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)
近年來,智能家居和物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)快速發(fā)展,及時掌握用電器的工作狀態(tài)對于用戶實(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)測系統(tǒng),符合當(dāng)下物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢,但是其只能識別單個用電器工作的情況,未涉及多個用電器同時工作時的復(fù)雜場景[1]。付英侃提出了一種基于DSP 的負(fù)載電參量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)采用了多維模型綜合識別算法,識別效果較好,但是其需要手動多次測量所有的負(fù)載組合類型,對于負(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)荷辨識算法,但該識別算法的實(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 的用電器在線識別系統(tǒng),其優(yōu)勢如下:
具有用電器識別功能,對于單個或多個用電器同時在線的情況均能夠識別;具有學(xué)習(xí)功能,可不斷學(xué)習(xí)新的用電器數(shù)據(jù),滿足用戶對于家庭、辦公樓、宿舍等多個不同使用場景的要求;具有良好的人機(jī)交互邏輯,用戶操作簡便;系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)較為簡單、可移植性強(qiáng),能夠適應(yīng)多款硬件平臺;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)時監(jiān)測。
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。用電器的220 V 交流信號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,通過CS5463 芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。CS5463 包含兩個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],在識別模式下運(yùn)行FFT 算法對特征電參量作進(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
選用單一特征電參量來進(jìn)行用電器識別,辨識準(zhǔn)確度較低;而對于多個特征電參量,利用歐氏距離算法進(jìn)行識別可以增加系統(tǒng)的識別準(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表示一個交流周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù);I(n)表示第n個交流電流采樣瞬時值。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別用電器的特征參量。
(2)有功功率。有功功率指單位時間內(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,從而增加對比度,使用電器分析識別裝置更加靈敏。
(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別的特征參量。
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??焖俑道锶~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,縮短識別時間。
在系統(tǒng)應(yīng)用中,采集長度為N(N=2M)的交流電流瞬時值數(shù)組,按照基2 時域抽取法[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)可以被一個三維的坐標(biāo)定義。而將三維拓展為更高的n維時,便得到了n維歐幾里得空間。在n維空間中兩個點(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 個特征電參量,因此應(yīng)當(dāng)構(gòu)建一個5 維的歐幾里得空間,計(jì)算5 維的歐氏距離。單個用電器或者多個用電器同時在線時,均會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(包括只使用單個用電器和多個用電器同時組合使用的情況),則上述坐標(biāo)中的i=1, 2, ...,n。將這n個特征點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)存儲到系統(tǒng)中。在進(jìn)行用電器識別時,被測用電器組合也有一個特征點(diǎn),稱之為測量點(diǎn),分別計(jì)算出測量點(diǎn)與系統(tǒng)存儲的標(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所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn),該標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)所對應(yīng)的用電器組合情況即可作為識別結(jié)果。
(2)特征參量歸一化
本方案選取的5 個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)行用電器識別時,用電器的電參量會發(fā)生波動,若直接用式(7)計(jì)算歐幾里得距離,有功功率Pact對計(jì)算結(jié)果的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于功率因數(shù)PF 對結(jié)果的影響。
為了消除數(shù)據(jù)量綱的影響,本文對電參量數(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,每種組合下均會獲得一組特征電參量,可以得到一個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)行用電器識別時,為避免某種組合的特征點(diǎn)與兩個標(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)方法是求解多個維度的歐氏距離,將所有維度下計(jì)算出的識別結(jié)果取眾數(shù),作為最終的識別結(jié)果。
利用歐氏算法進(jìn)行用電器識別需要用到標(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)記錄單個用電器在線時的特征點(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),通過等時間間隔采樣及限幅濾波的方法,將單個用電器的特征點(diǎn)存儲到系統(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,即各個支路用電器獨(dú)立使用時的特征電參數(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使用時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,與這些用電器同時使用時在干路上獲得的諧波電流值相等。
綜上,由單個用電器的特征點(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)存儲到系統(tǒng)中即完成學(xué)習(xí)過程。
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
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
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,得到共用時的特征點(diǎn),更新特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫,完成學(xué)習(xí)。
在識別模式下,讀取存儲的用電器數(shù)據(jù),然后進(jìn)行用電器測量,將測量結(jié)果作為一個特征點(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),其所對應(yīng)的用電器組合即為識別結(jié)果。程序運(yùn)行的具體流程如圖4 所示。
圖4 主程序流程
本系統(tǒng)主要用來進(jìn)行用電器的識別和用電情況的獲取,同時方便用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測,系統(tǒng)實(shí)物如圖5 所示。
圖5 系統(tǒng)實(shí)物圖
通過用電器識別系統(tǒng)分別對被測用電器進(jìn)行學(xué)習(xí),然后進(jìn)行識別,對比實(shí)際結(jié)果,評估用電器在線識別系統(tǒng)的識別準(zhǔn)確性。用于測試的用電器見表1 所列。用電器的識別測試按照用電器同時工作的數(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)行了測試,同時每種組合要進(jìn)行多次測試,最后計(jì)算識別準(zhǔn)確度。
表1 被測用電器數(shù)據(jù)
針對不同的用電器數(shù)目,用電器的識別測試結(jié)果見表2 ~表5 所列。
表2 單個用電器識別結(jié)果
表3 兩個用電器同時工作時識別結(jié)果
表4 三個用電器同時工作時識別結(jié)果
表5 四個或五個用電器同時工作時測量結(jié)果
由測試結(jié)果可知,用電器在線識別系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確地識別單個用電器的類別以及多個用電器同時工作時的類別;系統(tǒng)的識別準(zhǔn)確度隨著同時在線的用電器數(shù)目的增加而有所降低,但對小功率用電器的組合識別準(zhǔn)確度較高。
本文利用歐幾里得識別算法、學(xué)習(xí)算法和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),設(shè)計(jì)一款基于STM32 的用電器在線識別系統(tǒng)。歐氏距離算法的優(yōu)點(diǎn)在于:分析簡單、識別較快、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)用于多個場景,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)時獲得測量數(shù)據(jù)及識別結(jié)果,有利于推動物聯(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)測功能、快速識別功能以及學(xué)習(xí)功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本系統(tǒng)可以較好地識別出用電器的類別,并且穩(wěn)定性良好。