PAGE基于樹莓派開發(fā)平臺的家用電器監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要現(xiàn)如今家庭用電已經(jīng)成為整個(gè)社會中最主流的用電部分，為了能夠綜合性的對家庭用電過程中所涉及到的諸多電性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，有必要開發(fā)出一款適合低壓電路工作狀態(tài)的家庭用電電器檢測系統(tǒng)。在本次畢業(yè)課題中，我基于非侵入式負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)來完成了這個(gè)設(shè)定要求，并通過相關(guān)的軟件將這些數(shù)據(jù)存儲下來，以供后續(xù)分析，本次畢業(yè)課題的核心是基于非侵入式負(fù)荷識別的前提條件對多特征的電器數(shù)據(jù)采集，在軟硬件的開發(fā)過程中，針對家用電器檢測系統(tǒng)的實(shí)際開發(fā)要求，對各種不同的電源芯片和它們的連接情況進(jìn)行了優(yōu)化。其中電源管理芯片采用的是MP1584來保證整個(gè)電源的穩(wěn)定和對電壓的控制。采集采用的是ATT7053AU芯片來完成對系統(tǒng)開發(fā)要求所涉及的電壓和電流進(jìn)行采集，同時(shí)在軟件的設(shè)計(jì)上面采用雙緩存儲存機(jī)制來保證家用電器檢測系統(tǒng)所要求的長時(shí)間連續(xù)讀寫要求。從最后的實(shí)際分析階段來看，本次畢業(yè)課題所開發(fā)的家用電器系統(tǒng)和市場上常見的家用電表在數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)上面具有高度的一致性，表明了本次開發(fā)的家用電器系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。因此，很好地完成了本次畢業(yè)課題所要求的具體內(nèi)容。關(guān)鍵字：非侵入式負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)；家用電器檢測；數(shù)據(jù)分析；信號處理目錄一、緒論 11.1課題背景和意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.2.1國外研究現(xiàn)狀 11.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 21.3主要內(nèi)容 3二、家用電器設(shè)備的主要特征分析 42.1電器數(shù)據(jù)的特征類型 42.1.1不同電器設(shè)備的功率曲線 42.1.2電流數(shù)據(jù)特征 52.2非侵入式電器特征的選擇 8三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 93.1系統(tǒng)的整體框架 93.2電器數(shù)據(jù)采集終端 103.2.1核心開發(fā)平臺 103.3主要硬件模塊 11四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 154.1軟件驅(qū)動模塊 154.2采集頻率的設(shè)置與嵌套 154.3雙緩沖的實(shí)時(shí)存儲結(jié)構(gòu) 16五、系統(tǒng)的制作與分析 185.1采集系統(tǒng)的仿真圖 185.2校準(zhǔn)結(jié)果的實(shí)測 185.3用電負(fù)荷的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析 21總結(jié) 23參考文獻(xiàn) 24一、緒論1.1課題背景和意義電力是現(xiàn)代文明得以延續(xù)的根本能源保障REF_Ref63613190\r\h[1]。它在我們的生產(chǎn)和生活中被無時(shí)無刻的使用著。隨著我國社會主義現(xiàn)代化和城市化的進(jìn)程，我國的每年用電量在不斷地增加，其中對于大多數(shù)老百姓而言，我們使用的電力主要是低壓電力系統(tǒng)，但是由于低壓具有較高的能源損耗問題一直是電力使用行業(yè)中的重點(diǎn)難題。因此，在與居民用電為主要應(yīng)用場所的中低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)中一直強(qiáng)調(diào)多環(huán)節(jié)的節(jié)能政策，它是推動資源節(jié)約應(yīng)用的關(guān)鍵性措施REF_Ref63613193\r\h[2]。國家電網(wǎng)在這方面一直大力提倡開展全覆蓋全采集的用電信息采集系統(tǒng)，其中在十三五規(guī)劃期間將嵌入式系統(tǒng)的智能監(jiān)測和信息處理手段提高到了一個(gè)新的高度，希望能從全局意識中對家用電力系統(tǒng)進(jìn)行智能化檢測REF_Ref63613197\r\h[3]，從而引導(dǎo)用戶可以實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰用電的習(xí)慣，希望通過家用電器監(jiān)測系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對家庭耗電分析的綜合可視化研究，以引導(dǎo)老百姓建立符合社會發(fā)展的節(jié)能習(xí)慣，因此在這種背景下，關(guān)于電力損耗數(shù)據(jù)的采集和家用電器監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)一直是極為迫切的一個(gè)研究領(lǐng)域REF_Ref63613201\r\h[4]。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，用電器的智能化水平越來越高REF_Ref63613207\r\h[5]，在電能大數(shù)據(jù)背景下，用電器狀態(tài)的分析與監(jiān)測是智能電網(wǎng)的重要組成部分，顯得尤為重要。用電器的分析監(jiān)測方法主要分為侵入式和非侵入式兩種REF_Ref63613211\r\h[6]。傳統(tǒng)的侵入式監(jiān)測方法為了獲取電能數(shù)據(jù)，需要在每個(gè)用電器上都安裝電參數(shù)采集裝置，當(dāng)被監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)有多個(gè)用電設(shè)備時(shí)，成本太高，維護(hù)和管理也不方便REF_Ref63613216\r\h[7]。為了解決以上弊端，提出了非侵入式監(jiān)測方法，利用算法分析被監(jiān)測系統(tǒng)的電參數(shù)，從而判斷各個(gè)用電器的種類和工作狀態(tài)，對硬件要求較低，主要依靠強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)處理算法。近年來，國內(nèi)外高校和研究機(jī)構(gòu)紛紛投入到用電器非侵入式監(jiān)測技術(shù)的研究當(dāng)中REF_Ref63613218\r\h[8]。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀非侵入式負(fù)荷監(jiān)測系統(tǒng)最早是美國麻省理工學(xué)院的Hart教授提出的一個(gè)概念REF_Ref63613224\r\h[9]，其主要目的是通過最少的實(shí)施設(shè)備，來實(shí)現(xiàn)對家庭用電的綜合監(jiān)測，從實(shí)現(xiàn)的原理上來看REF_Ref63613227\r\h[10]，它是以一赫茲的較低采樣頻率來收集電力系統(tǒng)中的有功功率和無功功率，從而建立起家庭用電系統(tǒng)的二維P-Q復(fù)功率模型。從而判斷單個(gè)設(shè)備的啟用或停止?fàn)顟B(tài)，這種方法是最早被應(yīng)用在家用電器檢測系統(tǒng)的一種模式，其結(jié)構(gòu)相對簡單，但是在處理家庭用電系統(tǒng)中的大量設(shè)備的過程中存在不足。它只適用于簡單的模型，適合建立研究實(shí)驗(yàn)室階段，對現(xiàn)實(shí)生活中的設(shè)備沒法很好的模擬REF_Ref63613231\r\h[11]。ZicoKolter等人研究了REDD數(shù)據(jù)集采樣方法REF_Ref63613236\r\h[12]，它通過較高的采樣頻率來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的收集，從研究的結(jié)果來看，采集時(shí)間可以連續(xù)穩(wěn)定的工作超長時(shí)間，并可以實(shí)時(shí)的反應(yīng)研究對象中每個(gè)時(shí)間的電流、電壓和有功功率之間的關(guān)系REF_Ref63613240\r\h[13]，同時(shí)設(shè)置的相關(guān)低頻采樣系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比了，最后證明了采用高頻采樣方法在家用電器檢測系統(tǒng)中的可行性和信號準(zhǔn)確度，提出了基于因子隱馬爾科夫的數(shù)據(jù)負(fù)荷分解模型。KyleAnderson等人提出了BLUED數(shù)據(jù)集家用電器采集系統(tǒng)開發(fā)模型REF_Ref63613245\r\h[14]，作者對實(shí)際家庭用電環(huán)境中的居民為單位進(jìn)行研究，通過對時(shí)間信息的采集來確定每個(gè)設(shè)備之間的運(yùn)行狀態(tài)，并將其轉(zhuǎn)化為特定的電器標(biāo)識符，使用廣義似然比的方法來實(shí)現(xiàn)對家用電器運(yùn)行狀況切換的模擬和分析。JackKelly等人研究了UK-DALE采集模型REF_Ref63613249\r\h[15]，從研究結(jié)果來看在數(shù)值上和REDD數(shù)據(jù)集高度一致，但是使用的是更低頻率的采樣分析方法，在實(shí)現(xiàn)的原理上是使用一個(gè)具有高采樣率的聲卡來實(shí)現(xiàn)功能。采樣過程采用44.1KHz進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集REF_Ref63613255\r\h[16]，然后通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換為16KHz，并進(jìn)行后續(xù)的分析，在整個(gè)模塊的仿真分析來看，可以和多種不同的電器設(shè)備，進(jìn)行兼容具有較高的復(fù)雜度REF_Ref63613258\r\h[17]。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀在我國關(guān)于電器設(shè)備的檢測開發(fā)，主要是在本世紀(jì)中關(guān)于智能電網(wǎng)和智能家居概念的不斷興起和發(fā)展的一個(gè)學(xué)科REF_Ref63613265\r\h[18]，例如天津大學(xué)的教授它們通過對基于穩(wěn)態(tài)諧波分析的負(fù)荷分解方法來構(gòu)建數(shù)學(xué)化模型REF_Ref63613270\r\h[19]，通過快速的數(shù)據(jù)采集卡收集信息，并將其通過內(nèi)置的算法，迅速進(jìn)行傅立葉變換來分析數(shù)據(jù)，從而獲得高次諧波分量。上海電氣學(xué)院的教授在美國的研究基礎(chǔ)上REF_Ref63613275\r\h[20]，采用高的數(shù)據(jù)采集頻率來收集信息并進(jìn)行數(shù)字化建模分析，從而從電流過程中剝離出諧波特征，并且在思路上還采用和國外研究人員類似的想法REF_Ref63613281\r\h[21]，通過建立一個(gè)超低頻率的有功功率采集信號來對家用電器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，以獲得綜合性的研究結(jié)果。這種思想也在重慶大學(xué)的劉然教授中得以體現(xiàn)REF_Ref63613285\r\h[22]，重慶大學(xué)劉然教授它將采樣頻率進(jìn)行進(jìn)一步的提高（5KHz），并通過可移動畫窗口來對設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行識別，最后基于鄰法（KNN）和支持向量機(jī)（SVM）相結(jié)合的多層分類模型對家用電器的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行模擬和分析，是當(dāng)前我國科研領(lǐng)域中的集大成者REF_Ref63613288\r\h[23]。因此，從總的分析上來看，我國在家用電器檢測系統(tǒng)的開發(fā)中已經(jīng)算取得初步成效，建立了相對完善的采集模型REF_Ref63613294\r\h[24]。從方法上來看，大多是采用專門的信號記錄儀和數(shù)據(jù)采集卡，配合相應(yīng)的數(shù)字化軟件來完成對電器設(shè)備的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集工作，最后將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入到自己所開發(fā)的家用電器檢測系統(tǒng)中，來完成對整個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)從實(shí)際的產(chǎn)品上來看，目前已經(jīng)做到了具有高采集、高精度和高便攜性的特點(diǎn)，在一定程度上已經(jīng)能夠形成閉環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)REF_Ref63613298\r\h[25]。1.3主要內(nèi)容本次畢業(yè)課題是關(guān)于家用電器檢測系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試工作，我將基于現(xiàn)在最流行的非侵入式負(fù)荷模型為前提，開發(fā)出一種適合家庭和宿舍等常見的低壓用電環(huán)境下的家用電器檢測系統(tǒng)。通過對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的選取來完成一套可以被長期且穩(wěn)定運(yùn)行的家用電器檢測系統(tǒng)，并且通過相關(guān)的數(shù)字化分析將這些信息導(dǎo)入到后續(xù)的數(shù)據(jù)存儲和分析過程中，以支持其它配件對本次系統(tǒng)的兼容性數(shù)據(jù)分析。在本次畢業(yè)課題中，我將采用市面上常見的樹莓派作為整體的開發(fā)模型，通過其具有的較快處理速度和存儲硬件空間來完成本次畢業(yè)課題的所有項(xiàng)目實(shí)踐REF_Ref63613301\r\h[26]。二、家用電器設(shè)備的主要特征分析在設(shè)計(jì)整個(gè)家用電器檢測系統(tǒng)中，最重要的就是可以通過自身的算法，來實(shí)現(xiàn)對家用電器設(shè)備中的設(shè)備進(jìn)行識別和檢測它的瞬間負(fù)載功率，因此整個(gè)家用電器系統(tǒng)的核心在于對這些電器的特征信息進(jìn)行收集，并通過自身的數(shù)據(jù)采樣率和家用電器識別算法來檢測單個(gè)設(shè)備的實(shí)際使用情況，只有通過豐富的采集功率信息才能夠有效地提高整個(gè)家用電器檢測系統(tǒng)的檢測精度，是整個(gè)家用電器檢測系統(tǒng)的核心和最重要組成部分，因此，在本章節(jié)中，我首先分析家用常見電器的主要運(yùn)行特征和在識別算法上的特點(diǎn)REF_Ref63613304\r\h[27]。2.1電器數(shù)據(jù)的特征類型在常見的家用電器檢測系統(tǒng)中，大多數(shù)科研單位都是使用單一特征變量來識別電氣設(shè)備，也就是常說的單特征來確定單算法的過程。但是由于大多數(shù)的家電系統(tǒng)可能在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)表現(xiàn)出相同的電器特征，因此只設(shè)置一個(gè)特征模型可能會降低整個(gè)家用電器檢測系統(tǒng)的精度，因此在本次畢業(yè)課題中，我通過電流波形和有功功率這兩個(gè)不同的電器特征來對家用電器進(jìn)行檢測。通過這兩個(gè)完全不同且不相關(guān)的瞬態(tài)特征變量來綜合性識別家用電器的類型REF_Ref63613309\r\h[28]。2.1.1不同電器設(shè)備的功率曲線所謂功率信號就是指在單位時(shí)間內(nèi)單個(gè)家用電器所產(chǎn)生的實(shí)際能量消耗，它是常見的家用電器檢測指標(biāo)，從數(shù)據(jù)的類型上來看可以被分為有功功率和無功功率這兩種不同的類型REF_Ref63613314\r\h[29]。其中有功功率是在某一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)功率的一個(gè)平均值。在查閱了相關(guān)的文獻(xiàn)之后，我發(fā)現(xiàn)常見的家用電器的功率曲線大致上可以分為如下三種，它們具有完全不同的數(shù)字化結(jié)構(gòu)，因此可以簡單的進(jìn)行區(qū)分。圖2SEQ圖\*ARABIC\s11不同電器設(shè)備的功率曲線(1)ON/OFF型：此類電器只有兩種工作狀態(tài)（打開ON、關(guān)閉OFF），運(yùn)行模式單一，日常生活中常見的日光燈、電熱水壺等都屬于此類REF_Ref63613320\r\h[30]。(2)有限狀態(tài)型：電器存在著多種狀態(tài)，并且可以在某些狀態(tài)之間進(jìn)行切換，因此功能設(shè)計(jì)上更豐富。例如洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、吹風(fēng)機(jī)等REF_Ref63613323\r\h[31]。(3)連續(xù)變化型：運(yùn)行時(shí)沒有固定的功率曲線，電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多個(gè)狀態(tài)之間改變時(shí)沒有明顯的變換信號。此類包括空調(diào)、自動調(diào)光燈等REF_Ref63613325\r\h[32]。而大多數(shù)時(shí)候家用電器總是以多個(gè)設(shè)備同時(shí)開啟的狀態(tài)在運(yùn)行的。因此在上述的功率曲線中總是以多種不同的模型相互疊加而成，只需要通過特定的算法將其分解為單一的模型就可以對這些設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)的識別，在實(shí)現(xiàn)的方法中，目前常見的是利用最優(yōu)化方法求取一組合理的權(quán)重系數(shù)對總復(fù)合情況下，單個(gè)設(shè)備的實(shí)際負(fù)荷情況進(jìn)行拆分模型，它的主要計(jì)算公式如下REF_Ref63613331\r\h[33]。min其中，P代表當(dāng)前的總功率;Pi的代表設(shè)備數(shù)據(jù)庫中第i個(gè)設(shè)備的額定功率；E為目標(biāo)函數(shù)下的最小殘差。這種模型的計(jì)算方式是通過對所收集到的電器信息進(jìn)行檢索來獲取當(dāng)前總負(fù)載情況下，單個(gè)設(shè)備的實(shí)際實(shí)際使用情況，因此為了在最快的時(shí)間內(nèi)獲取到最正確的數(shù)據(jù)分析需要具備一個(gè)完善的負(fù)載特征數(shù)據(jù)庫。目前已有開發(fā)人員對這些數(shù)據(jù)全部進(jìn)行了開源處理REF_Ref63613335\r\h[34]，所以在使用的時(shí)候省去了我們開發(fā)的難度。但是這個(gè)模型也存在著較多的不足，例如如果某個(gè)設(shè)備的實(shí)際使用功率特別小，那么它的一些特征函數(shù)就會被正常使用的功率設(shè)備所掩蓋，無法準(zhǔn)確的進(jìn)行分離，因此必須特別注意這個(gè)地方的使用情況REF_Ref63613337\r\h[35]2.1.2電流數(shù)據(jù)特征電流和電壓都是常見的對單個(gè)設(shè)備的負(fù)載使用情況進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)，它們具有較高的數(shù)據(jù)檢測準(zhǔn)確度，其中電流是一種最常見的檢測手段，由于電流在變化過程中具有各諧波分量，因此在實(shí)際使用過程中會根據(jù)設(shè)備的不同情況表現(xiàn)出顯著的差距，這種差距可以很好地對單個(gè)設(shè)備的實(shí)際工作情況和特征進(jìn)行分析，特別是在家用電器系統(tǒng)中，由于家用設(shè)備的復(fù)雜性造成整體設(shè)備具有較多的不一致和特征性，因此其電流數(shù)據(jù)會額外的顯示其本身的數(shù)據(jù)特征。在獲取了這些數(shù)據(jù)特征之后，大多數(shù)情況是通過傅立葉變化來描述當(dāng)前該設(shè)備的工作狀態(tài)，整個(gè)處理方法可以使用如下的數(shù)據(jù)計(jì)算模型。i其中，I0為電流的直流分量，Ik對應(yīng)著第k次諧波的有效值，βk對應(yīng)著當(dāng)前的有效值，ω0稱為基波頻率，常見的是50Hz白熾燈白熾燈是最常見的一種家用照明設(shè)備，能源損耗相對嚴(yán)重，設(shè)備特征上看是一種線性負(fù)載設(shè)備，從電流波形圖上看是一種典型的正弦波形圖，這是白熾燈的主要特征REF_Ref63613346\r\h[37]。圖2SEQ圖\*ARABIC\s12白熾燈電流波形及頻譜圖節(jié)能燈節(jié)能燈雖然和白熾燈一樣都是用來照明的設(shè)備，但是它們具有完全不同的實(shí)現(xiàn)原理，這主要是由于節(jié)能燈里面加入了完整的濾波電路，可以通過自帶的電子鎮(zhèn)流發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的發(fā)光，并且只要點(diǎn)亮之后，只需要較低的電壓就可以不斷地工作。這使得它的電流波形圖是比較復(fù)雜，內(nèi)部加入了較多的諧波信息，同時(shí)從它的頻率信息上也可以看出，它是一種奇次諧波，具有較廣的范圍內(nèi)REF_Ref63613350\r\h[38]。圖2SEQ圖\*ARABIC\s13節(jié)能燈電流波形及頻譜圖電腦主機(jī)電腦主機(jī)是現(xiàn)代化的一種產(chǎn)物，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，是多種不同的電擊元件的一種結(jié)合體，從它的電流輸出特征上來看具有大量很明顯的毛刺現(xiàn)象，但是當(dāng)電腦主機(jī)正常工作的時(shí)候，由于內(nèi)部包含了大量的電容和電感，因此其諧波特征相對豐富，其中第三次和第五次具有較大的一個(gè)數(shù)據(jù)占比，是它的一個(gè)主要特征REF_Ref63613354\r\h[39]。圖2SEQ圖\*ARABIC\s14主機(jī)電流波形及頻譜圖吹風(fēng)機(jī)電吹風(fēng)的實(shí)踐原理是通過其內(nèi)部的空氣壓縮機(jī)對空氣進(jìn)行壓縮，然后對外推出瘋得一個(gè)設(shè)備，如果吹風(fēng)機(jī)只是以冷風(fēng)的形式對外輸出的話，就是感性設(shè)備，如果它加入了加熱功能那么就是一種阻性設(shè)備，因此它的對外輸出波形相對復(fù)雜。電流在某個(gè)時(shí)間內(nèi)會發(fā)生突然的降低和快速的上升現(xiàn)象，從整體上來看和白熾燈的電流波形圖有一定的相似程度。同時(shí)，如果電吹風(fēng)使用了不同的單位，那么它還會經(jīng)過一定的調(diào)整來快速改變自身的工作狀態(tài)，因此從頻率上來看，具有較為豐富的偶次諧波信息。圖2SEQ圖\*ARABIC\s15吹風(fēng)機(jī)電流波形及頻譜圖由此可見，在常見的家用電器設(shè)備中不同的設(shè)備之間的電流存在著較大的差異，其中白熾燈主要是一種線性負(fù)載設(shè)備，它的電流波形圖呈現(xiàn)的正弦特征，而其它的諸如節(jié)能燈、電腦、主機(jī)、電吹風(fēng)等其它設(shè)備都是常見的非線性設(shè)備，它們的主要特征在于其諧波分量包含了大量的自身結(jié)構(gòu)特征，是可以進(jìn)行特征性分析的主要數(shù)據(jù)特征。2.2非侵入式電器特征的選擇通過上述的分析我們對常見的加工設(shè)備的特征進(jìn)行了描繪，接下來就需要結(jié)合這些特征來選擇非侵入式電器采集設(shè)備，從而完成本次畢業(yè)課題的家用電器檢測系統(tǒng)。在文獻(xiàn)綜述的研究中，我發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在常見的一種負(fù)載分析方法是通過模式識別或大類型綜合分析的方法來實(shí)現(xiàn)對電器設(shè)備的有功功率、電流波形數(shù)據(jù)、諧波分析。因此在整個(gè)非侵入式電氣設(shè)備的選擇過程中，應(yīng)當(dāng)首先使得設(shè)備發(fā)出的頻率可以完整地捕捉到整個(gè)家用電器采集的主要特征，只有這樣才能完成對它的識別和分析。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)在保證不明顯增加整體設(shè)計(jì)能難度的條件下盡可能多地具有數(shù)據(jù)采樣分析率。在本次畢業(yè)課題中，我們主要是考慮了第10次的諧波信息，并對其進(jìn)行研發(fā)。因此綜合分析，本次在低頻部分使用的是10Hz的低頻信號來對有功功率信號進(jìn)行采集，同時(shí)采用2kHz的高頻電流信號對電流、諧波進(jìn)行分析數(shù)據(jù)，從而完成對非侵入式電力負(fù)荷的分解REF_Ref63613360\r\h[40]。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)的整體框架本次畢業(yè)課題是關(guān)于家用電器檢測系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試工作，我將基于現(xiàn)在最流行的非侵入式負(fù)荷模型為前提，開發(fā)出一種適合家庭和宿舍等常見的低壓用電環(huán)境下的家用電器檢測系統(tǒng)。通過對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的選取來完成一套可以被長期且穩(wěn)定運(yùn)行的家用電器檢測系統(tǒng)，并且通過相關(guān)的數(shù)字化分析將這些信息導(dǎo)入到后續(xù)的數(shù)據(jù)存儲和分析過程中，以支持其它配件對本次系統(tǒng)的兼容性數(shù)據(jù)分析。它的整體結(jié)構(gòu)如圖所示。圖3.1系統(tǒng)的整體框圖本次畢業(yè)課題所發(fā)明的家用電器檢測系統(tǒng)整體上可以分為底層驅(qū)動設(shè)備、軟件部分和數(shù)據(jù)處理部分。底層驅(qū)動設(shè)備我是采用ATT7053專業(yè)電能計(jì)量芯片來完成數(shù)據(jù)的采集工作。它可以為整個(gè)系統(tǒng)提供電力的同時(shí)，將家用電器的電側(cè)電壓和電流幅值轉(zhuǎn)化為本套系統(tǒng)中可以使用的信息，并將其引入到整個(gè)家用電器檢測系統(tǒng)中，在軟件部分采用的是雙緩沖儲存機(jī)制來完成對數(shù)據(jù)的驅(qū)讀寫，并將其收集到的信息存儲到機(jī)器內(nèi)部。而數(shù)據(jù)處理模塊主要是對收集來的信息進(jìn)行一定的分析存儲、降噪等功能。3.2電器數(shù)據(jù)采集終端本次設(shè)計(jì)的家用電器檢測系統(tǒng)的采集部分是整個(gè)硬件的基礎(chǔ)部分，它主要包括了主控開發(fā)平臺、采集芯片、電源管理、采樣電路等核心模塊，并按照功能的不同分為電器數(shù)據(jù)采集單元和電器數(shù)據(jù)處理單元。它的整體結(jié)構(gòu)如圖所示。圖3.2采集終端的設(shè)計(jì)框圖3.2.1核心開發(fā)平臺本次開發(fā)使用的是樹莓派開發(fā)平臺，它是通過定制的Linux系統(tǒng)開發(fā)而成的一種小型計(jì)算機(jī)，它相比于傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，省去了配置bootloader等繁瑣的底層操作，同樣擁有豐富的硬件接口和較為強(qiáng)大的運(yùn)算能力。同時(shí)，可以使用多種不同的匯編語言來進(jìn)行程序的編寫和開發(fā)工作，因此，整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)具有較簡單的硬件結(jié)構(gòu)和開發(fā)周期，比較適合對家用電器系統(tǒng)的開發(fā)工作，本次使用的樹莓派的其它硬件信息如下所示。BCM2837處理器1GB內(nèi)存10/100M自適應(yīng)網(wǎng)卡低功耗藍(lán)牙4.1(BLE)可拓展的MicroSD卡插槽40PINGPIO接口實(shí)物照片如圖所示。圖3.3本次開發(fā)平臺3.3主要硬件模塊3.3.1采集芯片為完成本次家用電器檢測系統(tǒng)采用鉅泉光電的高精度專用計(jì)量芯片ATT7053AU，它需要完成對輸出有功功率和獲取電流的實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)，即完成計(jì)量和A/D轉(zhuǎn)換兩種功能。本次畢業(yè)課題選擇的TT7053AU可以輸出兩路的有功功率、無功功率計(jì)量數(shù)據(jù)，同時(shí)完成電流和電壓的采樣并保持電路在三通道的ADC采樣過程中的數(shù)據(jù)輸出，同時(shí)這個(gè)芯片還可以方便的完成對電流信號中的直流成分過濾作用，減少U、I失調(diào)引起的功率誤差，它的整體模塊結(jié)構(gòu)如圖所示。圖3.4芯片內(nèi)部模塊圖它的對應(yīng)引腳名稱和編號如圖所示。圖3.5ATT7053AU的引腳圖在本次畢業(yè)課題中所使用的具體功能主要為電源引腳、時(shí)鐘引腳、采樣輸入引腳、SPI通信引腳。它們的具體功能實(shí)現(xiàn)為：AVCC：芯片供電管腳，模擬電源輸入；AGDN、DGND：分別代表模擬地、數(shù)字地；XTALO、XTALI：外部晶振5.5296MHz的輸入引腳；V1P、V1N：電流通道#1的正負(fù)輸入，量程±800mv；V2P、V2N：電流通道#2的正負(fù)輸入，量程±800mv；V3P、V3N：電壓通道的正負(fù)輸入，量程±800mv；CF1、CF2、CF3：分別代表P、Q、S的電能脈沖輸出；SPICS、SPIDI、SPIDO、SPICLK：SPI通信的連接線；3.3.2數(shù)據(jù)取樣電路由于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所開發(fā)的家用電器檢測系統(tǒng)是在家庭或?qū)W校這種常見的工作場景下的一種檢測系統(tǒng)，因此，大多數(shù)設(shè)備都是接在220V的家用電工作條件下，但是我所選用的采集芯片是一種對工作電壓相對較低的設(shè)備，因此必須要對整個(gè)電壓進(jìn)行一定的處理，否則根本無法工作，而對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方式，目前主要可以分為直入型和隔離型這兩種，由于直入型雖然結(jié)構(gòu)相對簡單，但是會增加產(chǎn)生漏電的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，隔離型是這種可以徹底的把電器設(shè)備進(jìn)行隔離，也不需要把高壓電和大電流進(jìn)行連接，因此從本質(zhì)上來說，不僅可以實(shí)現(xiàn)對電壓的降低，同時(shí)可以帶來更好的安全性。因此在本次畢業(yè)課題中選取的是隔離型采集電路設(shè)計(jì)方案。電流互感器采用的是CT型寬頻線性互感器來實(shí)現(xiàn)10Hz-100000Hz內(nèi)的電流感應(yīng)，并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，整體的設(shè)計(jì)電路圖如圖所示。圖3.6電流采樣電路在本次畢業(yè)課題中采用的是OPCT10AL型CT型寬頻線性互感器，它的變比是3000:1，輸入交流220V/50HZ，輸出交流12V/50HZ。3.3.3電源管理模塊電源管理芯片是對整個(gè)家用電器系統(tǒng)的接入電源進(jìn)行綜合管理的一個(gè)模塊。它主要是對整個(gè)系統(tǒng)中諸如樹莓派、采集芯片和開關(guān)指示燈等設(shè)備提供能量的一個(gè)模塊。同時(shí)在電路中需要將家用的常見220V電力轉(zhuǎn)化為12V的工作電壓，因此需要對整個(gè)單元管理模塊進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)采用整流橋芯片DB157S，并附加470uF/35V的電容進(jìn)行濾波處理。它的工作電路如圖所示。圖3.8交流電壓的全波整流電路圖本項(xiàng)畢業(yè)課題采用開關(guān)電源模式的電源管理模塊，具體型號為MP1584，通過MOSEFET來控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，最高工作頻率可達(dá)1.5MHz，可配置輸出電壓為1.8V圖3.9電源芯片及其外圍電路原理圖四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1軟件驅(qū)動模塊按照上述設(shè)計(jì)就可以完成了本次開發(fā)的家用電器檢測系統(tǒng)的硬件部分，接下來就是需要針對這些硬件部分設(shè)計(jì)對應(yīng)的軟件驅(qū)動模塊，從而對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。在本次畢業(yè)課題中采用的是對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的單線程處理模式，這種模式是當(dāng)采集設(shè)備采集到對應(yīng)的數(shù)據(jù)之后，馬上對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析處理。它的優(yōu)勢是可以把采集部分和處理部分進(jìn)行單獨(dú)隔離，從而方便后期的維護(hù)和其它功能的添加。4.2采集頻率的設(shè)置與嵌套在本次開發(fā)的家用電器檢測系統(tǒng)是采用C語言來進(jìn)行編寫的，其中采集頻率的設(shè)置是通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器FreqCFG實(shí)的，主要是將SPL[2:0]三個(gè)標(biāo)志位置0或置1，具體參數(shù)如下所示。圖4.1設(shè)置采集頻率的相應(yīng)寄存器本次開發(fā)的家用電器檢測系統(tǒng)采用的是對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的單線程處理模式，采用嵌套中斷處理的方式來完成對不同頻率信息的采集，它的實(shí)現(xiàn)原理是由芯片將整個(gè)采集電路中發(fā)射出明確的采集信息之后，如果整個(gè)過程中觸發(fā)到需要進(jìn)行判斷的特定標(biāo)識符，那么整個(gè)家用電器采集設(shè)備就會根據(jù)中斷函數(shù)中所對應(yīng)的數(shù)據(jù)來重新獲取新的中斷任務(wù)，并將這些數(shù)據(jù)先放在buffer里面，同時(shí)還設(shè)置了相關(guān)的優(yōu)先級來區(qū)分人物的主次關(guān)系，它的整體流程圖如圖所示。圖4.2中斷嵌套處理流程圖4.3雙緩沖的實(shí)時(shí)存儲結(jié)構(gòu)眾所周知，數(shù)據(jù)采集、處理和存儲對整體開發(fā)設(shè)備的系統(tǒng)占用和處理時(shí)間存在很大的差距，特別是對于數(shù)據(jù)存儲而言，由于數(shù)據(jù)存儲所本身需要的時(shí)間相對造成，因此，如果等到數(shù)據(jù)完全存儲好了再進(jìn)行下一步，那么就很有可能在這個(gè)過程中造成大量數(shù)據(jù)的丟失，因此為了要增加整個(gè)家用電器檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，必須要設(shè)置一個(gè)專門的雙緩沖實(shí)時(shí)存儲結(jié)構(gòu)來對整個(gè)開發(fā)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲精度進(jìn)行保證。在本次畢業(yè)課題在中采樣率為1.8KHz，因此必須增加專門的高速存儲時(shí)保證數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性。它的實(shí)現(xiàn)流程圖如圖所示。圖4.3雙緩沖處理流程圖這個(gè)過程實(shí)現(xiàn)的基本邏輯是設(shè)置了兩個(gè)完全一樣的緩沖區(qū)域來對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。它先首先被保存在A區(qū)域，如果這個(gè)區(qū)域檢測到已經(jīng)滿了的話就會向系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)中斷命令并記錄下當(dāng)前時(shí)間，然后將這個(gè)區(qū)域轉(zhuǎn)化到B區(qū)，并進(jìn)行繼續(xù)數(shù)據(jù)存儲功能，這樣往復(fù)進(jìn)行就實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)硬件采集芯片所收集到的信息的全面且連續(xù)性讀寫，保證了整個(gè)家用電器檢測系統(tǒng)在數(shù)據(jù)分析過程的準(zhǔn)確性。

五、系統(tǒng)的制作與分析5.1采集系統(tǒng)的仿真圖完成了上述對于硬件和軟件的雙重開發(fā)工作之后就可以根據(jù)這些細(xì)節(jié)來完成對整個(gè)實(shí)物的制作，首先完成的是整個(gè)PCB板的制作，它的大小和樹莓派的大小是完全一樣的，這樣可以重疊在一起，不浪費(fèi)空間并具有較好的硬件集成度，整個(gè)PCB板如圖所示。圖5.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的PCB圖在完成了整個(gè)PCB板的制作之后，就可以通過特定的程序把本次開發(fā)的家用電器檢測系統(tǒng)寫入到整個(gè)系統(tǒng)中，并將諸多的采集設(shè)備連接起來，從而投入運(yùn)行。連接完之后的整體實(shí)物照片如圖所示。其中網(wǎng)線部分是用來連接樹莓派的實(shí)體連接部分，只要當(dāng)系統(tǒng)開始工作之后也可以將網(wǎng)線直接拔掉，不影響程序的自然工作5.2校準(zhǔn)結(jié)果的實(shí)測為了對單一設(shè)備在實(shí)際使用下的誤差進(jìn)行分析，我采用實(shí)驗(yàn)室中常見的一些設(shè)備對整個(gè)開發(fā)的家用電器檢測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析檢測，其中這些設(shè)備都被連接在同一個(gè)插板上，并工作10次，取平均值來表征本次開發(fā)的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。本次設(shè)備所采用的主要實(shí)物照片如圖所示。圖5.2測試用的電器實(shí)物圖這個(gè)測試過程是連接了一個(gè)安科瑞的三相電子式多功能電能表來檢測設(shè)備的電壓、電流和功率之間的關(guān)系，然后和我所開發(fā)的家用電器檢測系統(tǒng)進(jìn)行對比。參照電表的實(shí)物照片如圖所示，它們的檢測結(jié)果如表所示。圖5.3參照電能表的實(shí)物照片

表5.1有功功率誤差表標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)(W)芯片測量值(W)誤差(基于0.5S)白熾燈39.539.650.37%節(jié)能燈24.024.190.80%臺式機(jī)主機(jī)52.052.260.51%美的電風(fēng)扇40.040.250.63%液晶顯示器29.529.720.75%飛科吹風(fēng)機(jī)（冷風(fēng)）390.0391.320.34%飛科吹風(fēng)機(jī)（熱風(fēng)）1442.01444.160.15%美的飲水機(jī)298.0298.60.20%格力空調(diào)（制冷）3015.03020.430.18%

表5.2電流有效值誤差表標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)(A)芯片測量值(A)誤差(基于0.5S)白熾燈0.170.17020.12%節(jié)能燈0.110.11050.41%臺式機(jī)主機(jī)0.250.25050.21%美的電風(fēng)扇0.170.17050.27%液晶顯示器0.130.13040.33%飛科吹風(fēng)機(jī)（冷風(fēng)）1.721.72240.14%飛科吹風(fēng)機(jī)（熱風(fēng)）6.486.48520.08%美的飲水機(jī)1.321.32140.11%格力空調(diào)（制冷）13.4013.41340.10%由于本次所采用的參考電表本身就具有一定的誤差，從上表的分析可以看出，由此可以得出本次開發(fā)的家用電器檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性是相對較高的，基本上完成了本次畢業(yè)課題的基本要求。5.3用電負(fù)荷的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析在上面的分析是對單個(gè)設(shè)備的短期使用效果進(jìn)行分析，而本次設(shè)計(jì)的家用電器檢測系統(tǒng)是需要長期的不間斷的使用，因此結(jié)合這些特點(diǎn)，將多種不同的設(shè)備同時(shí)開起來，然后使用本次研發(fā)的家用電器檢測系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)程序監(jiān)控，以20分鐘為一個(gè)時(shí)間跨度對它們的功率進(jìn)行描繪。它的結(jié)果如圖所示。圖5.4大小功率電器混合運(yùn)行時(shí)的功率曲線在上訴中的測試過程中記錄了打開某個(gè)設(shè)備的實(shí)際時(shí)間，并把它們在整個(gè)功率區(qū)線進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)幾乎所有設(shè)備都開啟和關(guān)閉的特征都被很好地分析出來，其中小功率設(shè)備由于其功率較小，在開關(guān)過程中所引起的電功率波動較大，而大功率由于是間歇性工作，因此其變化周期相對較短，但是其功率的增加和減少性比較大的。但是綜合來看本質(zhì)開發(fā)的家用電器檢測系統(tǒng)很好地完成了設(shè)計(jì)的要求的要求。

總結(jié)在本次畢業(yè)課題中，我們基于家庭用電過程中的功率和電流特點(diǎn)完成了一種家用電器檢測系統(tǒng)的開發(fā)，才采用非侵入式負(fù)荷識別算法的加持下，完成了對設(shè)備的綜合性設(shè)計(jì)。從總體的結(jié)構(gòu)上來看，本次設(shè)計(jì)被分為硬件、軟件和數(shù)據(jù)三個(gè)模塊。我在每個(gè)章節(jié)都對它的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了完整的闡述從最后一章節(jié)的實(shí)際分析來看，較好的完成了本次畢業(yè)課題所要求的家用電器檢測系統(tǒng)。其中，本次畢業(yè)課題對負(fù)荷監(jiān)測過程中電器運(yùn)行的特征進(jìn)行了分析，并提出了采集有功功率和電流數(shù)據(jù)的需求，在本次畢業(yè)課題設(shè)計(jì)中的有功功率是以較低的頻率（10Hz）來進(jìn)行采集，而電流信號是通過1.8KHz頻率進(jìn)行采集，并將其所收集到的信息，同時(shí)發(fā)送到PCB模塊中以數(shù)據(jù)的形式存儲下來。參考文獻(xiàn)張誼.一種用于家用電器的交流電壓過壓檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].日用電器,2018,(10):79-81.羅賢東,張民.家用電器生產(chǎn)流水線自動檢測系統(tǒng)[C].//中國儀器儀表學(xué)會.儀器儀表學(xué)報(bào).2005:233-234.王友仁,魯世紅.家用電器用異步電機(jī)商檢線計(jì)算機(jī)檢測系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),1996:37-40.羅賢東,張民.家用電器生產(chǎn)流水線自動檢測系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2005,26(8):2036-2037.羅賢東,張民.家用電器生產(chǎn)流水線自動檢測系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2005,26(z2):233-234.毛安平.淺析虛擬儀器技術(shù)在家用電器檢測中的應(yīng)用[J].電子制作,2019,(8):98-100.陳定宙,ChenDingzhou,徐剛,etal.基于變頻控制系統(tǒng)的電機(jī)溫度檢測[C].//中國家用電器協(xié)會.2012年中國家用電器技術(shù)大會論文集.2012:624-627.張雪梅.現(xiàn)代檢測系統(tǒng)及發(fā)展趨勢[J].商品與質(zhì)量,2019,(38):2.張冠英,張曉亮,劉華,等.低壓系統(tǒng)串聯(lián)故障電弧在線檢測方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2016,31(8):109-115.陳俊.家庭用電異常檢測系統(tǒng)[D].重慶理工大學(xué),2019.羅宇峰.家用電器安全綜合智能測試系統(tǒng)的研制[D].廣東:華南理工大學(xué),2005.張洪照.基于腦波檢測和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)