一種具有學習功能的電器識別電路設計

宗銳，何福根，張帆遠

（山東科技大學，山東濟南 250031）

目前，大部分用電識別裝置只能默認識別已存的參數范圍，該設計利用代碼實現學習功能，根據特征參量識別若干同種用電器后，即可識別所有同種用電器。主機以STM32 為主控制器，通過SPI 與ATT7022 電能采集模塊進行通信；ATT7022 模塊負責采集用電器電壓、電流、有功功率、無功功率以及功率因數等電源參數[1-5]。設計完成后，進行試驗證明了裝置的可靠性。

1 主控制器件、芯片等選型

1.1 主控制器件

1）傳統51 系列單片

從內部硬件到軟件有完整的按位操作系統，稱作位處理器。處理對象是位，不是字或字節。其優點：對片內某些特殊功能寄存器的某位進行傳送、置位、清零、測試等處理，進行位的邏輯運算，功能完備，使用方便；在片內RAM 區間開辟一個雙重功能的地址區間，使用靈活；乘法和除法指令為編程帶來便利。其缺點：內存較小，AD、EEPROM 等功能需要擴展，增加了硬件和軟件負擔；I/O 腳高電平時無輸出能力；雙數據指針等運行速度慢；保護能力差，易燒壞芯片。

2）STM32 控制核心

STM32[6-9]大小為32 bit，具有外圍接口豐富，模塊化的單片機程序，接口相對簡單，自身攜帶很多功能，工作速度快；集高性能、實時性、數字信號處理功能、低功耗、低電壓于一身，且保持高集成度和開發簡易的特點。經綜合比較、評價，該方案選擇STM32控制核心。

1.2 數據檢測采集芯片

1）ATT7022E 芯片、電流互感器和電壓互感器

電能信息采集模塊主要由電能采集芯片ATT7022E、電壓互感器、電流互感器組成。負責采集電壓、電流數據，并轉化為功率、電能信息，將用電信息存儲于ATT7022寄存器。該芯片可用于三相交流電、單相交流電采集，ATT7022E集成七路Sigma-deltaADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數及頻率測量數字信號處理等電路，能夠測量各相以及合相有功功率、無功功率、視在功率、有功能量、無功能量、各相電流、電壓有效值、功率因數、相角、頻率等參數，滿足單相用電器監測裝置的需求。

2）CS5463 計量芯片

CS5463[10]內部的兩個可編程放大器可采集電壓和電流數據，Δ-∑調制器對模擬量進行采樣處理，高速數字低通可選高通濾波器濾取可用電壓、電流數字信號，通過功率計算引擎來計算功率、電壓、電流，并將計算值通過串行接口進行輸出，并接STM32進行分析。

該方案采用ATT7022E 芯片、電流互感器和電壓互感器搭建。

1.3 顯示模塊

1）0.96 寸OLED

OLED 對比度高、耗電低、反應速度快，但其價格較高，且尺寸不能展示所有參數、識別結果及多個內容。

2）1.8 寸TFT

TFT 顯示器響應度、亮度、對比度均較高，能較好地顯示識別出來的參數。

經綜合比較、評價，該方案采用1.8 寸TFT。

1.4 機器識別以及學習方式

1）羅列法

需要輸入較多組數據，不夠簡便。

2）算法窮舉法

輸入七組后，通過算法將各種組合窮舉，無法在清空后重新學習。

3）基于感知機模型[11]機器的學習法

采用最小二乘法確定w初始值，使用減少遞歸次數的口袋算法來遞歸計算w值，二次分類在七分類場景中為避免ovo 無法識別某些場景的弊端，避開了ovr 共21 組對抗計算，屬于ovr 簡化模型。提前利用搜集數據訓練模型得出w，將要學習的新數據導入若新數據，使用w可以得出：若新數據的分類不正確則正確數據不變(得分低)，則加入新數據，重新遞歸。遞歸結果w得分比原來高則使用新w，比原來低則使用原模型，并將新數據導入存儲數據庫。在電氣歐幾里得空間中使用感知機算法畫出決策構建沃羅諾伊圖。

經綜合比較、評價，該方案選擇建立基于感知機模型機器學習法。

2 系統設計

2.1 主電路設計

如圖1 所示，在插排上插上不同用電器，通過電流互感器，將信號傳輸給ATT7022E 芯片，芯片將特征參量識別并傳輸給STM32，經識別后輸出結果。

圖1 主電路設計圖

2.2 系統學習模式

主機以STM32 為主控制器，通過SPI 與ATT7022電能采集模塊進行通信。ATT7022 模塊負責采集用電器電源電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等參數。學習模式框圖如圖2 所示、識別模式框圖如圖3 所示，根據有功功率、功率因數判斷用電器狀態，經過建立感知機模型，能夠學習或識別出參數。在識別模式下，可以識別已學習的用電器，并在識別到陌生用電器時顯示無該用電器類別。

圖2 學習模式框圖

圖3 識別模式框圖

2.3 程序設計

所設計的程序需具有識別、學習能力，及彩屏顯示、無線傳輸模數轉換功能。主程序流程如圖4所示。

1）ADC 設計：采集電路中用電器電壓、電流、功率、功率因數等特征參數，將其轉換成數字量。

2）顯示設計：顯示用電器編號、工作狀態、電流值、電壓值等。

3）感知機設計：基于可學習記憶的智能識別模型聚類分析[12]，對于每一組標準數據，求其質點以及最小分類E的值，以質點為圓心，到最遠點的距離加E為半徑的圓球空間稱為基本識別空間。對于每一組數據，其最小識別空間與其他組數據的最小識別空間沒有重疊，稱為基本類（擁有關于電器參數歐幾里得空間的獨立空間)。對于不同組，且都包含于某基本類中，存在N，使得不同組重合度低于N%，則稱為該基本類的特殊類（由OVR 模型感知機核算法區分[14]）。對于每一種電器，由國家制定或行業規范的參數形成某一種電器的歐幾里得空間，處于該空間類的某一測試類數據稱為規范數據，否則稱為非規范數據[13]。實現方法為單一電器數據集輸入，尋找最小識別空間（確定各個電器的空間分布和位置）。由已輸入大量數據組成的電器參數歐幾里得空間查找基本類，然后對于每一基本類再確定特殊類[15]。

2.4 多檔位自動切換電流采樣電路硬件設計

由于所需電流變化范圍較大，對于毫安級電流，采用傳統的電流采集模塊無法實現精度要求，所以考慮設計高精度的電流采樣電路。其原理：多檔位自動切換電流采樣的主要原理基于電阻降壓法，對電流流經標準電阻上產生一定的壓降進行采樣，通過切換電路的不同阻值實現量程的切換，再通過精密整流電路進行全波整流，最終使得輸出給STM32的ADC 信號限制在0～3.3 V 之間。基于STM32 實現檔位自動切換，電流通過互感器輸入采樣電路后，首先接入大電流檔位，若此時信號端采集不到信號，則給STM32 施加控制信號使量程下降一個檔位，再收集信號。若仍獲取不到信號，則繼續施加控制信號切換檔位，以此類推。多檔位自動切換采樣電路圖如圖5 所示，精密整流電路如圖6 所示。電路可實現5 mA～10 A 電流范圍的采樣，設置5 mA～0.5 A、0.5～1 A、1～10 A 三組量程，符合設計要求。

圖5 多檔位自動切換采樣電路圖

3 測試方案及測試結果

3.1 測試方案

1）硬件測試

搭建各個模塊的實際電路，將各個模塊通過杜邦線連接起來，用數字萬用表對各電路的參數進行測量分析，并記錄結果。

2）軟件測試及基于感知機實現的機器學習法測試

使用Altium Designer 繪制電路原理圖，另外使用Multisim、LTSpice 軟件進行仿真測試，再將測試結果與實際電路進行對比，并記錄結果。采集輸入信息，確定輸入點所屬類別，對于每組基本類建立基本質點，特殊類建立特殊質點。對于全部基本類質點建立基本類沃羅諾伊圖，邊界為無窮遠處；對于特殊類質點建立特殊類沃羅諾伊圖，邊界為基本類邊界。能夠快速鎖定某一點的從屬類別，對于某基本類中特殊類的最小E半徑相似圖集有不錯的效果。對于每組輸入的電氣參數向量，通過泰勒多邊形快速查找所屬類別。如果該向量同時屬于多個特殊類，則無法用某一特定的特殊類標定該組數據類別，只能標定其為基本類。即存在某兩種電器，其電氣參數相同，只能標定屬于某種類別的大功率或者小功率電器，無法識別具體電器類別。

3）硬件軟件聯調

利用STM32 編輯或修改程序，使芯片AD 口采集并轉換電路中的特征參數，再利用顯示屏進行顯示，不斷測試并檢查數據，當發現數據出現異常時，調試程序并修改電路，直到得出正確結果。

圖6 精密整流電路

3.2 測試條件與儀器

1）測試條件

仿真電路和硬件電路與系統原理圖相同，經檢查電路無虛焊、無短路，測試儀器詳見表1。編號1-7 依次為自制用電器、功率為3 W 的節能燈、功率為5 W 的節能燈、功率為20 W 的用電器、功率為48 W的節能燈、功率為120 W 的電烙鐵、功率為600 W 的電煮鍋，用電器測試結果如表2 所示。

表1 測試儀器

2）測試結果分析

電路可接多個負載并正常工作；采集模塊正常工作時能夠采集數據、轉換成數字量傳輸給STM32；顯示模塊可以正常顯示，且可以同時顯示多個內容；通過區別用電狀態即可以識別出正在工作的用電器。

4 結束語

該文提出的用電器分析識別電路設計，解決了用電器分析識別時需要記錄較多參數進行學習才能分類的問題。通過理論計算分析設計了一種較為簡便且具有學習功能的用電器分析識別電路，實現了5 mA～10 A 之內較為精準的測量和識別，實驗結果證明了該方案滿足設計要求。