【《基于树莓派开发平台的家用电器监测系统设计与实现》11000字】

PAGE基于树莓派开发平台的家用电器监测系统设计与实现摘要现如今家庭用电已经成为整个社会中最主流的用电部分，为了能够综合性的对家庭用电过程中所涉及到的诸多电性能进行统计和分析，有必要开发出一款适合低压电路工作状态的家庭用电电器检测系统。在本次毕业课题中，我基于非侵入式负荷监测系统来完成了这个设定要求，并通过相关的软件将这些数据存储下来，以供后续分析，本次毕业课题的核心是基于非侵入式负荷识别的前提条件对多特征的电器数据采集，在软硬件的开发过程中，针对家用电器检测系统的实际开发要求，对各种不同的电源芯片和它们的连接情况进行了优化。其中电源管理芯片采用的是MP1584来保证整个电源的稳定和对电压的控制。采集采用的是ATT7053AU芯片来完成对系统开发要求所涉及的电压和电流进行采集，同时在软件的设计上面采用双缓存储存机制来保证家用电器检测系统所要求的长时间连续读写要求。从最后的实际分析阶段来看，本次毕业课题所开发的家用电器系统和市场上常见的家用电表在数据分析和统计上面具有高度的一致性，表明了本次开发的家用电器系统的准确性。因此，很好地完成了本次毕业课题所要求的具体内容。关键字：非侵入式负荷监测系统；家用电器检测；数据分析；信号处理目录一、绪论 11.1课题背景和意义 11.2国内外研究现状 11.2.1国外研究现状 11.2.2国内研究现状 21.3主要内容 3二、家用电器设备的主要特征分析 42.1电器数据的特征类型 42.1.1不同电器设备的功率曲线 42.1.2电流数据特征 52.2非侵入式电器特征的选择 8三、系统硬件设计 93.1系统的整体框架 93.2电器数据采集终端 103.2.1核心开发平台 103.3主要硬件模块 11四、系统软件设计 154.1软件驱动模块 154.2采集频率的设置与嵌套 154.3双缓冲的实时存储结构 16五、系统的制作与分析 185.1采集系统的仿真图 185.2校准结果的实测 185.3用电负荷的实际运行数据分析 21总结 23参考文献 24一、绪论1.1课题背景和意义电力是现代文明得以延续的根本能源保障REF_Ref63613190\r\h[1]。它在我们的生产和生活中被无时无刻的使用着。随着我国社会主义现代化和城市化的进程，我国的每年用电量在不断地增加，其中对于大多数老百姓而言，我们使用的电力主要是低压电力系统，但是由于低压具有较高的能源损耗问题一直是电力使用行业中的重点难题。因此，在与居民用电为主要应用场所的中低压配电网系统中一直强调多环节的节能政策，它是推动资源节约应用的关键性措施REF_Ref63613193\r\h[2]。国家电网在这方面一直大力提倡开展全覆盖全采集的用电信息采集系统，其中在十三五规划期间将嵌入式系统的智能监测和信息处理手段提高到了一个新的高度，希望能从全局意识中对家用电力系统进行智能化检测REF_Ref63613197\r\h[3]，从而引导用户可以实现错峰用电的习惯，希望通过家用电器监测系统来实现对家庭耗电分析的综合可视化研究，以引导老百姓建立符合社会发展的节能习惯，因此在这种背景下，关于电力损耗数据的采集和家用电器监测系统的开发一直是极为迫切的一个研究领域REF_Ref63613201\r\h[4]。随着物联网技术的迅猛发展，用电器的智能化水平越来越高REF_Ref63613207\r\h[5]，在电能大数据背景下，用电器状态的分析与监测是智能电网的重要组成部分，显得尤为重要。用电器的分析监测方法主要分为侵入式和非侵入式两种REF_Ref63613211\r\h[6]。传统的侵入式监测方法为了获取电能数据，需要在每个用电器上都安装电参数采集装置，当被监测系统内有多个用电设备时，成本太高，维护和管理也不方便REF_Ref63613216\r\h[7]。为了解决以上弊端，提出了非侵入式监测方法，利用算法分析被监测系统的电参数，从而判断各个用电器的种类和工作状态，对硬件要求较低，主要依靠强大的数据库和数据处理算法。近年来，国内外高校和研究机构纷纷投入到用电器非侵入式监测技术的研究当中REF_Ref63613218\r\h[8]。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状非侵入式负荷监测系统最早是美国麻省理工学院的Hart教授提出的一个概念REF_Ref63613224\r\h[9]，其主要目的是通过最少的实施设备，来实现对家庭用电的综合监测，从实现的原理上来看REF_Ref63613227\r\h[10]，它是以一赫兹的较低采样频率来收集电力系统中的有功功率和无功功率，从而建立起家庭用电系统的二维P-Q复功率模型。从而判断单个设备的启用或停止状态，这种方法是最早被应用在家用电器检测系统的一种模式，其结构相对简单，但是在处理家庭用电系统中的大量设备的过程中存在不足。它只适用于简单的模型，适合建立研究实验室阶段，对现实生活中的设备没法很好的模拟REF_Ref63613231\r\h[11]。ZicoKolter等人研究了REDD数据集采样方法REF_Ref63613236\r\h[12]，它通过较高的采样频率来实现对数据的收集，从研究的结果来看，采集时间可以连续稳定的工作超长时间，并可以实时的反应研究对象中每个时间的电流、电压和有功功率之间的关系REF_Ref63613240\r\h[13]，同时设置的相关低频采样系统对数据进行对比了，最后证明了采用高频采样方法在家用电器检测系统中的可行性和信号准确度，提出了基于因子隐马尔科夫的数据负荷分解模型。KyleAnderson等人提出了BLUED数据集家用电器采集系统开发模型REF_Ref63613245\r\h[14]，作者对实际家庭用电环境中的居民为单位进行研究，通过对时间信息的采集来确定每个设备之间的运行状态，并将其转化为特定的电器标识符，使用广义似然比的方法来实现对家用电器运行状况切换的模拟和分析。JackKelly等人研究了UK-DALE采集模型REF_Ref63613249\r\h[15]，从研究结果来看在数值上和REDD数据集高度一致，但是使用的是更低频率的采样分析方法，在实现的原理上是使用一个具有高采样率的声卡来实现功能。采样过程采用44.1KHz进行数据的采集REF_Ref63613255\r\h[16]，然后通过相应的转换将其转换为16KHz，并进行后续的分析，在整个模块的仿真分析来看，可以和多种不同的电器设备，进行兼容具有较高的复杂度REF_Ref63613258\r\h[17]。1.2.2国内研究现状在我国关于电器设备的检测开发，主要是在本世纪中关于智能电网和智能家居概念的不断兴起和发展的一个学科REF_Ref63613265\r\h[18]，例如天津大学的教授它们通过对基于稳态谐波分析的负荷分解方法来构建数学化模型REF_Ref63613270\r\h[19]，通过快速的数据采集卡收集信息，并将其通过内置的算法，迅速进行傅立叶变换来分析数据，从而获得高次谐波分量。上海电气学院的教授在美国的研究基础上REF_Ref63613275\r\h[20]，采用高的数据采集频率来收集信息并进行数字化建模分析，从而从电流过程中剥离出谐波特征，并且在思路上还采用和国外研究人员类似的想法REF_Ref63613281\r\h[21]，通过建立一个超低频率的有功功率采集信号来对家用电器设备的运行状态进行分析，以获得综合性的研究结果。这种思想也在重庆大学的刘然教授中得以体现REF_Ref63613285\r\h[22]，重庆大学刘然教授它将采样频率进行进一步的提高（5KHz），并通过可移动画窗口来对设备的运行状况进行识别，最后基于邻法（KNN）和支持向量机（SVM）相结合的多层分类模型对家用电器的实际状态进行模拟和分析，是当前我国科研领域中的集大成者REF_Ref63613288\r\h[23]。因此，从总的分析上来看，我国在家用电器检测系统的开发中已经算取得初步成效，建立了相对完善的采集模型REF_Ref63613294\r\h[24]。从方法上来看，大多是采用专门的信号记录仪和数据采集卡，配合相应的数字化软件来完成对电器设备的监测和数据采集工作，最后将这些数据导入到自己所开发的家用电器检测系统中，来完成对整个功能的实现从实际的产品上来看，目前已经做到了具有高采集、高精度和高便携性的特点，在一定程度上已经能够形成闭环的生态系统REF_Ref63613298\r\h[25]。1.3主要内容本次毕业课题是关于家用电器检测系统的开发和调试工作，我将基于现在最流行的非侵入式负荷模型为前提，开发出一种适合家庭和宿舍等常见的低压用电环境下的家用电器检测系统。通过对数据采集系统的选取来完成一套可以被长期且稳定运行的家用电器检测系统，并且通过相关的数字化分析将这些信息导入到后续的数据存储和分析过程中，以支持其它配件对本次系统的兼容性数据分析。在本次毕业课题中，我将采用市面上常见的树莓派作为整体的开发模型，通过其具有的较快处理速度和存储硬件空间来完成本次毕业课题的所有项目实践REF_Ref63613301\r\h[26]。二、家用电器设备的主要特征分析在设计整个家用电器检测系统中，最重要的就是可以通过自身的算法，来实现对家用电器设备中的设备进行识别和检测它的瞬间负载功率，因此整个家用电器系统的核心在于对这些电器的特征信息进行收集，并通过自身的数据采样率和家用电器识别算法来检测单个设备的实际使用情况，只有通过丰富的采集功率信息才能够有效地提高整个家用电器检测系统的检测精度，是整个家用电器检测系统的核心和最重要组成部分，因此，在本章节中，我首先分析家用常见电器的主要运行特征和在识别算法上的特点REF_Ref63613304\r\h[27]。2.1电器数据的特征类型在常见的家用电器检测系统中，大多数科研单位都是使用单一特征变量来识别电气设备，也就是常说的单特征来确定单算法的过程。但是由于大多数的家电系统可能在某个时间段内表现出相同的电器特征，因此只设置一个特征模型可能会降低整个家用电器检测系统的精度，因此在本次毕业课题中，我通过电流波形和有功功率这两个不同的电器特征来对家用电器进行检测。通过这两个完全不同且不相关的瞬态特征变量来综合性识别家用电器的类型REF_Ref63613309\r\h[28]。2.1.1不同电器设备的功率曲线所谓功率信号就是指在单位时间内单个家用电器所产生的实际能量消耗，它是常见的家用电器检测指标，从数据的类型上来看可以被分为有功功率和无功功率这两种不同的类型REF_Ref63613314\r\h[29]。其中有功功率是在某一个周期内瞬时功率的一个平均值。在查阅了相关的文献之后，我发现常见的家用电器的功率曲线大致上可以分为如下三种，它们具有完全不同的数字化结构，因此可以简单的进行区分。图2SEQ图\*ARABIC\s11不同电器设备的功率曲线(1)ON/OFF型：此类电器只有两种工作状态（打开ON、关闭OFF），运行模式单一，日常生活中常见的日光灯、电热水壶等都属于此类REF_Ref63613320\r\h[30]。(2)有限状态型：电器存在着多种状态，并且可以在某些状态之间进行切换，因此功能设计上更丰富。例如洗衣机、电风扇、吹风机等REF_Ref63613323\r\h[31]。(3)连续变化型：运行时没有固定的功率曲线，电器内部结构复杂，多个状态之间改变时没有明显的变换信号。此类包括空调、自动调光灯等REF_Ref63613325\r\h[32]。而大多数时候家用电器总是以多个设备同时开启的状态在运行的。因此在上述的功率曲线中总是以多种不同的模型相互叠加而成，只需要通过特定的算法将其分解为单一的模型就可以对这些设备进行单独的识别，在实现的方法中，目前常见的是利用最优化方法求取一组合理的权重系数对总复合情况下，单个设备的实际负荷情况进行拆分模型，它的主要计算公式如下REF_Ref63613331\r\h[33]。min其中，P代表当前的总功率;Pi的代表设备数据库中第i个设备的额定功率；E为目标函数下的最小残差。这种模型的计算方式是通过对所收集到的电器信息进行检索来获取当前总负载情况下，单个设备的实际实际使用情况，因此为了在最快的时间内获取到最正确的数据分析需要具备一个完善的负载特征数据库。目前已有开发人员对这些数据全部进行了开源处理REF_Ref63613335\r\h[34]，所以在使用的时候省去了我们开发的难度。但是这个模型也存在着较多的不足，例如如果某个设备的实际使用功率特别小，那么它的一些特征函数就会被正常使用的功率设备所掩盖，无法准确的进行分离，因此必须特别注意这个地方的使用情况REF_Ref63613337\r\h[35]2.1.2电流数据特征电流和电压都是常见的对单个设备的负载使用情况进行分析的数据，它们具有较高的数据检测准确度，其中电流是一种最常见的检测手段，由于电流在变化过程中具有各谐波分量，因此在实际使用过程中会根据设备的不同情况表现出显著的差距，这种差距可以很好地对单个设备的实际工作情况和特征进行分析，特别是在家用电器系统中，由于家用设备的复杂性造成整体设备具有较多的不一致和特征性，因此其电流数据会额外的显示其本身的数据特征。在获取了这些数据特征之后，大多数情况是通过傅立叶变化来描述当前该设备的工作状态，整个处理方法可以使用如下的数据计算模型。i其中，I0为电流的直流分量，Ik对应着第k次谐波的有效值，βk对应着当前的有效值，ω0称为基波频率，常见的是50Hz白炽灯白炽灯是最常见的一种家用照明设备，能源损耗相对严重，设备特征上看是一种线性负载设备，从电流波形图上看是一种典型的正弦波形图，这是白炽灯的主要特征REF_Ref63613346\r\h[37]。图2SEQ图\*ARABIC\s12白炽灯电流波形及频谱图节能灯节能灯虽然和白炽灯一样都是用来照明的设备，但是它们具有完全不同的实现原理，这主要是由于节能灯里面加入了完整的滤波电路，可以通过自带的电子镇流发生器来实现设备的发光，并且只要点亮之后，只需要较低的电压就可以不断地工作。这使得它的电流波形图是比较复杂，内部加入了较多的谐波信息，同时从它的频率信息上也可以看出，它是一种奇次谐波，具有较广的范围内REF_Ref63613350\r\h[38]。图2SEQ图\*ARABIC\s13节能灯电流波形及频谱图电脑主机电脑主机是现代化的一种产物，其内部的结构相当复杂，是多种不同的电击元件的一种结合体，从它的电流输出特征上来看具有大量很明显的毛刺现象，但是当电脑主机正常工作的时候，由于内部包含了大量的电容和电感，因此其谐波特征相对丰富，其中第三次和第五次具有较大的一个数据占比，是它的一个主要特征REF_Ref63613354\r\h[39]。图2SEQ图\*ARABIC\s14主机电流波形及频谱图吹风机电吹风的实践原理是通过其内部的空气压缩机对空气进行压缩，然后对外推出疯得一个设备，如果吹风机只是以冷风的形式对外输出的话，就是感性设备，如果它加入了加热功能那么就是一种阻性设备，因此它的对外输出波形相对复杂。电流在某个时间内会发生突然的降低和快速的上升现象，从整体上来看和白炽灯的电流波形图有一定的相似程度。同时，如果电吹风使用了不同的单位，那么它还会经过一定的调整来快速改变自身的工作状态，因此从频率上来看，具有较为丰富的偶次谐波信息。图2SEQ图\*ARABIC\s15吹风机电流波形及频谱图由此可见，在常见的家用电器设备中不同的设备之间的电流存在着较大的差异，其中白炽灯主要是一种线性负载设备，它的电流波形图呈现的正弦特征，而其它的诸如节能灯、电脑、主机、电吹风等其它设备都是常见的非线性设备，它们的主要特征在于其谐波分量包含了大量的自身结构特征，是可以进行特征性分析的主要数据特征。2.2非侵入式电器特征的选择通过上述的分析我们对常见的加工设备的特征进行了描绘，接下来就需要结合这些特征来选择非侵入式电器采集设备，从而完成本次毕业课题的家用电器检测系统。在文献综述的研究中，我发现现在常见的一种负载分析方法是通过模式识别或大类型综合分析的方法来实现对电器设备的有功功率、电流波形数据、谐波分析。因此在整个非侵入式电气设备的选择过程中，应当首先使得设备发出的频率可以完整地捕捉到整个家用电器采集的主要特征，只有这样才能完成对它的识别和分析。同时，应当在保证不明显增加整体设计能难度的条件下尽可能多地具有数据采样分析率。在本次毕业课题中，我们主要是考虑了第10次的谐波信息，并对其进行研发。因此综合分析，本次在低频部分使用的是10Hz的低频信号来对有功功率信号进行采集，同时采用2kHz的高频电流信号对电流、谐波进行分析数据，从而完成对非侵入式电力负荷的分解REF_Ref63613360\r\h[40]。三、系统硬件设计3.1系统的整体框架本次毕业课题是关于家用电器检测系统的开发和调试工作，我将基于现在最流行的非侵入式负荷模型为前提，开发出一种适合家庭和宿舍等常见的低压用电环境下的家用电器检测系统。通过对数据采集系统的选取来完成一套可以被长期且稳定运行的家用电器检测系统，并且通过相关的数字化分析将这些信息导入到后续的数据存储和分析过程中，以支持其它配件对本次系统的兼容性数据分析。它的整体结构如图所示。图3.1系统的整体框图本次毕业课题所发明的家用电器检测系统整体上可以分为底层驱动设备、软件部分和数据处理部分。底层驱动设备我是采用ATT7053专业电能计量芯片来完成数据的采集工作。它可以为整个系统提供电力的同时，将家用电器的电侧电压和电流幅值转化为本套系统中可以使用的信息，并将其引入到整个家用电器检测系统中，在软件部分采用的是双缓冲储存机制来完成对数据的驱读写，并将其收集到的信息存储到机器内部。而数据处理模块主要是对收集来的信息进行一定的分析存储、降噪等功能。3.2电器数据采集终端本次设计的家用电器检测系统的采集部分是整个硬件的基础部分，它主要包括了主控开发平台、采集芯片、电源管理、采样电路等核心模块，并按照功能的不同分为电器数据采集单元和电器数据处理单元。它的整体结构如图所示。图3.2采集终端的设计框图3.2.1核心开发平台本次开发使用的是树莓派开发平台，它是通过定制的Linux系统开发而成的一种小型计算机，它相比于传统的嵌入式系统，省去了配置bootloader等繁琐的底层操作，同样拥有丰富的硬件接口和较为强大的运算能力。同时，可以使用多种不同的汇编语言来进行程序的编写和开发工作，因此，整个系统在实现功能的同时具有较简单的硬件结构和开发周期，比较适合对家用电器系统的开发工作，本次使用的树莓派的其它硬件信息如下所示。BCM2837处理器1GB内存10/100M自适应网卡低功耗蓝牙4.1(BLE)可拓展的MicroSD卡插槽40PINGPIO接口实物照片如图所示。图3.3本次开发平台3.3主要硬件模块3.3.1采集芯片为完成本次家用电器检测系统采用钜泉光电的高精度专用计量芯片ATT7053AU，它需要完成对输出有功功率和获取电流的实时波形数据，即完成计量和A/D转换两种功能。本次毕业课题选择的TT7053AU可以输出两路的有功功率、无功功率计量数据，同时完成电流和电压的采样并保持电路在三通道的ADC采样过程中的数据输出，同时这个芯片还可以方便的完成对电流信号中的直流成分过滤作用，减少U、I失调引起的功率误差，它的整体模块结构如图所示。图3.4芯片内部模块图它的对应引脚名称和编号如图所示。图3.5ATT7053AU的引脚图在本次毕业课题中所使用的具体功能主要为电源引脚、时钟引脚、采样输入引脚、SPI通信引脚。它们的具体功能实现为：AVCC：芯片供电管脚，模拟电源输入；AGDN、DGND：分别代表模拟地、数字地；XTALO、XTALI：外部晶振5.5296MHz的输入引脚；V1P、V1N：电流通道#1的正负输入，量程±800mv；V2P、V2N：电流通道#2的正负输入，量程±800mv；V3P、V3N：电压通道的正负输入，量程±800mv；CF1、CF2、CF3：分别代表P、Q、S的电能脉冲输出；SPICS、SPIDI、SPIDO、SPICLK：SPI通信的连接线；3.3.2数据取样电路由于本次毕业设计所开发的家用电器检测系统是在家庭或学校这种常见的工作场景下的一种检测系统，因此，大多数设备都是接在220V的家用电工作条件下，但是我所选用的采集芯片是一种对工作电压相对较低的设备，因此必须要对整个电压进行一定的处理，否则根本无法工作，而对数据进行处理的方式，目前主要可以分为直入型和隔离型这两种，由于直入型虽然结构相对简单，但是会增加产生漏电的风险。同时，隔离型是这种可以彻底的把电器设备进行隔离，也不需要把高压电和大电流进行连接，因此从本质上来说，不仅可以实现对电压的降低，同时可以带来更好的安全性。因此在本次毕业课题中选取的是隔离型采集电路设计方案。电流互感器采用的是CT型宽频线性互感器来实现10Hz-100000Hz内的电流感应，并将其转换为电压信号，整体的设计电路图如图所示。图3.6电流采样电路在本次毕业课题中采用的是OPCT10AL型CT型宽频线性互感器，它的变比是3000:1，输入交流220V/50HZ，输出交流12V/50HZ。3.3.3电源管理模块电源管理芯片是对整个家用电器系统的接入电源进行综合管理的一个模块。它主要是对整个系统中诸如树莓派、采集芯片和开关指示灯等设备提供能量的一个模块。同时在电路中需要将家用的常见220V电力转化为12V的工作电压，因此需要对整个单元管理模块进行严格的设计。本次设计采用整流桥芯片DB157S，并附加470uF/35V的电容进行滤波处理。它的工作电路如图所示。图3.8交流电压的全波整流电路图本项毕业课题采用开关电源模式的电源管理模块，具体型号为MP1584，通过MOSEFET来控制开关管的导通与关断，最高工作频率可达1.5MHz，可配置输出电压为1.8V图3.9电源芯片及其外围电路原理图四、系统软件设计4.1软件驱动模块按照上述设计就可以完成了本次开发的家用电器检测系统的硬件部分，接下来就是需要针对这些硬件部分设计对应的软件驱动模块，从而对整个系统进行开发。在本次毕业课题中采用的是对数据进行采集的同时对数据进行分析的单线程处理模式，这种模式是当采集设备采集到对应的数据之后，马上对数据进行存储和分析处理。它的优势是可以把采集部分和处理部分进行单独隔离，从而方便后期的维护和其它功能的添加。4.2采集频率的设置与嵌套在本次开发的家用电器检测系统是采用C语言来进行编写的，其中采集频率的设置是通过设置相应的寄存器FreqCFG实的，主要是将SPL[2:0]三个标志位置0或置1，具体参数如下所示。图4.1设置采集频率的相应寄存器本次开发的家用电器检测系统采用的是对数据进行采集的同时对数据进行分析的单线程处理模式，采用嵌套中断处理的方式来完成对不同频率信息的采集，它的实现原理是由芯片将整个采集电路中发射出明确的采集信息之后，如果整个过程中触发到需要进行判断的特定标识符，那么整个家用电器采集设备就会根据中断函数中所对应的数据来重新获取新的中断任务，并将这些数据先放在buffer里面，同时还设置了相关的优先级来区分人物的主次关系，它的整体流程图如图所示。图4.2中断嵌套处理流程图4.3双缓冲的实时存储结构众所周知，数据采集、处理和存储对整体开发设备的系统占用和处理时间存在很大的差距，特别是对于数据存储而言，由于数据存储所本身需要的时间相对造成，因此，如果等到数据完全存储好了再进行下一步，那么就很有可能在这个过程中造成大量数据的丢失，因此为了要增加整个家用电器检测系统的准确性，必须要设置一个专门的双缓冲实时存储结构来对整个开发系统的数据存储精度进行保证。在本次毕业课题在中采样率为1.8KHz，因此必须增加专门的高速存储时保证数据采集的连续性。它的实现流程图如图所示。图4.3双缓冲处理流程图这个过程实现的基本逻辑是设置了两个完全一样的缓冲区域来对数据进行存储。它先首先被保存在A区域，如果这个区域检测到已经满了的话就会向系统发出一个中断命令并记录下当前时间，然后将这个区域转化到B区，并进行继续数据存储功能，这样往复进行就实现了对整个硬件采集芯片所收集到的信息的全面且连续性读写，保证了整个家用电器检测系统在数据分析过程的准确性。

五、系统的制作与分析5.1采集系统的仿真图完成了上述对于硬件和软件的双重开发工作之后就可以根据这些细节来完成对整个实物的制作，首先完成的是整个PCB板的制作，它的大小和树莓派的大小是完全一样的，这样可以重叠在一起，不浪费空间并具有较好的硬件集成度，整个PCB板如图所示。图5.1数据采集系统的PCB图在完成了整个PCB板的制作之后，就可以通过特定的程序把本次开发的家用电器检测系统写入到整个系统中，并将诸多的采集设备连接起来，从而投入运行。连接完之后的整体实物照片如图所示。其中网线部分是用来连接树莓派的实体连接部分，只要当系统开始工作之后也可以将网线直接拔掉，不影响程序的自然工作5.2校准结果的实测为了对单一设备在实际使用下的误差进行分析，我采用实验室中常见的一些设备对整个开发的家用电器检测系统进行实时的分析检测，其中这些设备都被连接在同一个插板上，并工作10次，取平均值来表征本次开发的系统的数据准确性。本次设备所采用的主要实物照片如图所示。图5.2测试用的电器实物图这个测试过程是连接了一个安科瑞的三相电子式多功能电能表来检测设备的电压、电流和功率之间的关系，然后和我所开发的家用电器检测系统进行对比。参照电表的实物照片如图所示，它们的检测结果如表所示。图5.3参照电能表的实物照片

表5.1有功功率误差表标准表读数(W)芯片测量值(W)误差(基于0.5S)白炽灯39.539.650.37%节能灯24.024.190.80%台式机主机52.052.260.51%美的电风扇40.040.250.63%液晶显示器29.529.720.75%飞科吹风机（冷风）390.0391.320.34%飞科吹风机（热风）1442.01444.160.15%美的饮水机298.0298.60.20%格力空调（制冷）3015.03020.430.18%

表5.2电流有效值误差表标准表读数(A)芯片测量值(A)误差(基于0.5S)白炽灯0.170.17020.12%节能灯0.110.11050.41%台式机主机0.250.25050.21%美的电风扇0.170.17050.27%液晶显示器0.130.13040.33%飞科吹风机（冷风）1.721.72240.14%飞科吹风机（热风）6.486.48520.08%美的饮水机1.321.32140.11%格力空调（制冷）13.4013.41340.10%由于本次所采用的参考电表本身就具有一定的误差，从上表的分析可以看出，由此可以得出本次开发的家用电器检测系统的准确性是相对较高的，基本上完成了本次毕业课题的基本要求。5.3用电负荷的实际运行数据分析在上面的分析是对单个设备的短期使用效果进行分析，而本次设计的家用电器检测系统是需要长期的不间断的使用，因此结合这些特点，将多种不同的设备同时开起来，然后使用本次研发的家用电器检测系统进行连续程序监控，以20分钟为一个时间跨度对它们的功率进行描绘。它的结果如图所示。图5.4大小功率电器混合运行时的功率曲线在上诉中的测试过程中记录了打开某个设备的实际时间，并把它们在整个功率区线进行对比，可以发现几乎所有设备都开启和关闭的特征都被很好地分析出来，其中小功率设备由于其功率较小，在开关过程中所引起的电功率波动较大，而大功率由于是间歇性工作，因此其变化周期相对较短，但是其功率的增加和减少性比较大的。但是综合来看本质开发的家用电器检测系统很好地完成了设计的要求的要求。

总结在本次毕业课题中，我们基于家庭用电过程中的功率和电流特点完成了一种家用电器检测系统的开发，才采用非侵入式负荷识别算法的加持下，完成了对设备的综合性设计。从总体的结构上来看，本次设计被分为硬件、软件和数据三个模块。我在每个章节都对它的结构进行了完整的阐述从最后一章节的实际分析来看，较好的完成了本次毕业课题所要求的家用电器检测系统。其中，本次毕业课题对负荷监测过程中电器运行的特征进行了分析，并提出了采集有功功率和电流数据的需求，在本次毕业课题设计中的有功功率是以较低的频率（10Hz）来进行采集，而电流信号是通过1.8KHz频率进行采集，并将其所收集到的信息，同时发送到PCB模块中以数据的形式存储下来。参考文献张谊.一种用于家用电器的交流电压过压检测系统的设计[J].日用电器,2018,(10):79-81.罗贤东,张民.家用电器生产流水线自动检测系统[C].//中国仪器仪表学会.仪器仪表学报.2005:233-234.王友仁,鲁世红.家用电器用异步电机商检线计算机检测系统[J].工业控制计算机,1996:37-40.罗贤东,张民.家用电器生产流水线自动检测系统[J].仪器仪表学报,2005,26(8):2036-2037.罗贤东,张民.家用电器生产流水线自动检测系统[J].仪器仪表学报,2005,26(z2):233-234.毛安平.浅析虚拟仪器技术在家用电器检测中的应用[J].电子制作,2019,(8):98-100.陈定宙,ChenDingzhou,徐刚,etal.基于变频控制系统的电机温度检测[C].//中国家用电器协会.2012年中国家用电器技术大会论文集.2012:624-627.张雪梅.现代检测系统及发展趋势[J].商品与质量,2019,(38):2.张冠英,张晓亮,刘华,等.低压系统串联故障电弧在线检测方法[J].电工技术学报,2016,31(8):109-115.陈俊.家庭用电异常检测系统[D].重庆理工大学,2019.罗宇峰.家用电器安全综合智能测试系统的研制[D].广东:华南理工大学,2005.张洪照.基于脑波检测和物联网技术