基于物聯(lián)網(wǎng)的非侵入式用電器在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

何 勇，王曉麗，肖海飛，沈 正

（上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620）

0 引 言

近年來，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)成為了電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，而用戶設(shè)備的負(fù)荷特征與用電細(xì)節(jié)是實現(xiàn)智慧用電和需求響應(yīng)的支撐［1］。非侵入式監(jiān)測技術(shù)則是獲得用戶用電信息的有效手段和關(guān)鍵技術(shù)［2］。因此，在物聯(lián)網(wǎng)背景下采用非侵入式監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)用電器的有效、快速監(jiān)測與識別顯得至關(guān)重要［1］。

傳統(tǒng)的用電器監(jiān)測主要是通過采用AD＋MCU模式的用電器監(jiān)測儀等實現(xiàn)，采集的數(shù)據(jù)通過自帶的顯示屏顯示［3－4］。這類檢測儀功能單一且存在著無法遠(yuǎn)程監(jiān)測的問題，與電力物聯(lián)的發(fā)展相背。李成勇等人在Arduino 平臺下設(shè)計了單向用電器識別系統(tǒng)，但只是簡單的通過對比用電器的電壓和功率等來區(qū)分用電器，對用電器的辨識能力有限且不具備說服力［5］；汪穎等人提出了一種基于V－I 軌跡曲線精細(xì)化識別的非侵入式負(fù)荷監(jiān)測方法，識別效果較為優(yōu)越，但是相關(guān)成果未能廣泛驗證，并且面臨著樣本庫構(gòu)建困難，算法普適性低的困難［6］。李靜等人提出了一種用于家用智能電表的負(fù)荷識別方法，但該識別方法較為復(fù)雜，在家庭用電中大規(guī)模投入使用時面臨著控制芯片難以實現(xiàn)的問題，并且未給出具體的實際應(yīng)用方案［7］。

當(dāng)前用電器監(jiān)測與識別無法兼顧識別方法的優(yōu)越性與實際應(yīng)用時的切實可行性，因此，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的非侵入式用電器監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對家庭多個用電器的電參數(shù)采集，用電器識別和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ埽诒ＷC識別和監(jiān)測功能的前提下兼顧了實際應(yīng)用的可行性。最終的驗證結(jié)果表明該系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了監(jiān)測、識別、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，為家庭用電的智能化發(fā)展有實際推動作用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

用電器監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，由線下采集設(shè)備、服務(wù)器和上位機3 部分組成［8］。線下采集設(shè)備包括用電器監(jiān)測儀和ZigBee 網(wǎng)絡(luò)兩部分。用電器監(jiān)測儀采用高性能STM32F407ZET6 作為主控芯片使用，完成電參數(shù)的采集，F(xiàn)FT 處理和運行多維識別算法識別用電器等功能。采用TI 的CC2530 單片機進(jìn)行ZigBee 組網(wǎng)，終端節(jié)點將用電器監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一匯總到協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器上傳到服務(wù)器，服務(wù)器存儲所有數(shù)據(jù)，以便遠(yuǎn)程訪問。

圖1 用電器監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of power monitoring system

2 線下采集設(shè)備硬件設(shè)計

線下采集設(shè)備的硬件部分主要包括用電器監(jiān)測儀部分和ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)部分，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 用電器監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardwarestructure diagram of power monitoring system

用電器監(jiān)測系統(tǒng)由主控模塊、電參數(shù)采集模塊、顯示模塊、電源模塊、存儲模塊、繼電器保護(hù)模塊等組成。具體的工作流程如下：電壓和電流經(jīng)互感器處理之后送入CS5463 電能計量芯片進(jìn)行測算，STM32 讀取CS5463 芯片獲取用電參數(shù)，得到用電器的電壓、電流、有功功率和功率因數(shù)等數(shù)字量；再運用芯片識別算法與提前錄入用電器數(shù)據(jù)庫的信息進(jìn)行匹配，完成用電器種類識別的任務(wù)；最后由ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將用電器電參數(shù)信息和用電器種類上傳到服務(wù)器，用戶通過訪問服務(wù)器在上位機端獲取監(jiān)測信息。

2.1 電參數(shù)采集電路設(shè)計

電參數(shù)采集電路選用CS5463 電能計量芯片，HCT215 電流互感器和ZMPT101B 電壓互感器的組合電路。CS5463 是一款低成本，高精度的電表計量芯片，可根據(jù)一定算法對50 Hz／60 Hz 交流信號精確計算電壓、電流的有效值、有功功率、無功功率、功率因數(shù)及諧波成分等主要電參量，可以很好地幫助實現(xiàn)本系統(tǒng)所需的電參數(shù)采集。電參數(shù)采集電路如圖3 所示。

圖3 電參數(shù)采集電路Fig.3 Electric parameter acquisition circuit

待測的電壓和電流信號經(jīng)過互感器處理后送入CS5463 芯片，CS5463 再通過內(nèi)部的集成電路得出電流，電壓和功率等電參數(shù)值，最后與STM32 采用SPI 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將電參數(shù)值送入STM32 供其處理。

2.2 ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

本次設(shè)計基于CC2530 單片機搭建ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)，極大提高了系統(tǒng)的實時性，具體電路如圖4 所示。CC2530 移植官方的Z－Stack，實現(xiàn)自動組網(wǎng)的功能。該網(wǎng)絡(luò)分為協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點兩部分，終端節(jié)點與監(jiān)測儀進(jìn)行串口通信交互數(shù)據(jù)，之后通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)匯總到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器使用GSM模塊通過MQTT 協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，供遠(yuǎn)程查看。

圖4 無線通訊網(wǎng)絡(luò)電路圖Fig.4 Circuit diagram of wireless communication network

3 用電器多維識別算法設(shè)計

用電器的種類和型號日益增加，采用單一參數(shù)做為用電器的識別依據(jù)，辨識準(zhǔn)確度較低，因此，采用多個電參數(shù)作為識別判據(jù)可以大大提高用電器識別的準(zhǔn)確度。一般來說，用作用電器識別的電參數(shù)有電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電壓電流信號的諧波等，綜合考慮不同用電器的特征電參數(shù)，本次設(shè)計選擇用電器穩(wěn)定工作時的電流有效值IRMS、有功功率P、功率因數(shù)λ和電流的k次諧波比IkHW（電流信號的第k次諧波有效值與基波有效值的比值）這4 個特征電參數(shù)作為用電器識別的判據(jù)。

3.1 特征電參量的提取

電流有效值、有功功率和功率因數(shù)都可以通過CS5463 測量芯片測得，只需通過程序讀取即可。而電流的k次諧波比IkHW無法直接測得，離散傅立葉變換（DFT）可以幫助提取電流諧波，但其計算量太大，無法保證實時性，因此選擇采用計算更快的快速傅里葉變換（FFT）求解電流的各次諧波，進(jìn)而計算其k次諧波比IHWk。

快速傅里葉變換有多種算法，本次設(shè)計采用按時間抽取的基4 算法［9］。（Decimation In Time FFT，DIT－FFT）基4 時間抽取法的基本原理是將N點的時域信號x（n）分成4 組序列，分別計算這4 組序列的離散傅立葉變換，從而減少運算量。通過蝶形運算，將N點DFT 的計算分解為4 個N／4 點DFT，每個N／4 點DFT 分解為4 個N／16 點DFT……經(jīng)過L級抽取后，一個復(fù)雜的FFT 就被分解為N個單點DFT 和L級蝶形運算，而單點DFT 就是該點時域序列本身，這樣就能快速算出x（n）的頻譜序列X（k）［10］。

本次設(shè)計將采集的長度為N的交流電流瞬時值數(shù)組，根據(jù)按時間抽取的基4 算法，經(jīng)FFT變換后得到長度為N的離散序列，該序列由各次諧波的電流的幅度譜X（k）構(gòu)成，X（k）即為電流的k次諧波的振幅值。根據(jù)k次諧波比IkHW的定義，有式（1）：

本次設(shè)計中取電流的3 次諧波比I3HW作為識別參數(shù)。

3.2 識別算法

假設(shè)對于整個監(jiān)測系統(tǒng)，所有的用電器種類為N，對其中的每一個用電器的電參數(shù)進(jìn)行多次測量，取平均后得到一組特征向量，主要包括流有效值IRMS、有功功率P、功率因數(shù)λ和電流的k次諧波比I3HW，N個這樣的特征向量構(gòu)成一個4×N的矩陣A，式（2）：

矩陣A中每一列代表一種用電器，每一行代表N個用電器的某一特征電參數(shù)，用電器的種類由列標(biāo)號對應(yīng)，用電器識別的數(shù)據(jù)模型庫表示為矩陣A。

對于某一待測用電器，經(jīng)過測量后得到其特征電參數(shù)，表示為矩陣B，式（3）：

將矩陣A中的每一列與矩陣B依次作差后取絕對值，得到的差值矩陣表示為矩陣C，式（4）：

對矩陣C中的每一行按從小到大的順序排列，并用列標(biāo)號代替原來的差值絕對值，每行取前n個差值最小的用電器，這里以n＝4 為例，則可以得到一個4×4 的標(biāo)號矩陣表示為矩陣D，式（5）。

矩陣D中的每個元素都是某一個用電器的列標(biāo)號，即代表某個種類的用電器。理論上來說待測用電器越接近或等于某一數(shù)據(jù)模型庫用電器x，則x的列標(biāo)號應(yīng)該在矩陣D中出現(xiàn)最多且出現(xiàn)時最靠左。因此只要統(tǒng)計矩陣D中出現(xiàn)過的全部列標(biāo)號的出現(xiàn)次數(shù)，將次數(shù)最多的那個列標(biāo)號所代表的用電器類型作為待測用電器的識別結(jié)果輸出。實際中，考慮對于矩陣D每一行都按照從小到大排列，那么最左一列的列標(biāo)號的置信概率最大，因為其代表的測量值與數(shù)據(jù)庫記錄值的差值最小，待測用電器更有概率為該標(biāo)號的用電器；不同的特征電參數(shù)在識別過程中對于結(jié)果的影響權(quán)重也是不同的。因此，對于矩陣D在統(tǒng)計列標(biāo)號出現(xiàn)次數(shù)時，應(yīng)該增加一個權(quán)重來體現(xiàn)這種置信差距。本系統(tǒng)設(shè)計中初步采用式（6）作為權(quán)重矩陣。

D中每一個列標(biāo)號的加權(quán)值可從矩陣W中對應(yīng)獲取，各用電器的加權(quán)出現(xiàn)次數(shù)由公式（7）求得：

Nikjk代表某個用電器出現(xiàn)了一次，Wikjk代表對應(yīng)位置的加權(quán)值，通過式（7）可以求得所有識別結(jié)果的加權(quán)出現(xiàn)次數(shù)，最大者對應(yīng)的用電器即為識別結(jié)果。

4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 STM32 主程序設(shè)計

本次設(shè)計的程序使用MDK5 和IAR 軟件，利用C 語言編寫程序。程序整體框圖如圖5 所示。

圖5 STM32 主程序流程圖Fig.5 STM32 main program flow chart

各功能子程序主要包括電參數(shù)的采集分析及存儲程序、FFT 算法程序、用電器識別算法程序、鍵盤程序、液晶顯示器顯示程序、ZigBee 通信程序和上位機通信程序等。通過電參數(shù)的采集和FFT 算法處理，得到用電器正常工作時的電參數(shù)信息，從而為用電器識別提供數(shù)據(jù)支撐，識別算法和用電器電參數(shù)數(shù)據(jù)模型庫通過用電器識別算法程序提前寫入。

為了在STM32 上實現(xiàn)FFT 算法程序［11］，需下載官方提供的DSP 庫并添加至所建工程項目。添加時inc 文件下的stm32＿dsp.h 和table＿fft.h 兩個文件是必須的，src 文件夾下的文件可根據(jù)需要有選擇地添加，本次設(shè)計采用的是256 點的FFT，故只需添加cr4＿fft＿256＿stm32.s 文件。

系統(tǒng)上電后，基于CC2530 單片機的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)自動搭建，與此同時，監(jiān)測儀也對STM32 的I ／O口、通用串口、SPI 接口、中斷寄存器等進(jìn)行初始化設(shè)置；接著對外圍設(shè)備初始化，使外圍設(shè)備處于待工作狀態(tài)。用戶可以通過按鍵或者ZigBee 網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實現(xiàn)對監(jiān)測儀進(jìn)行功能選擇和參數(shù)設(shè)置。監(jiān)測儀每采集到一次CS5463 數(shù)據(jù)后就會進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將分析結(jié)果輸出在LCD 顯示屏上，并通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

4.2 識別算法軟件設(shè)計

識別算法是整個用電器識別功能的核心，其算法程序流程如圖6 所示。本次設(shè)計采用4 個電參數(shù)作為識別標(biāo)準(zhǔn)，擬建立8 類用電器的模型數(shù)據(jù)庫。二維數(shù)組儲存的是用電器識別數(shù)據(jù)模型庫，對應(yīng)矩陣A；一維數(shù)組儲存的是測量和計算得到的特征電參數(shù)，對應(yīng)矩陣B；二維數(shù)組Differ［4］［8］儲存的是差值絕對值，對應(yīng)矩陣C；二維數(shù)組Sort［4］［4］ 儲存的是排序后的用電器類型，對應(yīng)矩陣D。

圖6 識別算法程序流程圖Fig.6 Identification algorithm program flow chart

4.3 ZigBee 軟件設(shè)計

ZigBee 組網(wǎng)的整體過程非常復(fù)雜，這里采用TI公司給用戶提供的ZigBee 協(xié)議棧（Z－Stack）進(jìn)行組網(wǎng)［12］，Z－Stack 包含了一個實時操作系統(tǒng)，用戶只需要熟悉其API，就能夠開發(fā)出滿足自身需求的嵌入式軟件。本系統(tǒng)需要完成對協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點的軟件設(shè)計，協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點的軟件設(shè)計流程分別如圖7 和圖8 所示。

圖7 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計流程圖Fig.7 Flow chart of coordinator software design

圖8 終端節(jié)點軟件設(shè)計流程圖Fig.8 Flow chart of terminal node software design

設(shè)計的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)分為1 個協(xié)調(diào)器和4 個終端節(jié)點，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成網(wǎng)絡(luò)的搭建。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的第一個設(shè)備，協(xié)調(diào)器在自身的初始化后，完成網(wǎng)絡(luò)的啟動。啟動后，還負(fù)責(zé)接收來自終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給主控中心，同時接收主控中心的數(shù)據(jù)，下發(fā)給下面的終端節(jié)點。終端節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的最后一環(huán)，采集到的傳感器數(shù)據(jù)會發(fā)送給協(xié)調(diào)器匯總，同時接收協(xié)調(diào)器的指令，完成對設(shè)備的控制。

4.4 服務(wù)器和上位機軟件設(shè)計

搭建mosquitto 服務(wù)器軟件，開啟MQTT 服務(wù)后，用戶連接MQTT 服務(wù)器，根據(jù)訂閱的主題，即可以收到所需的數(shù)據(jù)。服務(wù)器端編寫python 程序，對MQTT 數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)聽，將所需的數(shù)據(jù)保存進(jìn)Mysql數(shù)據(jù)庫，同時處理來自用戶的請求，可以實現(xiàn)對歷史記錄的訪問。

為了實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，用電器監(jiān)測系統(tǒng)采用ZigBee 實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸，上位機采用具有跨平臺功能且移植方便的Qt 編寫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與展示。

5 測試分析

本系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測多個用電器的用電信息和用電器種類，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。通過1個協(xié)調(diào)器和4 個終端結(jié)點及用電器監(jiān)測儀搭建系統(tǒng)并進(jìn)行測試。協(xié)調(diào)器上電并初始化建立ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，每個終端結(jié)點距離協(xié)調(diào)器不超過100 m，監(jiān)測儀和ZigBee 實物如圖9 所示。

圖9 ZigBee 終端結(jié)點和監(jiān)測儀實物圖Fig.9 Picture of ZigBee terminal node and monitor

對用電器實施遠(yuǎn)程監(jiān)測前首先需對系統(tǒng)的識別功能進(jìn)行測試。在測試前預(yù)先將用電器的特征電參量寫入識別數(shù)據(jù)模型庫，通過多次將用電器接入系統(tǒng)并記錄系統(tǒng)識別成功次數(shù)的方式進(jìn)行識別功能的測試，測試結(jié)果見表1。

表1 用電器識別測試結(jié)果Tab.1 Electrical appliance identification test results

通過多次測試實驗可以看出，本文設(shè)計的用電器識別算法識別效果較好，對4 種用電器的識別準(zhǔn)確度都在90%以上，滿足設(shè)計使用需求。

為進(jìn)行在線監(jiān)測功能的測試，4 個終端結(jié)點分別接入筆記本電腦、LED 燈、電烙鐵、電風(fēng)扇。上電后通過PC 端的Qt 上位機訪問服務(wù)器獲得監(jiān)測信息，從而實現(xiàn)對用電器的遠(yuǎn)程監(jiān)測。上位機端主要包括對用電器的實時監(jiān)測和用電器監(jiān)測歷史信息記錄兩部分，在線監(jiān)測界面主要顯示用電器的識別結(jié)果和5 類電參數(shù)值，包括用電器的電壓，電流等。監(jiān)測中的上位機界面如圖10 所示，此時顯示的是1 號監(jiān)測點的1 號監(jiān)測儀的用電器識別和監(jiān)測界面。

圖10 上位機端監(jiān)測界面圖Fig.10 Monitoring of the host computer interface diagram

從圖10 上位機的實時監(jiān)測界面可以看出，監(jiān)測系統(tǒng)很好地完成了設(shè)計內(nèi)容，對監(jiān)測點1 的1 號監(jiān)測儀實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和實時監(jiān)測，同時用電器種類識別正確，各電參數(shù)監(jiān)測顯示正常無誤。

上位機歷史信息如圖11 所示，歷史數(shù)據(jù)也可幫助用戶了解用電器的運行狀態(tài)。經(jīng)過多次長時間運行實驗，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，識別和監(jiān)測效果良好，有利于用電器的智能化發(fā)展，保障用電安全。

圖11 歷史信息界面圖Fig.11 Historical information interface diagram

6 結(jié)束語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的非侵入式用電器在線監(jiān)測系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的工作原理和實現(xiàn)方法。從測試實驗來看，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）能準(zhǔn)確實現(xiàn)用電器的非侵入式識別與監(jiān)測功能；

（2）通過對ZigBee，mosquitto 服務(wù)器軟件和Qt上位機的合理運用完成了數(shù)據(jù)的實時遠(yuǎn)程傳輸，監(jiān)測方便且監(jiān)測范圍大，實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，系統(tǒng)的功能豐富，應(yīng)用面廣；

（3）設(shè)計方案即保證了系統(tǒng)各功能的準(zhǔn)確實現(xiàn)又兼顧了實際應(yīng)用的可實施性。本系統(tǒng)的實現(xiàn)有助于推動電力物聯(lián)背景下非侵入式用電器監(jiān)測系統(tǒng)在實際應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，對用電安全和電力物聯(lián)發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用。