单相用电器分析监测装置的设计思路

0前言电能是一种能源的形式，在电能使用越来越普及、用电器越来越多样化和对电参数要求越来越高的大背景下，为了让电能更加安全更加节能更加合理有效地使用，因此这样我们现在就急需要设计一种用电器分析监测装置。用以来实时地监测用电器的用电参数，为更加安全节能、合理有效地使用电打下基础。在本研究中，采用了一种叫做非侵入式负荷检测（non-intrusiveloadmonitoring,NILM）的方法，这是一种学术上的叫法。简单点说，这种方法就是获取大量的监测到的信息，与电能或者说用电器，甚至是变电站、建筑物的整个的负荷消耗情况，从而能够对这些信息加以分析和利用，这样进一步得到更加有用的信息。然后它能送到后台一些高级的应用程序，再做更深层次更进一步的处理。NILM能够方便的对负荷进行监测，所也这样就会节省很多的在安装和维护方面的成本。这样即节省了时间，又又节省下了金钱，满足了环保节约的理念。而对于电力用户，根据收到的这些负荷消耗的情况的数据进行分析，能够去除很多，或者说减少很多不需要的能源消耗，这样就相当于节能减排了。因此，有些人提到NILM将是未来的电力测量方面的一个重要的发展方向或者说趋势。在本次设计中使用了STM32这款单片机，设计出一块类似家用电表的装置，它切合了非侵入式负荷监测这个思想，虽然这看起来不过是很小很小的一部分，甚至称不上分析，就是简单的收集信息并显示。但是这样却能够的让人们更加的注重环保节约的意识，了解相关的用电信息，从而达到节能环保的目的，即节约电能的同时保护环境。

1单相用电器分析监测装置的设计思路1.1设计概述1.1.1设计背景近几年来物联网技术发展势头异常迅猛，此项技术已经渗透到我们生活中的各个方面，例如在智能家居、物流配送、环境保护、智能电力、医疗管理等地方。因此收集到更多的负荷消耗的信息或者说用电信息，从而达到一种庞大的数据量（简单的说就是大数据），再用这些信息去分析和利用，向上传送给更加高级的应用程序，让它们去进行协调配置，这样就能够更加合理，更加高效的去使用这些电能，因此我们才说用户的用电器状态的监测和分析将会成为未来电能管理的重要一部分。用电器的分析和监测方法分为侵入式负荷监测和非侵入式负荷监测这两种。侵入式监测方法是一种传统的负荷监测方法，毕竟它是一种监测方法。这样它为了获取更加详实更加完整的电能数据信息，就需要把电参数采集装置安装在每一个用电器上，所以如果当被监测地方（工厂，变电站）内部含有很多的用电器时，就能够造成成本太高的问题，当然在维护和管理方面也会造成很大的不便。所以为了去除侵入式监测方法的弊端，为了减少这些麻烦，减少这些人工成本。在它的基础上提出了非侵入式负荷监测方法，它是利用程序算法来分析被监测系统的电参数信息，它能够学习，能够记录用户用电器的信息，当这些个用电器在被使用的时候它又能够分辨用电器的种类，并显示相应的用电信息。从而工作人员或者说用户能够判断各个用电器的种类和工作状态，并作出相应的动作，减少不必要的投切。或者更高级的应用程序做出相应的判断，以达到节约电能的效果，从而保护环境。非侵入式负荷监测方法对硬件要求较低，一些个单片机或者处理芯片就能够胜任，但又不是那么简单，因为这又需要强大的数据处理算法和庞大的数据库来支持和配合。应该说最近这几年，国内、国外的很多高校和研究所都踊跃地加入到了这项技术的研究中来，毕竟节能减排，利国利民，，当然大家也获了一定的成就。1.1.2设计意义能源是人类生存和发展的基础，它与人类的生活息息相关，从茹毛饮血的远古时代，再到刀耕火种的农耕时期，再到如今信息大爆炸时代。可以说能源扮演者不可或缺的角色。火，电，水能，再到生物能，能源的重要性自不言而喻。当然能源亦是国家制定发展策略的重要因素。你能说能源现在供不应求吗？当然不能。虽然电能看起来随处可见。不夸张的说，能源危机，环境保护必然越来越重要。节约能源，发现新能源必将成为人们关注的焦点，而如何更加高效合理的利用能源成为了很多现代科学家们的关注的重心。众所周知，电能是人们日常生活最最常见，又最最方便的一种能源。小到电子芯片大到通讯卫星、航空母舰，都会见到电能的身影。与此同时，电能的消耗正在逐年的上升，在我们的人常生活中，有近半的生活能源来自于电能，以满足日常生产生活的开销。在可见的将来，在另一种高效合理的能源被发现之前，电能必将扮演者不可或缺的位置。环境恶化、节约能源，如此种种，能源的高效合理利用（尤其是电能）会越来越成为人们关注和研究的焦点。在电能使用越来越普及、用电器越来越多样化和对电参数要求越来越高的大背景下，为了安全节能、合理有效地使用电，我们需要设计一种装置。用以来实时地监测用电器的用电参数，为更加安全节能、合理有效地使用电打下基础。在本研究中，采用的这种非侵入式监测方法如被应用到智能电表的计量模块中，计算到各种家用电器的用电情况，再得到这些有用的用电信息，最后经过汇总和分析各类用电器的用电情况，发送给更加高级的应用程序，再进一步进行资源的合理高效利用。同时在这种大数据的情况下，电网公司能够给出更加合理有效的用电建议反映给客户，以此达到从小处着手，以实现量变的效果。1.2设计目标1.2.1设计任务设计并制作一个能够收集到的电源线的电参数信息，并能够利用这些信息，去判断出用电器的类别和工作状态的设备。要求它要具有学习模式和分析监测模式。在学习模式的时候，该设备要能够测试并存储各类用电器在此工作状态的特征参量（包括电压、电流等）；在分析监测模式的时候，要能够实时地指示出用电器的类别和此类用电器在这种工作时的电参数信息。1.2.2基本要求1）电器电流范围要求在：0.005A–10.0A，可以有下列的用电器：路由器、充电器、LED灯、节能电灯、风扇、电热水壶等等。2）可以识别的用电器总数要求大于5种，而电流小于50mA的用电器数目大于3，同时要能够显示出所有被识别的用电器的在工作状态时候的电参数信息。自己定义可识别的用电器的种类，要求包括一件最小电流用电器和一件电流大于8A的用电器，并能够完成其自主学习的过程。3）实时地指示并分辨出在工作的用电器，并显示其电源线上的电特征参数，同时要能够包括已经处在工作的、之前的用电器的电参数信息。响应时间不大于2s。显示的内容应该包括电流和其他参量，可以自己定义这些收集到的电信息的种类、性质和数量。可以用序号去表示用电器的种类及其工作状态等。4）要求当插入或者拔出用电器的时候，或者有多个用电器时，能够实时地指示出用电器的种类和工作状态，去掉（或者拔出）的用电器不用显示工作状态和工作信息。

2方案设计与论证2.1系统方案该系统主要由单片机分析控制模块、数据采集模块、显示模块和电源模块组成，下面分别对这几个模块进行论证与选择。2.2单片机分析控制模块论证与选择方案一：51单片机51单片机它最早由Intel推出，它是应用最广泛的8位单片机，当然也是初学者们最容易上手学习的单片机，我们学校学习和利用的就是这款。因为其具有典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，加上面向控制的丰富的指令系统和位操作功能，可以说得上是一代经典，给后续的其它单片机的发展奠定了牢靠的基础。它有很多的优点，例如它集成度高，体积小，可靠性好运算能力强，编程灵活，控制能力强，低功耗，低电压，便于生产便携式产品。但不得不说，它又有着很多的缺点，例如其内存较小，没有内置AD，使用较为不便。并且虽然它的I/O脚使用起来很简单，但它的高电平时没有输出能力，这也是51系列单片机的最大弊端，而且呢，51保护能力很差，轻易的造成芯片的烧坏。方案二：STM32系列单片机由ST厂商推出的STM32系列单片机，这是一款性价比超高的系列单片机，它的功能十分强大。它的内核是为了满足高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用的要求专门设计的ARMCortex-M。而且它同时具有相当一流的外设：1μs的双12位ADC，18兆位/秒的SPI，4兆位/秒的UART等。并且它在功耗和集成度方面也有表现不同寻常的表现，能够满足多种要求，如高性能、低成本、低功耗等等。而STM32单片机程序具有模块化的特点，因所以其接口相对简单些。由于完成本题要有大量编程，对单片机内存和处理速度要求较高，故选择方案二。2.3数据检测采集模块论证与选择方案一：采用电流、电压互感器和STM32内置ADC模块使用电流、电压互感器的画，是因为他们能够将数值较大的一次电流转换为数值较小的二次电流，将数值较大的一次电压转换为数值较小的二次电压，再经过整流滤波，把合适的电信号传入到STM32单片机上，再利用STM32内部的ADC模块进行分析和处理。方案二：采用电流、电压互感器和ADE7758电能计量芯片这里面电流互感器、电压互感器的作用与方案一相同，在此不再赘述。ADE7758是一种高精确度三相电能测量芯片，那么这种电能测量芯片的作用是什么呢。简单点说它可以安装在有功功率、复功率、视在功率、有效值的测量以及以数字方式校正系统误差所必须的一些信号处理电路。同时它包括一个串行口，能够两路脉冲输出。它集成了二阶∑-D模数转换、数字积分、参考基准电压源、温度敏感元件等模块或者说设备。因为搭建方案一的整流和滤波电路需要很多的器件，因此这里我们考虑采用方案二。2.4显示模块的论证与选择方案一：采用LCD12864液晶显示屏该屏幕驱动简单，显示信息明确，而且价格便宜。并且它与51单片机兼容性很好。方案二：采用2.8寸TFTTFTLCD即薄膜晶体管液晶显示器。它不同于无源TN-LCD、STN-LCD的简单矩阵，它在液晶显示屏的每一个象素上都设置有一个薄膜晶体管（TFT），这样就能够有效地克服非选通时的串扰带来的问题，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此能够大大提高了图像质量。TFTLCD具有：亮度好、层次感强、对比度高、颜色鲜艳等特点。是目前最主流的LCD显示器。广泛应用于电视、手机、电脑、平板等各种电子产品。综合分析考虑采用方案二。

3硬件设计3.1系统简介3.1.1系统总体框图系统总体框图如图3-1所示。图3-1系统总体框图Figure3-1SystemOverallBlockDiagram其中辅助电源用于监测电路、STM32芯片以及液晶显示屏的供电。A、B测试点用来接入用电器电参数测量设备。在A、B之间获得用电器的电流电压信息后经过检测电路的处理，从而得到一些用规律或者说经过定义的关于用电器的信息。再将这些信息传送给单片机，单片机（1）经过存储（学习功能）或者比较已经过存储的信息进行分析处理，最后通过蓝牙传输，输送到单片机上（2）。而单片机（2）再驱动屏幕去显示，来达到无线传输的效果，操作更加的方便。3.1.2数据监测采集模块子系统框图图3-2数据监测采集子系统框图Figure3-2Blockdiagramofdatamonitoringandacquisitionsubsystem数据采集电路的组成有：电流互感器、电压互感器和ADE7758数字电能表芯片。其中电流互感器用于得到较小的用电器的电流量。电压互感器用于用于得到较小的用电器的电压量。他们都是将用电器的模拟信号进行转换以得到较小的电信号。同时，在模拟信号变小以后，还需要经过整流和滤波来得到合适的，数字芯片能够正常使用的电信号。当然仅仅是如此还是不够，仍需要ADE7758数字电能表芯片进行AD处理得到单片机能够使用的数字信号。3.2数据监测采集模块硬件设计3.2.1数据监测采集模块电路原理图图3-3数据监测采集模电路原理图Figure3-3Schematicdiagramofthedatamonitoringacquisitionmodecircuit3.2.2数据监测采集模块子系统电路原理图图3-4电压采集电路Figure3-4VoltageAcquisitionCircuit图3-5电流采集电路Figure3-5CurrentAcquisitionCircuit图3-4和3-5是在电能计量电路中采用的模拟信号的采样部分。因为ADE7758输入电压的范围为±0.5V，所以不能直接将用电器上的交流电压、电流直接接入到芯片上，因此必须经过电压与电流互感器及信号调理电路来得到合适的电信号。为满足设计要求，这里面我们选择选择电流互感器规格为5A/5mA，电压互感器为220V/0.5V。图3-4为电压采集电路，其中P3采用的是变比为1:1的电流型电压互感器，它的规格为2mA/2mA。不得不说电路中的电阻作用：一个作用（仅在图3-4种）是限流保护，另一个是分压。其中电压互感器的前面的具有限流保护的作用，后面的电阻具有分压的作用。后面的取样电阻R的阻值的大小因该由被测信号的最大值决定，在这里面因ADE7758芯片的的输入量程范围是0.5V，加上互感器输出电流值为2mA，所以这里面我们把R的取值定为150Ω，这样就不会溢出了，就可以保证ADE7758的电压输入值在正常量程范围内，让其正常的工作。这面面还要提到，两个反向并联的二极管的作用：两个二极管，当它们一正一反并联在一起的时候，可以做为电路里面的限压器件。因为，我们知道，当硅二极管正向导通时，它电压大约在0.7V左右（锗二极管大约0.3V，一般不用），这样当两个二极管反向并联以后，无论它们两端的电压如何的变化，或者正，或者反，都可以将电压限制在1V以下，也算是对下级输入的一个很好的保障。图3-5为电流采集电路，其中互感器后面的电阻也起着同样的作用，即分压。两个反向并联的二极管的作用同电压采集电路相同。并且本电路又加入了低通滤波器，这里采用最简单的低通滤波器。把它们放置在ADC的模拟输入之前，可以防止由于采样可能引起的失真。它以-20dB/十倍频进行衰减。这里面我们将电阻R选择为1kΩ,电容C选择为33nF。图3-6数据采集整理电路Figure3-6Datacollectionandfinishingcircuit图3-6为数据采集整理电路，采用的是ADE7758数字电能表芯片，它是一款高精确度的三相电能计量芯片，集成了6路16位二阶Δ-ΣADC模数转换器，基准电路，以及所有可以进行有功，无功和视在电能计量和有效值计量所需的信号处理元件，并且保证在1000:1动态范围内误差小于在本次设计中，ADE7758先将采集到的电压、电流信号进行A/D转换和相位校准，然后将电流和电压进行计算，可以得到有功功率、无功功率和视在功率三种功率值，并将三种数值存入到ADE7758对应的寄存器中，同时数椐通过ADE7758的SPI串行接口传入到单片机STM32。3.3电源模块硬件设计图3-55V电源Figure3-55Vpowersupply上图所示为LM2596构成的是经典的12V转5V稳压电路，这里的LM2596是常见的一款大电流开关稳压芯片。LM2596关电压调节器能够输出3A的驱动电流。它的固定输出版本有3.3V、5V、12V。其最高输入电压可达40V，最大输出电流可以达3A。在大电流输出时，其发热量比7805这类线性稳压芯片要小得多，并且LM2596还带有关断控制端（⑤脚）。在正常工作的时候，LM2596的⑤脚要接地；而当该脚接高电平时，LM2596则会关闭输出端，这样使得整个电路处于超低功耗状态。图3-75V转3.3V电源Figure3-75Vto3.3VpowersupplyASM1117的工作原理和普通的78系列线性稳压器或LM317线性稳压器相同，所有的线性稳压器都是通过对输出电压采样，然后反馈到调节电路去调节输出级调整管的阻抗，当输出电压偏低时，就调节输出级的阻抗变小从而减小调整管的压降，当输出电压偏高时，就调节输出级的阻抗变大从而增大调整管的压降，这样就维持了输出电压的稳定。

ASM1117和78系列稳压器的主要差别是它的最小饱和压降（即失稳电压）较小，为1.1V（典型值）~1.3V（最大值），而78系列稳压器的失稳电压是2V~3V左右，因此在输出电压相同的情况下ASM1117可以工作在较低的输入工作电压下。以SSM1117-3.3为例，它的最低工作电压是4.4V（典型值）~4.8V（最大值），而LM317输出3.3V电压时要求最低输入电压为5.3~6.3V。另外SAM1117系列稳压器的最高输入电压也低于78系列稳压器。C31和C32都是输出滤波电容，作用是减小输出电压汶波并抑制ASM1117的自激振荡，C31是高频滤波电容，C32是低频滤波电容。图中已经标出了C31容量是0.1微法，C32是10微法。3.4单片机控制模块图3-8主控制模块Figure3-8MainControlModule本次选用STM32F103RCT6作为主控制芯片。STM系列单片机的优点在前面已经得到叙述。而这款单片机是基于ARMCortex-M内核，它具有高性能、低成本、低功耗等优点，片上资源包括48KBSRAM，256KBFlash，11个定时器，2个IIC，5个串口，1个USB，3个SPI，3个12位ADC，2个12位DAC及51个通用IO口。STM32单片机最小系统由①主芯片，②上电复位电路，③时钟电路，④电源供电电路组成。图3-9上电复位电路Figure3-9Power-onResetCircuit通过芯片手册可知主芯片为低电平复位，复位电路CREST端连接主芯片第7脚复位管脚．当上电一瞬间，C10相当于通路接地，芯片自动复位，之后VDD稳定，C10相当于断路，复位端CREST一直为高电平。图3-10时钟电路Figure3-10ClockCircuit主频选用8MHz晶振，时钟RTC频率选用32.768KHz。电源模块在前面已经提到，这里不再赘述。3.5显示模块图3-11显示模块Figure3-11DisplayModuleDB1~DB8，DB10~DB17，总是按顺序连接MCU的D0~D15。从图3-11可以看出，ALIENTEKTFTLCD模块采用16位的并方式与外部连接，之所以不采用8位的方式，是因为彩屏的数据量比较大，尤其在显示图片的时候，如果用8位数据线，就会比16位方式慢一倍以上，我们当然希望速度越快越好，所以我们选择16位的接口。图3-11中CS：TFTLCD片选信号。WR：向TFTLCD写入数据。RD：从TFTLCD读取数据。D[15:0]：16位双向数据线。RST：硬复位TFTLCD。RS：命令/数据标志（0，读写命令；1，读写数据）。

4.1程序功能描述与设计思路4.1.1程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现学习功能、分析功能和控制彩屏显示功能。1）学习部分：能够记录新插入的用电器信息，例如：电流信息。2）分析功能：分辨出插入的用电器，并给与显示模块信息。3)显示部分：显示用电器编号、电流值、电压值、功率值等。4.2.2程序设计思路要能够学习和分析，这些要求前面已经提到过。在学习模式下，能够记录新插入的用电器信息，例如：电流信息。在分析模式下，分辨出插入的用电器，并给与显示模块信息。要有一个按键（按下这个按键就代表进入了学习模式），在第一次插入用电器的时候就自己按下按键，进入学习模式。记录这个用电器的用电信息，例如功率或者电流，并规定编号，这样就会方便检索。在第二次插入用电器的时候能够分辨是否为新的用电器，如果是新的，假设这个应用场景在你自己熟悉的家中，你就可以根据自己的记忆去判断是否为新得用电器，如果是新的用电器，你应该自主的按下按键，进入学习模式，记录该用电器的一些信息。如果为旧的或者说以前的用电器，就直接进入分析模式，进而检索信息存储函数中的已经存在的信息，当然这个时候只有一个用电器。匹配后，就在屏幕上显示即可。第三、第四等等依然如此。当然这里面存在一个问题，就是在学习模式的时候我们记录的是一个电量信息，是一个数字。我们可以给它编号为1、2、3等。但是我们在分析模式的情况下，要辨别这个数值的波动范围（毕竟的电流信息或者电功率信息是不恒定的），就是说上下要有个范围。而不是直接去辨别1、2、3。这就要求每次在分析模式的情况下，我们要遍历所有的可能同时这个数值还是要有一定的波动范围。事实上，我们可以认为的规定1号就带便在什么范围（也就是自己规定一定得数值），但这要求我们要有很多的用电器电量信息去确定这些个范围。当然我们这个场景如果规定在家用范围的话，这个就很容易规定了。第二个问题便是在分析模式下，当插座上有很多有点电器的时候，因为我们分辨的是功率这个数值，当很多用电器并连在一起的时候，就是多种情况加在一起，所以我们需要遍历很多种可能。图4-1所有遍历可能Figure4-1Alltraversalpossibilities因此这就需要我们设计一个程序，能够在不断记录新的数值的时候，又能够把这些可能自主的加在一起。再去遍历，从而分辨出多个用电器。总的来说就是，不断采集数据并定义多个变量，将前后采集的数据不断对比，通过判断前后差值是否大于正常电路中该参数的波动幅度，来确定该用电器的工作状态，并输出其状态和参数。4.2程序流程图图4-2程序流程图Figure4-2ProgramFlowChart为理解方便,系统的软件编写采用主程序加子程序方式进行,主要包括:主程序、参数读取子程序、分析子程序、学习子程序、特性存储子程序、按键子程序、显示子程序等。主程序:控制单片机初始化、调用按键识别程序,判断按键功能,调用AD模块数据并调用显示子程序等。分析子程序:完成ADE7758数据读取,并根据多次实验测量结果对数据进行校准、修正补偿等,利用有功功率的信息分析出组合电路。分析子程序主要的作用是分析电路的组合情况,这里,主要采用的分析思路如下:利用有功功率进行测算,因为前面已经完成了电路参数的学习,每个ID电器在工作的时候其有功功率是确定的,当电器打开后,电路中就会产生这类有功功率的消耗。显示子程序:执行写显示数据的命令,将显示得内容进行更新。按键子程序:完成按键识别,执行按键相应功能。6结论硬件方面改了多次，首先想做出实物，但力有不逮，最终不了了之。然后研究仿真，这样硬件就需要很大的改变。应为仿真软件，不包含一些电能计量芯片，所以只能经过电流互感器，电压互感器后，经过整流滤