基于STM32和FFT的用電器分析識別裝置

蔡婷婷，吳俊堯，李佳奕

（1.南京信息工程大學(xué)人工智能學(xué)院，江蘇南京，210044；2.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇南京，210044）

0 引言

隨著時代的發(fā)展，用電器已經(jīng)遍廣泛應(yīng)用于生活的各個領(lǐng)域。根據(jù)調(diào)查顯示，由于熱水壺、取暖器、電熱毯等電器無人監(jiān)管所引起的事故占據(jù)火災(zāi)事故的很大比例。因此，用電器的安全使用也成為亟待解決的問題，對用電器分析識別的研究，具有重要意義。

目前常見的用電器識別的方案：一是用電壓電流互感器、ADE7763電能計(jì)量芯片測量7種電器的排列組合，根據(jù)這些數(shù)據(jù)來獲取用電器狀態(tài)。該方案思路較為簡單，但需要測量的數(shù)據(jù)較多，中間存在很多不確定因素，容易造成較大誤差。二是基于ADE7763芯片、電壓與電流的相位差和各種不同用電器混疊使用時的電參數(shù)獲取用電器狀態(tài)。此類方法雖然較方案一加入了相位差的因素，準(zhǔn)確率有所上升，但和方案一存在的問題相同。結(jié)合上述背景，本文提出一種基于STM32和FFT的用電器分析識別裝置，通過電流互感器和I-V轉(zhuǎn)換電路，將檢測到的電流轉(zhuǎn)換成電壓后進(jìn)行FFT變換，得到信號的頻譜和諧波特性。同時通過SUI-101A電能計(jì)量模塊檢測電路的實(shí)時特性，得到電路中的實(shí)時數(shù)據(jù)。進(jìn)而精確識別用電器的工作狀態(tài)，用WiFi模塊將數(shù)據(jù)傳輸給手機(jī)，實(shí)時顯示工作狀態(tài)。

1 核心部分電路分析

1.1 IV轉(zhuǎn)換模塊

選用OPA657進(jìn)行IV轉(zhuǎn)換，后接一個四階低通濾波器濾除工頻干擾，如圖1、2所示。

圖1 OPA657IV轉(zhuǎn)換電路

圖2 40Hz低通濾波器

1.2 IV轉(zhuǎn)換后輸出調(diào)理電路

選用OP07使用12V供電，一個OP07做加法電路，將IV轉(zhuǎn)換輸出電壓轉(zhuǎn)換為0-8V，另一個OP07做跟隨器起到隔離的作用。如圖3所示。

圖3 輸出調(diào)理模塊

1.3 能量采集模塊

使用電能采集芯片，通過電流互感線圈和電壓互感線圈，可以測量有用功率和負(fù)載電流等。能量采集模塊核心電路如圖4所示。

圖4 電能采集模塊

2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體架構(gòu)分為8個部分，即STM32、外置AD模塊ADS8688、IV模塊、電能計(jì)量模塊、電流互感線圈、TFT彩屏、WiFi模塊和插座。將用電器插在插座上，使用電流互感器和IV模塊將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再用外置AD模塊進(jìn)行采集傳到STM32后進(jìn)行FFT變換，同時采用電能計(jì)量模塊，結(jié)合以上數(shù)據(jù)得到用電器目前狀態(tài)，將結(jié)果顯示在TFT彩屏上，并使用WiFi模塊將結(jié)果傳到手機(jī)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖和結(jié)構(gòu)示意圖如下。

圖5 系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)流程分析

本系統(tǒng)默認(rèn)上電是識別模式，且已預(yù)先存入七種電器的數(shù)據(jù)，可以直接測量自己的電器，只需打開排插對應(yīng)口開即可顯示當(dāng)前參數(shù)和電器種類。若需要更換用電器，僅需按下學(xué)習(xí)按鈕，則可進(jìn)入學(xué)習(xí)模式，在學(xué)習(xí)模式下給需要學(xué)習(xí)的電器通電，再次按下學(xué)習(xí)按鈕，屏幕會彈出學(xué)習(xí)完成的彈窗，當(dāng)當(dāng)前電器學(xué)習(xí)完成時，由于操作不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е聰?shù)據(jù)異常，可以按取消鍵取消上次錄入的數(shù)據(jù)，然后重新錄入。當(dāng)七種數(shù)據(jù)錄入結(jié)束后，按下識別按鍵即可回到識別模式。

圖6 系統(tǒng)流程圖

3.2 學(xué)習(xí)算法分析

首先將電器進(jìn)行二進(jìn)制編碼，例如1電器和7電器打開時編碼結(jié)果為10000001，在學(xué)習(xí)模式下記錄各個電器的參數(shù)，并建立一個簡單的數(shù)據(jù)庫，將有功功率等理論數(shù)值通過公式算出，在識別模式下計(jì)算負(fù)載的各項(xiàng)電參數(shù)，將該負(fù)載的每一個參數(shù)在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行遍歷，找出最近的這組數(shù)情況的編碼。本系統(tǒng)通過7種參數(shù)進(jìn)行判斷，最終得出七種電器組合，當(dāng)七種電器組合的某一位出現(xiàn)有4次以上為1的情況，則認(rèn)為該電器正在工作中，同理其他6位相同處理，最終可以得到計(jì)算判斷結(jié)果。

4 測試

通過接入多種不同的電器，測量其各種電參數(shù)。數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 七種電器各項(xiàng)電參數(shù)

然后我們通過選取多種組合進(jìn)行作品測試。

表2 組合測試的準(zhǔn)確率

本系統(tǒng)通過學(xué)習(xí)7種電器的電參數(shù)，然后對多種電器進(jìn)行多次測試，隨機(jī)在1-5種小電流用電器、1-3種用電器、4-7種電器各實(shí)驗(yàn)100次，最終準(zhǔn)確率分別為98.54%、97.8%、96.9%。

5 創(chuàng)新特色總結(jié)展望

5.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能及其創(chuàng)新性

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，用電器分析測量是十分準(zhǔn)確的，本系統(tǒng)的諧波可以測量到五階諧波，與理論值相近，展現(xiàn)出了算法的優(yōu)越性。本設(shè)計(jì)將電流特性和電功率等參數(shù)顯示以及頻譜圖顯示在TFT彩屏上，可以更直觀的看到各個用電器的電參數(shù)，便于研究分析。還采用了WIFI無線傳輸模塊，可以將本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無線傳輸給移動端，提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。

5.2 未來展望

本設(shè)計(jì)后續(xù)可以優(yōu)化功耗，使用低功率器件如TI公司的MSP432單片機(jī)等，使得該作品可以更加適合生活應(yīng)用背景。同時可以優(yōu)化學(xué)習(xí)算法模型，使用支持狀態(tài)機(jī)等合適的方法，同時將計(jì)算部分部署云端，提高算法效率和功耗損失。最后還可以優(yōu)化移動設(shè)備顯示部分，交互界面更加人性化，使用流暢，參數(shù)種類更多。