基于快速傅里葉變換的用電器分析識別裝置

孫霽陽 王家東 鞏榮芬

（遼寧科技大學電子與信息工程學院 鞍山 114051）

引言

隨著時代的高速發展，各種用電器已經走進千家萬戶，給人民帶來便利的生活同時也帶來了安全隱患，各種由于電路過載引起的火災時有發生，尤其是一些老舊小區，電熱水壺、電熱毯等大功率用電器造成的事故問題比例更大。

對用電器參數的分析不僅可以幫助用戶節約電費，也可以降低火災的隱患，同時智能家居中的家用電器用電監控系統的形成與發展是倡導智慧城市建設發展中的重要環節[1]，在未來智慧城市建設的過程中該裝置可以接入城市系統，所以對用電器的識別研究有重要意義，所以本文設計了一款基于快速傅里葉變換算法的用電器分析識別裝置，該項目具有成本低、識別準確度高的優點，可以有效解決以上的問題。

1 系統總體設計

本文設計的裝置采用STM32F103C8T6 作為核心處理器，該芯片內置了硬件IIC 和SPI 協議接口，且GPIO 數量足夠完成該裝置，同時意法半導體提供了開源的DSP庫，所以選取該款單片機非常合適，該裝置設計了按鍵系統，可以進行學習模式和檢測模式的切換，對用電器的數據的采集選用CS5463 模塊，該模塊可以采集電路的電壓、電流、功率的參數，其與單片機之間采用SPI 作為通信協議。該裝置系統框圖如圖1 所示。

圖1 用電器分析識別裝置系統框圖

2 硬件設計

1）主控模塊

為了在降低成本的同時滿足用電器分析裝置的硬件接口和FFT 算法的運算量，本文選擇的STM32F103C8T6芯片是一款采用Cortex-M3 內核開發的32 位單片機[2]，芯片具有DMA 功能可用于SPI、IIC 和ADC。為了考慮裝置的體積，本文選用LQFP48 方式封裝的芯片，其具備37 個I/O 可以在滿足本文裝置的同時剩余8 個I/0 口用于后期增添新功能。

2 ）按鍵交互系統

本文的按鍵交互系統由四個輕觸開關組成，分別代表：模式切換、上一個、下一個和確定。按鍵一端連接到單片機的IO 口，另一端通過電阻上拉到5 V，IO 口連接到地線上，按鍵未按下時IO 電壓為0 V，按鍵按下時IO 電壓為5 V，單片機通過不斷掃描對應IO 口電平即可實現交互。

3）繼電器保護電路

由于需要引入市電，所以為了防止用電器連接出現問題導致設備損壞和造成安全隱患需要設計保護電路，該電路主要由固態繼電器和光電耦合器組成，電路結構簡單，響應速度快，在電流過大時，能快速切斷檢測回路，起到過流保護的作用[3]。

4）顯示屏

本文所選的顯示屏為12864 液晶LCD 顯示屏，該模塊具有功耗低、顯示內容豐富等特點而被廣泛運用。該模塊內部自帶升壓電路可支持（3～5.5）V 驅動,并將JP2 引腳連接一個電位器進行背光調節，其分辨率為128* 64，內置2 M 位中文字形CGROM，滿足本次開發需求。

5）CS5463 模塊

該模塊主要由CS5463 芯片、電磁式電壓互感器、電流互感器三部分組成。

CS5463 是一款結合了兩個模數轉換器的電功率測量芯片，其可以通過內部計算直接輸出單相電路的瞬時電流、電壓、瞬時功率、視在功率、有功功率和二線或三線功率計量應用。

電壓互感器與變壓器功能相似，但是電壓互感器變化電壓的主要目的是給儀器儀表供電，CS5463 模塊選用的電磁式電壓互感器是利用電磁感應原理按比例變換電壓，通過測量電壓后成該比例即可完成對線路中的電壓的測量。

由于所測電流較大且電壓較高有一定的危險性，所以為了測量和電氣隔離該模塊設置了電流互感器，電流互感器是依據電磁感應原理將一側的大電流轉化為小電流，電流互感器起到的是橋梁的作用[4]，可以將用電器的大電流轉換后交由CS5463 芯片進行采集和計算。

3 軟件設計

1）軟件系統流程

軟件程序主要由數據采集和數據處理兩大部分組成，控制部分以STM32F103C8T6 單片機為核心，采用執行效率高的C 語言進行編程，通過CS5463 采集數據，數據處理部分為快速傅里葉變換程序，將電流、電壓波形進行變換，得到電流和電壓的諧波和香味，最后將電流、電壓、有功功率、無功功率、諧波參量等參數結合進行識別，系統流程圖如圖2 所示。

圖2 軟件系統流程圖

2）電參數計算

電信號經過CS5463 采樣后，將數據通過SPI 協議傳入單片機，單片機需進一步計算出電流真有效值（URES）、電壓真有效值（IRES）和有功功率（P），其數學表達式如下：

式中：

N—一周期內采樣的點數；

Ui、Ii—某一采樣時刻的數值；

φi—對應時刻電壓和電流信號的相位差。

3）快速傅里葉變換

在本文中，如果僅針對電壓、電流、功率等進行分析，在同時識別多個用電器時常常出現識別錯誤的效果，所以為了提高多個用電器分析時的準確性必須以其他電信號特征作為分析目標，最后確定采用利用FFT 計算出信號的諧波作為識別的主要特性。

在信號處理中，離散傅里葉變換（DFT）的計算具有舉足輕重的地位，信號的相關、濾波、譜估計等等都可通過DFT 來實現[5]，但是在實際工程中起計算量相當大，所以在1965 年通過利用wn因子的對稱性和周期性構造了快速傅里葉變換（FFT）。在快速傅里葉變換誕生之后，數字信號處理技術的發展越加迅速、應用范圍也越加廣泛[6]。

離散傅里葉變換（DFT）的運算公式為：

其中，

將離散傅里葉公式拆分成奇偶項，前N/2 個點可以表示為：

后N/2 個點可以表示為：

由此可知，后N/2 個點的值完全可以通過計算前N/2個點的中間過程值確定[7]，這樣可以減少大量的運算，該算法雖然數學表達式復雜但是對于本文的設計可以利用意法半導體公司所提供的開源DSP 庫直接實現FFT 算法。

4）自學習算法

由于每款用電器都具有不同的參數，所以為了針對不同用電器需要給裝置增加自學習功能。即在設備使用前進入學習模式記錄各個用電器的參數后將數據存入AT24C02 芯片進行存儲，在識別模式下通過將負載的每一個參數在數據庫中遍歷，最后通過設定好的閾值進行判斷，最終計算出結果。

用于存儲的AT24C02 芯片是一個2 K 位串行EEPROM，內部含有256 個8 位字節，其在掉電后數據不會被擦除，該器件通過IIC 總線與單片機進行通信完成讀寫操作。

4 實驗結果與分析

根據本文所敘述的原理最終設計出該裝置，裝置實物圖如圖3 所示。

圖3 實物圖

將用電器分別編號1、2、3、4、5、6、7，其中1號用電器和二號用電器電流、電壓和功率相同，5、6、7號用電器為大功率用電器，選取的用電器可以完成大小功率用電器的測試也可以測驗諧波分析的準確性，本文將UTE1003B 型智能電參數測試儀測量的數據作為電參數的準確數值，每個用電器測試100 次后計算出平均值，具體實驗結果如表1 所示。

表1 電參數實驗結果統計表

A 組為低功率用電器，B 組為高功率用電器，C 組為高功率和低功率用電器混合，D 組為測量過程中隨機增減用電器，該裝置通過將電參數和諧波分析結合后通過

（a）識別模式 （b）學習模式閾值判斷負載為什么用電器，本文每組分別測試50 次后得出結果，具體結果如表2 所示。

表2 用電器分析實驗結果統計表

5 結語

本文通過STM32F103C8T6 單片機和CS5463 模塊設計了一款可進行人機交互的用電器分析識別裝置，軟件部分主要采用計算電參數真有效值和FFT 算法實現對數據更加準確的處理，數據處理后通過提前設置好的閾值與學習模式下所記錄的數據庫進行匹配后在LCD 屏幕上顯示。

根據實驗結果分析電參數測量準確性平均達到97.5%以上，也可以實現大小功率用電器的同時測量，隨機增減用電器時準確率也可達到94.4 %，可以完成日常生活中絕大多數的用電器測量。相信隨著智慧城市的建設和智能家居的普及，本裝置可以適用于更多場景，為更多家庭帶來生活上的便利。