單相電參數(shù)測量的電器識(shí)別與監(jiān)測分析

易健

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居得到了非常廣泛的應(yīng)用，提高了人們的生活質(zhì)量，為人們帶來了高質(zhì)量的生活水平。智能家居各項(xiàng)功能的順利實(shí)現(xiàn)是建立在高精度的實(shí)時(shí)監(jiān)測基礎(chǔ)上，這就需要對(duì)線路的單相電參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)全面的檢測。本文通過對(duì)單相電參數(shù)測量系統(tǒng)的整體方案進(jìn)行了一定的論述，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)單相電參數(shù)計(jì)量模塊、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的分析研究，進(jìn)而能夠促進(jìn)單相電參數(shù)測量質(zhì)量的不斷提高，對(duì)于從事相關(guān)工作的技術(shù)人員具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：單相電;參數(shù)測量;電器識(shí)別

1前言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能物聯(lián)化也獲得了快速的發(fā)展，其在實(shí)際生活中最直接的體現(xiàn)就是智能家居，子系統(tǒng)的智能互聯(lián)和統(tǒng)一的管理平臺(tái)是未來家電智能化的發(fā)展方向。為了能夠?qū)Σ煌碾娖髟O(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并根據(jù)相關(guān)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)電器設(shè)備進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)整，這就需要對(duì)電氣設(shè)備的單相電參數(shù)進(jìn)行精確地測量。傳統(tǒng)的單相電測量儀器不僅成本高，并且其測量精度還會(huì)受到工作環(huán)境的嚴(yán)重影響，進(jìn)而造成測量數(shù)據(jù)的參考價(jià)值大打折扣。因此，為了有效提高單相電參數(shù)的測量精度，本文結(jié)合MSP430測量儀的測量特點(diǎn)，對(duì)當(dāng)前的測量方案進(jìn)行了一定的改善，通過將ZM101S監(jiān)測到的電參數(shù)傳輸至MSP430中進(jìn)行進(jìn)一步的深入分析，再通過系統(tǒng)中設(shè)置的藍(lán)牙模塊將電氣設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)傳輸至顯示設(shè)備中，技術(shù)人員就能實(shí)時(shí)的了解電器設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)了低成本下可靠性較高的電參數(shù)測量，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 系統(tǒng)整體方案

整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)主要是由MSP430、TFT顯示屏、藍(lán)牙主從機(jī)以及相應(yīng)的ZM101S模塊等4部分組成，通過利用ZM101S上的集成互感器和精密電阻電路對(duì)前端的電路進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單相電變換的目的。在實(shí)際的直連測量過程中，通過模塊板上的NEC78F0526單片機(jī)和ADC對(duì)測量的電參數(shù)進(jìn)行預(yù)處理后，再經(jīng)由UART通信傳輸至MSP430單片機(jī)中，同時(shí)還能將電參數(shù)、用電器種類以及其運(yùn)行狀態(tài)顯示在TFT液晶屏幕上。當(dāng)系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸時(shí)，主要是借助設(shè)置在便攜設(shè)備和ZM101S上的藍(lán)牙主從機(jī)，經(jīng)由藍(lán)牙將ZM101S所監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸至便攜設(shè)備，再通過其顯示屏進(jìn)行顯示。

3 單相電參數(shù)計(jì)量模塊

單相電參數(shù)計(jì)量模塊在工作過程中所需要的電能主要是通過內(nèi)部設(shè)置的5V單電源進(jìn)行供給，集成∑-△型ADC，參考電壓電路以及所有功率、能量、電壓電流有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號(hào)處理電路。

該模塊在監(jiān)測工作過程中的優(yōu)勢如下所示：

（1）所輸入的動(dòng)態(tài)工作電壓范圍非常大，高達(dá)5000：1，具有非常廣泛的應(yīng)用范圍，并且其分線性測量誤差能夠進(jìn)行有效控制，通常不大于1%;

（2）有功測量的精度也較高，能夠滿足0.5級(jí)的測量要求，并且能夠支持多種不同的測量標(biāo)準(zhǔn)，適用范圍廣;

（3）系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍在500：1時(shí)，其有效值具有非常高的精度，一般不低于0.1%;

（4）通過提供UART通信接口，能夠與其他設(shè)備進(jìn)行有效的連接，并且還支持MODBUS協(xié)議，具有非常高的實(shí)用價(jià)值。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要包括：ZM101S、配套的外圍電路以及藍(lán)牙便攜設(shè)備等3部分，其中ZM101S主要是負(fù)責(zé)對(duì)單相電的電流和電壓進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換，將220V的交流電按照1000：1的比例進(jìn)行變比，而將電流互感器按照2000：1的比例進(jìn)行相應(yīng)的比例變換，同時(shí)還能將系統(tǒng)中100KΩ采樣電阻轉(zhuǎn)換到ZM101S能夠測量的范圍內(nèi);系統(tǒng)的外圍電路是由讀寫通信電路和顯示屏電路組成，為了避免兩者之間造成影響，需要對(duì)其線路進(jìn)行科學(xué)合理的布置;藍(lán)牙便攜設(shè)備主要是由HC05模塊組成的，其借助相應(yīng)的串口助手軟件進(jìn)行有針對(duì)性的配置。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 用電器電流有效值的分析

當(dāng)系統(tǒng)對(duì)單個(gè)電器設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測識(shí)別時(shí)，其主要是通過對(duì)流經(jīng)設(shè)備的電流有效值進(jìn)行檢測，進(jìn)而對(duì)電器設(shè)備進(jìn)行科學(xué)合理的識(shí)別，并對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。對(duì)于具有N個(gè)電器設(shè)備的系統(tǒng)而言，其工作狀態(tài)一共具有C1 N中不同的類型，在實(shí)際的工作過程中，通過檢測電路中電流的有效值就能對(duì)相應(yīng)的電器設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，當(dāng)系統(tǒng)有多種電器設(shè)備介入后，其相應(yīng)的組合方式一共有C1 N+……+CN N種。考慮到電器設(shè)備在工作過程中的負(fù)荷不是一成不變的，而是會(huì)隨著工作狀態(tài)的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化，其負(fù)載情況非常復(fù)雜，既有阻性負(fù)載，又有感性和容性負(fù)載，這就會(huì)造成不同電器設(shè)備所做的無功功率不盡相同。通過大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，僅根據(jù)電流的有效值，無法對(duì)電器設(shè)備的工作狀態(tài)和組合進(jìn)行科學(xué)合理的判斷，在實(shí)際的工作過程中要予以充分的重視。

5.2 基于歐幾里得度量的分析

為了能夠進(jìn)一步提高電器設(shè)備工作狀態(tài)和組合的識(shí)別精度，將基于特征參量的算法運(yùn)用于測量儀的算法之中。在相應(yīng)的學(xué)習(xí)模式下，將所有電器設(shè)備中的電流有效值、有功功率以及功率因素等特征參量作為系統(tǒng)學(xué)習(xí)的樣本數(shù)據(jù)，單個(gè)器件學(xué)習(xí)模式從單片機(jī)讀取到的電參數(shù)如表1所示。

通過對(duì)電氣設(shè)備的數(shù)量和工作狀態(tài)的刷新頻率進(jìn)行綜合性的考慮，只選取其中區(qū)分度較大的功率因數(shù)和電流有效值作為判斷的特征參量。為了能夠進(jìn)行更加直觀的展示，以功率因數(shù)作為橫坐標(biāo)、電流作為縱坐標(biāo)，建立相應(yīng)的坐標(biāo)系。根據(jù)歐幾里得的度量算法，計(jì)算在MSP430中電器設(shè)備的特征參量與樣本參量之間的歐氏距離，其中歐氏距離結(jié)果個(gè)數(shù)最小的對(duì)應(yīng)的電器樣本認(rèn)為是待測電器設(shè)備，其具體的形式如圖1所示。

5.3 程序設(shè)計(jì)

在所設(shè)置的程序中，程序模式的選取是通過相應(yīng)的按鍵實(shí)現(xiàn)的，其中學(xué)習(xí)和監(jiān)測狀態(tài)下的模式一共有9種，其中對(duì)應(yīng)的模式1只要是對(duì)之前存儲(chǔ)的C1 N+……+CN N電器設(shè)備器件進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測，并將所監(jiān)測到的運(yùn)行數(shù)據(jù)展示到TFT屏幕上，進(jìn)而確保技術(shù)人員能夠?qū)崟r(shí)了解電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài);模式2～8主要對(duì)應(yīng)的是不同器件的學(xué)習(xí)模式，能夠?qū)?個(gè)不同的器件進(jìn)行學(xué)習(xí)，同時(shí)在學(xué)習(xí)過程中單片機(jī)嚴(yán)禁出現(xiàn)中斷情況，進(jìn)而避免讀寫錯(cuò)誤的發(fā)生。

6 結(jié)語

總而言之，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居走進(jìn)了千家萬戶，給人們的生活帶來了極大的便利，提高了人們的生活質(zhì)量。為了確保智能家居系統(tǒng)中所有電器設(shè)備的正常運(yùn)行，就要通過對(duì)系統(tǒng)的單相電線進(jìn)行科學(xué)合理的電參數(shù)測量，進(jìn)而能夠根據(jù)相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)對(duì)電器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)工作的需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

參考文獻(xiàn)：

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