基于单相电参数测量的电器识别与监测*

2018-07-11，，，

单片机与嵌入式系统应用 2018年7期

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(东北大学计算机科学与工程学院电子信息工程，沈阳110819)

引　言

在互联网影响下发展起来的智能家居是智能物联化的体现，而实现子系统的智慧互联并通过统一的平台操作是家电走向智能化方向的关键。要实现总控系统对不同用电器的实时监测并根据检测到的数据进行相应的操作就离不开对用电器电线上的单相电参数的测量。以往的单相电测量仪器成本高、便携性差，本文介绍了一种基于MSP430的单相电参数测量仪的设计方案，通过把ZM101S实时检测到的电参数传输给MSP430进行分析，并可以使用蓝牙模块把状态数据发送到便携式设备显示，相较传统方案，实现了低成本下可靠性较高的电参数测量。

1　系统整体方案

系统由MSP430G2553(以下简称MSP430)、TFT显示屏、蓝牙主从机、ZM101S模块组成，前端电路调理采用ZM101S上集成的互感器和精密电阻电路来变换单相电信号，在使用直连测量功能时，经过模块板载NEC78F0526单片机和ADC处理后将各个电参数通过UART通信传给MSP430单片机，并把电参数和用电器种类、状态显示在TFT液晶屏上; 而在使用远距传输功能时，蓝牙主从机分别接在便携式设备和ZM101S上，通过蓝牙发送ZM101S中的数据到便携设备上读取显示。测量仪的系统框图如图1所示。

图1　系统框图

2　单相电参数计量模块

单相电参数计量模块用5 V单电源供电,集成Σ-Δ型ADC,参考电压电路以及所有功率、能量、电压电流有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理电路。ZM101S的核心电路如图2所示。

图2　ZM101S核心电路

模块优点如下：① 输入动态工作电压范围在5000∶1内，分线性测量误差小于1%；② 有功测量满足0.5级，支持IEC62053-22：2003,GB/T17215.322-2008标准；③ 在500∶1动态范围，有效值精度优于0.1%；④ 提供UART通信接口，支持MODBUS协议。

传统的单相电参数测量方法对运放共模输入电压和单片机的运算速度要求很高，ZM101S模块通过互感器把220V电压信号调理成易于处理的范围，而且可以不受电器的有容或感性测量结果的影响，直接用UART接口读取参数数据即可。采样测量电信号效果好，使用简单。

该模块支持负载的电流最大为5 A,工作时模块通信连线如图3所示。

图3　模块通信连线电路

3　系统硬件设计

系统硬件主要由ZM101S及其外围电路和蓝牙式便携设备组成。ZM101S完成单相电电压、电流的转换，把220 V交流电由电压互感器按照1000∶1变比，电流互感器按照2 000∶1的变比以及100 kΩ采样电阻转换为ZM101S可测量的范围。ZM101S外围电路包括MSP430对ZM101S的读写通信电路和TFT显示屏电路。蓝牙便携设备由HC05模块，通过串口助手软件进行配置。对于插排的电线和ZM101S的接线方式见图3。

4　系统软件设计

4.1　用电器电流有效值的分析

4.2　基于欧几里得度量的分析

为了更好地识别用电器的状态和组合，本测量仪在算法方面采用基于特征参量的算法，在学习模式下，检测各个电器的电流有效值、有功功率、功率因数等特征参量作为参考样本数据。单个器件学习模式从单片机读取到的电参数如表1所列。

考虑到器件数量和状态刷新速度，只选取区分度大的功率因数和电流有效值作为特征参量，把功率因数作为横轴，电流作为纵轴，建立坐标轴图，根据基于欧几里得度量的算法，在MSP430里分别计算所测电器的特征参量和各个样本参量之间的欧氏距离，其中欧氏距离结果个数最小的对应的电器样本认为是待测电器，示意图如图4所示。