室內(nèi)安全監(jiān)測智能終端的設(shè)計

邢曉瑩　周磊

（杭州電子科技大學(xué)微電子CAD研究所， 浙江 杭州 310018）

摘 要： 通過對目前國內(nèi)外室內(nèi)用電安全檢測裝置的技術(shù)現(xiàn)狀和功能缺陷的分析，研究并設(shè)計了一種以STM32單片機為核心，集用電安全監(jiān)測和環(huán)境安全監(jiān)測于一身的室內(nèi)安全監(jiān)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(xiàn)方法。經(jīng)過實驗驗證，該終端監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠滿足室內(nèi)安全監(jiān)測的基本要求。

關(guān)鍵詞： 室內(nèi)安全； STM32； 智能終端； 電器識別

中圖分類號：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)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(guān)等電路保護裝置的使用在居民家庭中已經(jīng)非常普遍，能夠在線路發(fā)生短路、電流過載時切斷電源，保護居民人身和財產(chǎn)安全。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的環(huán)境檢測裝置也開始陸續(xù)出現(xiàn)在家庭中。

用電安全方面，國內(nèi)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(yīng)，通過電磁元件等機械結(jié)構(gòu)來控制電路的通斷。比如當(dāng)發(fā)生短路或過載時，線路電流變大，發(fā)熱量加劇，雙金屬片變形到一定程度后推動開關(guān)機構(gòu)動作。這種斷路器的一大缺點是開關(guān)動作時間受電流大小影響，電流越大，動作時間越短。與國內(nèi)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(guān)的產(chǎn)品也比較先進(jìn)，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(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，使用微處理器作為“大腦”，復(fù)雜的傳感器和電子電路代替電磁式脫扣裝置，實現(xiàn)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(yīng)還是傳感器技術(shù)，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(jìn)行檢測，無法準(zhǔn)確定位故障來源；

⑵ 導(dǎo)致電弧的原因很多，有些情況產(chǎn)生的電?。ㄈ绱蠊β孰娖魍蝗粩嚅_）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(nèi)環(huán)境，無法遠(yuǎn)程監(jiān)控。

針對目前國內(nèi)外市場上用電安全檢測產(chǎn)品存在的不足，研究設(shè)計了一種集用電安全監(jiān)測和環(huán)境安全監(jiān)測于一體的室內(nèi)安全監(jiān)測智能終端。使用基于負(fù)載電流波形的數(shù)學(xué)分析方法，可以準(zhǔn)確地對線路中不同用電器、不同電弧進(jìn)行區(qū)分。

1 功能介紹

針對室內(nèi)用電安全、環(huán)境安全的監(jiān)測需求和當(dāng)前市場上相關(guān)產(chǎn)品的不足，室內(nèi)安全監(jiān)測智能終端設(shè)計功能如下：

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

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

⑶ 集成溫濕度、噪聲、PM2.5等多種環(huán)境傳感器，對室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行實時、準(zhǔn)確的監(jiān)測與警告。

⑷ 內(nèi)置以太網(wǎng)卡，實現(xiàn)用電、環(huán)境數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程上報，為后臺大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支持。

2 硬件組成

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

本設(shè)計采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)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(chǎn)品中性能最高的一款。它內(nèi)置的3通道12位高精度AD轉(zhuǎn)換模塊可以迅速的對外部模擬電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)發(fā)送給CPU處理[3]。

電流采集使用霍爾電流互感器，是室內(nèi)用電安全監(jiān)測功能的核心器件，它可以將電流信號轉(zhuǎn)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(yōu)點。圖2中的U5為霍爾電流互感器。

3 軟件設(shè)計

室內(nèi)安全監(jiān)測智能終端的核心在于軟件設(shè)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(guān)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(nèi)部自帶的12位AD轉(zhuǎn)換器對霍爾電流互感器的模擬電壓輸出進(jìn)行采樣，由于電源電壓穩(wěn)定性、AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度等外部因素的存在，單次AD轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量并不準(zhǔn)確。多次采樣再進(jìn)行軟件濾波的方法可以比較準(zhǔn)確的獲得一個采樣數(shù)據(jù)，連續(xù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換N次，對N次轉(zhuǎn)換結(jié)果從小到大排序，分別刪除最小的和最大的L個數(shù)據(jù)，對剩余N-2×L個數(shù)據(jù)取平均，得到的平均值就是一個采樣點的電壓所對應(yīng)的數(shù)字量d（i）。

其中，x（k）為N次轉(zhuǎn)換結(jié)果從小到大排序后的數(shù)據(jù)。

根據(jù)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(shù)字量d（i）到線路真實電流的轉(zhuǎn)換公式為：

其中，是AD轉(zhuǎn)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(shù)計算

⑴ 電器識別參數(shù)計算

傳統(tǒng)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(nèi)安全監(jiān)測智能終端的首要目標(biāo)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(jìn)行采樣，計算電流識別參數(shù)，對各種用電器的瞬時電流變化規(guī)律分類統(tǒng)計，可以用特征匹配的方式實現(xiàn)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(shù)的計算和分析[4]。

對于個采樣數(shù)據(jù)，它的離散傅里葉變換（DFT）為：

利用歐拉公式

設(shè)，則公式⑶變形為：

進(jìn)一步計算得到：

時域中任何波形都可以經(jīng)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(shù)k，將前k次諧波系數(shù)作為特征匹配的參數(shù)，即可通過特征參數(shù)匹配識別出用電器。

⑵ 功率計算

對于同種負(fù)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(shù)有時難以作出判斷，因此引入功率參數(shù)，在電流參數(shù)匹配之后再進(jìn)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(shù)據(jù)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(shù)。在線路電壓U=220V時，通過電流可以計算出功率：

在頻域內(nèi)電器識別參數(shù)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(qū)分。

為了驗證電流識別參數(shù)和功率匹配相結(jié)合的算法的有效性，實驗選取了多種不同類型的用電器進(jìn)行了多次識別實驗，實驗結(jié)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(chǎn)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(dǎo)致更嚴(yán)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(guān)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(chǔ)上，通過檢測電流波形的跳變來識別電弧的發(fā)生比較容易，難點是對故障電弧和正常電弧的區(qū)分。

經(jīng)過大量的采樣實驗發(fā)現(xiàn)，故障電弧產(chǎn)生的瞬間其電流波形變化速度遠(yuǎn)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(nèi)部偶發(fā)性短路引起，正常電弧為飲水機突然啟動導(dǎo)致。

通過圖4中三張圖的對比發(fā)現(xiàn)，飲水機正常工作時的電流波形接近于正弦波，發(fā)生故障電弧時的波形中有不規(guī)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(qū)分。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了基于STM32單片機的室內(nèi)安全監(jiān)測智能終端，系統(tǒng)集用電安全監(jiān)測和環(huán)境安全監(jiān)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(nèi)溫濕度、噪聲、PM2.5等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測和報警。還可以通過網(wǎng)絡(luò)將用電監(jiān)控數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器，供服務(wù)器進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析處理。該終端不僅可以應(yīng)用于普通家庭，還可以用于工礦企業(yè)、事業(yè)單位以及學(xué)校等公共場所，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)（References）：

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