基于SUI-101A的用電器分析識(shí)別裝置設(shè)計(jì)

胡各優(yōu)，張欽科，胡輝，張仁民，汪旭明

（吉首大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 吉首 416000）

0 引 言

隨著人口數(shù)量的增多以及經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們消耗能源的速度越來越快，能源危機(jī)已經(jīng)成為制約人類可持續(xù)發(fā)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(dāng)今主要能源之一，它的重要性不言而喻，節(jié)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(dāng)導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失甚至威脅到生命的事件不計(jì)其數(shù)。人們雖常對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行定時(shí)檢查，但不便于對(duì)用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這便導(dǎo)致了如觸電、火災(zāi)等大量安全隱患的發(fā)生。因此，如何設(shè)計(jì)一款使用便捷、安裝簡(jiǎn)單、能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)的用電器分析檢測(cè)裝置便顯得尤為重要。

擬設(shè)計(jì)的用電器分析識(shí)裝置既能通過測(cè)量用電器的一系列電參量來識(shí)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(fā)生，又能借此讓用戶根據(jù)家庭用電量的情況進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，提高能源的利用率。

1 總體設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)的工作原理是通過AC-DC模塊將220 V的交流電轉(zhuǎn)換成5 V的直流電給STM32單片機(jī)和采樣模塊供電，同時(shí)SUI-101A交流電能計(jì)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(jì)電量、頻率、功率因數(shù)等參數(shù)，再通過串口通信將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過一定的判斷算法判斷出用電器的工作狀態(tài)，最終將用電器的類型和電參數(shù)顯示在顯示屏上。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

如圖2、圖3所示，硬件部分由電參數(shù)測(cè)量模塊、信號(hào)處理平臺(tái)和顯示模塊、供電模塊構(gòu)成。其中電參數(shù)測(cè)量模塊將測(cè)量信息通過串口發(fā)送至信號(hào)處理平臺(tái)和顯示模塊，供電模塊將220AC-5VDC給信號(hào)處理平臺(tái)和顯示模塊電源支撐。

圖2 硬件部分

圖3 裝置實(shí)物圖

2.1 電參數(shù)測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

電參數(shù)測(cè)量使用的是SUI-101A交流電能計(jì)量模塊。SUI-101A交流電能計(jì)量模塊采用全隔離采集方案，該方案不僅能實(shí)現(xiàn)高低壓完全隔離，而且能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量交流電流、電壓、有功功率、累計(jì)電量、頻率、功率因數(shù)等電參數(shù)，大大增強(qiáng)了裝置的安全性及可靠性。同時(shí)，SUI-101A芯片支持自定義簡(jiǎn)易協(xié)議和Modbus雙協(xié)議自動(dòng)識(shí)別，無須軟件或硬件設(shè)置，可直接使用調(diào)試指令來簡(jiǎn)化調(diào)試。

2.2 信號(hào)處理平臺(tái)和顯示模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F103ZET6最小系統(tǒng)作為信號(hào)處理平臺(tái)接收來自采樣模塊的數(shù)據(jù)，STM32單片機(jī)經(jīng)過算法處理后將用電器類型和相關(guān)參數(shù)顯示在TFT屏幕上。其中STM32單片機(jī)具有體積小、功耗低、外設(shè)資源豐富、算法靈活等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)算性能滿足在系統(tǒng)中應(yīng)用。

2.3 供電模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)供電采用220VAC-DC降壓模塊。該模塊將220 V交流市電轉(zhuǎn)換為5V的直流電，并帶有電源保護(hù)，使整個(gè)模塊安全穩(wěn)定。又由于SUI-101A交流電能計(jì)量模塊為全隔離模塊，需要外部5 V供電，而STM32單片機(jī)也需要5 V供電，故使用AC-DC模塊將220 V的交流電轉(zhuǎn)換成5 V的直流電給單片機(jī)和電參數(shù)采集模塊供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 用電器狀態(tài)識(shí)別方法設(shè)計(jì)

用電器狀態(tài)識(shí)別方法采用電參量多維模型綜合識(shí)別法，即按照用電器的電流、電壓、功率、頻率、功率因數(shù)建立多個(gè)維度的參考模型，利用多個(gè)維度對(duì)比建立的參考模型，就能判斷用電器當(dāng)前的工作狀態(tài)。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是多個(gè)維度的判別結(jié)果可以互相參考，既避免了用電器之間信號(hào)覆蓋的情況，同時(shí)也增加判別結(jié)果的可信度。

3.2 主程序流程圖

系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

主程序：當(dāng)裝置上電后，整個(gè)系統(tǒng)開始工作。STM32單片機(jī)開始系統(tǒng)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(duì)應(yīng)編號(hào)，若為按鍵1則進(jìn)入測(cè)試子程序，為按鍵0則進(jìn)入學(xué)習(xí)子程序，同時(shí)清空所有的用電器信息，若都不是則繼續(xù)判斷按鍵是否按下。

3.3 子程序流程圖

系統(tǒng)子程序流程圖如圖5所示。

圖5 子程序流程圖

測(cè)試子程序：通過檢測(cè)電路的參數(shù)來判斷用電器的使用情況，若按鍵1未按下則繼續(xù)檢測(cè)電路的參數(shù)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(shù)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(xué)習(xí)子程序：按鍵1按下是通過檢測(cè)電路的參數(shù)來學(xué)習(xí)用電器，按鍵0按下進(jìn)入測(cè)試模式，開始通過判斷電路參數(shù)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(shè)計(jì)中，實(shí)驗(yàn)所用的7種用電器分別為自制用電器、小功率風(fēng)扇、大功率風(fēng)扇、充電器、LED燈、燒水杯、熱得快。其中自制用電器、小功率風(fēng)扇、大功率風(fēng)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(fēng)扇的電流介于15mA到20 mA之間，大風(fēng)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(shè)計(jì)主要通過電壓、電流、功率來判斷出用電器的類型?？紤]到排插供電電壓的波動(dòng)以及外界因素對(duì)小電流的干擾嚴(yán)重，故需要借助其他維度進(jìn)行輔助判斷，經(jīng)過測(cè)試得出用電器的功率因數(shù)較為穩(wěn)定，所以又采取功率因數(shù)這一電參量進(jìn)行輔助識(shí)別，增加測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

4.1 測(cè)試方案

將7個(gè)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(shù)，并通過萬用表等工具測(cè)量真實(shí)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證裝置測(cè)量的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。

4.2 測(cè)試結(jié)果

第一次測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 第一次測(cè)試表

將1號(hào)自制電器接入裝置，顯示屏顯示添加1號(hào)用電器并得出了如表1中的裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)1號(hào)用電器的電參數(shù)，在保留1號(hào)用電器的基礎(chǔ)上，將2號(hào)用電器接入裝置，顯示屏顯示添加2號(hào)用電器并得出了如表2中的裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)2號(hào)用電器的電參數(shù)。以此類推，依次將3號(hào)到7號(hào)用電器接入裝置，測(cè)得每個(gè)用電器的電參數(shù)。

第二次測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 第二次測(cè)試表

為了減少測(cè)試的偶然性和不確定性，重復(fù)第一次測(cè)試。依次將1號(hào)到7號(hào)用電器接入裝置，裝置都能正確顯示接入用電器的編號(hào)，并測(cè)得每個(gè)用電器的電參數(shù)，得到表2測(cè)試數(shù)據(jù)。對(duì)比表1和表2的數(shù)據(jù)可知，第二次與第一次的測(cè)試結(jié)果之間存在0.60 V以內(nèi)的電壓誤差和20.00 mA以內(nèi)的電流誤差。

第三次測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 第三次測(cè)試表

第三次重復(fù)測(cè)試，對(duì)比表2和表3的測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，第三次與第二次的測(cè)試結(jié)果之間存在0.60 V以內(nèi)的電壓誤差和30.00 mA以內(nèi)的電流誤差。通過比對(duì)三次測(cè)試數(shù)據(jù)，可以得出測(cè)試的誤差較小。又由于電網(wǎng)波動(dòng)和用電器實(shí)際功率時(shí)變性質(zhì)的影響會(huì)使測(cè)試結(jié)果存在一定波動(dòng)，所以該裝置能夠相對(duì)正確的測(cè)量用電器的電參數(shù)并識(shí)別用電器種類。

5 結(jié) 論

基于SUI-101A的用電器分析識(shí)別裝置能有效幫助用戶實(shí)時(shí)了解用電器的使用情況——使用時(shí)它會(huì)顯示各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)以此對(duì)用電器類型進(jìn)行分析和識(shí)別。該裝置從整體來看使用方便，操作簡(jiǎn)單，安全而又穩(wěn)定，但是該裝置仍然存在一些待解決的問題：比如未實(shí)現(xiàn)裝置與手機(jī)間的通信功能，未實(shí)現(xiàn)物聯(lián)功能等，因此接下來還需要根據(jù)不同的使用場(chǎng)景來進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。