duì)特征電參量作進(jìn)一步處理，利用歐幾里得度量算法進(jìn)行識(shí)別；在學(xué)習(xí)模式下通過等距采樣、限幅濾波及組合計(jì)算，存儲(chǔ)不同組合下的用電器特征電參數(shù)，完成學(xué)習(xí)。最后將處理結(jié)果傳輸?shù)饺藱C(jī)交互模塊，同時(shí)通過ESP32 模塊同步到云端。其中人機(jī)交互模塊是一塊LCD 觸摸屏，用戶可以通過此屏幕直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，也可以通過手機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)接收和指令下發(fā)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

2.1 特征電參量分析

選用單一特征電參量來進(jìn)行用電器識(shí)別，辨識(shí)準(zhǔn)確度較低；而對(duì)于多個(gè)特征電參量，利用歐氏距離算法進(jìn)行識(shí)別可以增加系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確度。

系統(tǒng)選取的特征電參量如下：

（1）電流有效值。電流有效值的離散化定義如下：

式中：N表示一個(gè)交流周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)；I(n)表示第n個(gè)交流電流采樣瞬時(shí)值。不同用電器的電流有效值一般不同，因此可以選用其作為識(shí)別用電器的特征參量。

（2）有功功率。有功功率指單位時(shí)間內(nèi)實(shí)際發(fā)出或消耗的交流電能量，是周期內(nèi)的平均功率。有功功率的離散化表達(dá)式為：

式中：Pact表示有功功率；N表示一個(gè)交流周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。有功功率的計(jì)算包含了電流值與電壓值，更具特征性。

（3）平均無功功率。無功功率的計(jì)算公式為：

式中：Qn為無功功率；φ為相角，即電壓與電流之間的夾角，sinφ為相角的正弦[6]。平均無功功率的計(jì)算公式如下：

式中QAvg為平均無功功率。無功功率與有功功率與功率因數(shù)間存在一定關(guān)系，將平均無功功率加入歐氏算法中可以擴(kuò)大各用電器經(jīng)算法計(jì)算后的距離差，從而增加對(duì)比度，使用電器分析識(shí)別裝置更加靈敏。

（4）功率因數(shù)。功率因數(shù)指交流電路有功功率對(duì)視在功率的比值，其計(jì)算公式為：

式中PF 為功率因數(shù)。功率因數(shù)可以用來計(jì)算電器的電能利用率與效益，更具有實(shí)際意義。

（5）諧波有功功率。利用快速傅里葉變換的方法求得電流的k次諧波振幅值X(k)，進(jìn)而得出諧波有功功率PHK。

綜上所述，選擇電流有效值、有功功率、平均無功功率、功率因數(shù)和諧波有功功率等作為用電器識(shí)別的特征參量。

2.2 用電器識(shí)別算法設(shè)計(jì)

2.2.1 FFT 算法設(shè)計(jì)

電流的k次諧波需用FFT 算法計(jì)算得到。快速傅里葉變換（FFT）是離散傅里葉變換（DFT）的快速算法，有助于提高系統(tǒng)的處理速度，縮短識(shí)別時(shí)間。

在系統(tǒng)應(yīng)用中，采集長(zhǎng)度為N(N=2M)的交流電流瞬時(shí)值數(shù)組，按照基2 時(shí)域抽取法[7]進(jìn)行快速傅里葉變換后得到電流的各次諧波幅度譜X(k)。

2.2.2 歐幾里得識(shí)別算法

（1）歐幾里得距離

三維空間中任意的點(diǎn)可以被一個(gè)三維的坐標(biāo)定義。而將三維拓展為更高的n維時(shí)，便得到了n維歐幾里得空間。在n維空間中兩個(gè)點(diǎn)之間的直線距離，稱之為歐幾里得距離。

n維空間的歐幾里得距離公式如下：

式中：(x1,x2, ...,xn)，(y1,y2, ...,yn)分別為n維空間中兩點(diǎn)的坐標(biāo)。

根據(jù)2.1 節(jié)的分析可知，共選取了5 個(gè)特征電參量，因此應(yīng)當(dāng)構(gòu)建一個(gè)5 維的歐幾里得空間，計(jì)算5 維的歐氏距離。單個(gè)用電器或者多個(gè)用電器同時(shí)在線時(shí)，均會(huì)獲得一組特征電參量，將該組特征電參量當(dāng)作5 維歐幾里得空間里的一個(gè)特征點(diǎn)，此特征點(diǎn)用坐標(biāo)形式可以表示為(IRMSi,Pacti,QAvgi,PFi,PHKi)。假設(shè)所有用電器共有n種組合（包括只使用單個(gè)用電器和多個(gè)用電器同時(shí)組合使用的情況），則上述坐標(biāo)中的i=1, 2, ...,n。將這n個(gè)特征點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)存儲(chǔ)到系統(tǒng)中。在進(jìn)行用電器識(shí)別時(shí)，被測(cè)用電器組合也有一個(gè)特征點(diǎn)，稱之為測(cè)量點(diǎn)，分別計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)與系統(tǒng)存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)之間的歐幾里得距離di：

式中(IRMS0,Pact0,QAvg0, PF0,PHK0)為被測(cè)用電器組合的特征點(diǎn)。

計(jì)算出所有歐氏距離中的最小值dmin：

找到距離的最小值dmin所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，該標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的用電器組合情況即可作為識(shí)別結(jié)果。

（2）特征參量歸一化

本方案選取的5 個(gè)特征電參量分別具有不同的量綱，特征電參量的取值大小相差較多。例如功率因數(shù)PF 一般小于等于1，而有功功率Pact對(duì)于大功率用電器而言可以達(dá)到上千瓦。在進(jìn)行用電器識(shí)別時(shí)，用電器的電參量會(huì)發(fā)生波動(dòng)，若直接用式（7）計(jì)算歐幾里得距離，有功功率Pact對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于功率因數(shù)PF 對(duì)結(jié)果的影響。

為了消除數(shù)據(jù)量綱的影響，本文對(duì)電參量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將所有的數(shù)據(jù)均壓縮在[0，1]范圍內(nèi)。

假設(shè)所有用電器共有N種組合，每種組合下均會(huì)獲得一組特征電參量，可以得到一個(gè)5×N的矩陣。

矩陣中每一列代表一種用電器組合，每一行表示N種組合的某一特征電參量。對(duì)每種特征電參量數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理：

式中：xi為特征電參量矩陣中某一行的一個(gè)元素；xmin為所在行的最小值；xmax為所在行的最大值。例如電流有效值IRMS的歸一化公式為：

同理，可求得其余特征電參量的歸一化結(jié)果。將歸一化的結(jié)果代入歐幾里得計(jì)算公式可得：

式中(IRMSZ0,PactZ0,QAvgZ0, PFZ0,PHKZ0)為被測(cè)用電器組合歸一化之后的特征點(diǎn)。最后利用式（12）計(jì)算歐幾里得距離，進(jìn)行用電器的識(shí)別。

（3）取眾數(shù)處理

在應(yīng)用歐幾里得距離進(jìn)行用電器識(shí)別時(shí)，為避免某種組合的特征點(diǎn)與兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的距離過于相近，導(dǎo)致誤判的情況，本文的改進(jìn)方法是求解多個(gè)維度的歐氏距離，將所有維度下計(jì)算出的識(shí)別結(jié)果取眾數(shù)，作為最終的識(shí)別結(jié)果。

2.3 用電器學(xué)習(xí)算法設(shè)計(jì)

利用歐氏算法進(jìn)行用電器識(shí)別需要用到標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的獲得是在學(xué)習(xí)模式下完成的。在學(xué)習(xí)模式下，學(xué)習(xí)記錄單個(gè)用電器在線時(shí)的特征點(diǎn)，通過計(jì)算得出各種組合情況下的特征點(diǎn)。

在學(xué)習(xí)模式下，系統(tǒng)采集用電器特征電參數(shù)，通過等時(shí)間間隔采樣及限幅濾波的方法，將單個(gè)用電器的特征點(diǎn)存儲(chǔ)到系統(tǒng)中。然后將新學(xué)習(xí)的用電器特征點(diǎn)與已學(xué)習(xí)的特征點(diǎn)組合計(jì)算，得到共用時(shí)的特征點(diǎn)。組合學(xué)習(xí)算法是利用電路并聯(lián)特點(diǎn)、功率三角形法則以及相量法來實(shí)現(xiàn)的，即各個(gè)支路用電器獨(dú)立使用時(shí)的特征電參數(shù)按照疊加或者相量法計(jì)算出的結(jié)果與這些用電器同時(shí)使用時(shí)在干路上獲得的特征電參數(shù)數(shù)值相等[6]。

利用CS5463 模塊可以直接獲得電流有效值、功率因數(shù)。通過FFT 算法計(jì)算出電流諧波值。利用電流互感器和電壓互感器可以獲得電流相位值，各支路用電器獨(dú)立使用時(shí)的諧波電流按照相量法相加計(jì)算出的結(jié)果，與這些用電器同時(shí)使用時(shí)在干路上獲得的諧波電流值相等。

綜上，由單個(gè)用電器的特征點(diǎn)，通過計(jì)算獲得了用電器各種組合情況下的特征電參數(shù)，將所有情況下的特征電參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)存儲(chǔ)到系統(tǒng)中即完成學(xué)習(xí)過程。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 CS5463 電能采集電路

CS5463 電能采集電路由CS5463 電能計(jì)量芯片、HCT215 電流互感器和ZMPT101B 電壓互感器組成。CS5463電能采集電路如圖2 所示。

圖2 CS5463 電能采集電路

3.2 ESP32 模塊電路

ESP32 集成了藍(lán)牙和WiFi，WiFi 支持極大范圍的通信連接，也支持通過路由器直接連接互聯(lián)網(wǎng)[8]。ESP32 模塊電路如圖3 所示。

圖3 ESP32 模塊電路

4 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過判斷來自電容屏或手機(jī)終端的指令來切換系統(tǒng)模式。在學(xué)習(xí)模式下，系統(tǒng)讀取用電器的各項(xiàng)電參數(shù)，然后進(jìn)行等距采樣和限幅濾波，存儲(chǔ)到系統(tǒng)中，將新學(xué)習(xí)的用電器特征點(diǎn)與已有特征點(diǎn)按照組合學(xué)習(xí)算法計(jì)算，得到共用時(shí)的特征點(diǎn)，更新特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫，完成學(xué)習(xí)。

在識(shí)別模式下，讀取存儲(chǔ)的用電器數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行用電器測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果作為一個(gè)特征點(diǎn)，利用歐氏算法計(jì)算該點(diǎn)到標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的距離，找到和該用電器特征點(diǎn)距離最小的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，其所對(duì)應(yīng)的用電器組合即為識(shí)別結(jié)果。程序運(yùn)行的具體流程如圖4 所示。

圖4 主程序流程

5 系統(tǒng)測(cè)試及分析

本系統(tǒng)主要用來進(jìn)行用電器的識(shí)別和用電情況的獲取，同時(shí)方便用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)實(shí)物如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)實(shí)物圖

通過用電器識(shí)別系統(tǒng)分別對(duì)被測(cè)用電器進(jìn)行學(xué)習(xí)，然后進(jìn)行識(shí)別，對(duì)比實(shí)際結(jié)果，評(píng)估用電器在線識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確性。用于測(cè)試的用電器見表1 所列。用電器的識(shí)別測(cè)試按照用電器同時(shí)工作的數(shù)量依次進(jìn)行，在每種數(shù)量下確保所有的用電器組合都進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)每種組合要進(jìn)行多次測(cè)試，最后計(jì)算識(shí)別準(zhǔn)確度。

表1 被測(cè)用電器數(shù)據(jù)

針對(duì)不同的用電器數(shù)目，用電器的識(shí)別測(cè)試結(jié)果見表2 ～表5 所列。

表2 單個(gè)用電器識(shí)別結(jié)果

表3 兩個(gè)用電器同時(shí)工作時(shí)識(shí)別結(jié)果

表4 三個(gè)用電器同時(shí)工作時(shí)識(shí)別結(jié)果

表5 四個(gè)或五個(gè)用電器同時(shí)工作時(shí)測(cè)量結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可知，用電器在線識(shí)別系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確地識(shí)別單個(gè)用電器的類別以及多個(gè)用電器同時(shí)工作時(shí)的類別；系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確度隨著同時(shí)在線的用電器數(shù)目的增加而有所降低，但對(duì)小功率用電器的組合識(shí)別準(zhǔn)確度較高。

6 結(jié) 語

本文利用歐幾里得識(shí)別算法、學(xué)習(xí)算法和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)一款基于STM32 的用電器在線識(shí)別系統(tǒng)。歐氏距離算法的優(yōu)點(diǎn)在于：分析簡(jiǎn)單、識(shí)別較快、準(zhǔn)確度高。通過學(xué)習(xí)不同類別的用電器可以廣泛應(yīng)用于多個(gè)場(chǎng)景，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。本設(shè)計(jì)采用無線傳輸模塊，增加系統(tǒng)的拓展性，在手機(jī)端可以實(shí)時(shí)獲得測(cè)量數(shù)據(jù)及識(shí)別結(jié)果，有利于推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互功能，可以靈活切換系統(tǒng)模式，操作簡(jiǎn)單。

通過實(shí)物制作，成功實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能、快速識(shí)別功能以及學(xué)習(xí)功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以較好地識(shí)別出用電器的類別，并且穩(wěn)定性良好。