周心源

摘要

本系統(tǒng)由主回路模塊和用電器分析監(jiān)測裝置模塊組成。用電器分析監(jiān)測裝模塊中以STM32作為主控，主回路模塊用于將監(jiān)測裝置的取電和監(jiān)測進(jìn)行隔離。本裝置可以通過學(xué)習(xí)模式來記錄各種用電器的接入;能夠識別學(xué)習(xí)后的用電器種類并顯示其電氣參數(shù)。通過AD采樣將電器插電后的電流信號變?yōu)殡x散序列，計(jì)算序列的FFT變換得到信號的頻譜，再通過CS5460測出電器的功率、電流等電氣特征的值。其中，需要通過電流互感器、電壓互感器等對原始的電壓、電流進(jìn)行減小和轉(zhuǎn)換，并且對于相差較大的電流信號需要選擇不同的測量通道，再將頻譜和電器特征值進(jìn)行記錄。系統(tǒng)通過計(jì)算待測電器信號的頻譜以及測量電氣特征值，并與已記錄的模板進(jìn)行匹配，從而判定電器類別，并實(shí)時(shí)顯示電器類別、狀態(tài)、電流。

【關(guān)鍵詞】FFT變換 電氣特征 STM32 CS5460

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由主回路模塊和用電器分析監(jiān)測裝置模塊組成。其中，用電器分析監(jiān)測裝置模塊中通過STM32單片機(jī)控制工作模式設(shè)置、用電器類別及狀態(tài)分析、結(jié)果顯示等，主回路模塊用于將監(jiān)測裝置的取電和監(jiān)測隔離。系統(tǒng)主框架如圖1所示。

我們采用分析用電器頻率響應(yīng)的方法作為區(qū)分不同用電器的一個(gè)度量。在學(xué)習(xí)模式下，記錄并存儲不同電器插電后瞬間信號的頻譜，從而在分析監(jiān)測模式下，通過比較待測電器插電后信號的頻譜與已記錄的各電器的頻譜，識別出電器種類等。FFT算法通過蝶形運(yùn)算將DFT從4N²次實(shí)數(shù)乘法及N（4N-2）次實(shí)數(shù)加法精簡至次復(fù)數(shù)乘法和Nlog₂N次復(fù)數(shù)加法，故可借助FFT算法快速分析信號的頻譜。此方法借助頻譜，容易區(qū)別出較多電器設(shè)備，但是由于DFT頻譜分析的精確度隨著采樣點(diǎn)數(shù)的增加以及數(shù)據(jù)的位數(shù)增加等而提高，故在單片機(jī)的存儲空間和運(yùn)算速度有限的情況下，僅借助該方法會存在一定程度上的誤差。

不同的電器具有不同的工作功率、工作電流等電氣特征，可以通過比較這些特征將不同的電器設(shè)備加以區(qū)別。將頻譜分析和電氣特征進(jìn)行結(jié)合，分別賦予頻譜和電氣特征這兩個(gè)因素以一定的權(quán)重，最終量化出待測電器與己經(jīng)記錄的電器的相似度。此方法在分析監(jiān)測上較為全面綜合，誤判率低，識別數(shù)量多。

1.1 電氣分析

（1）采用CS5460芯片可測量電器的功率、電流等電氣特征值，從而區(qū)分各電器。由于該芯片對輸入電壓有限制，因此需要先通過電壓互感器將220V市電轉(zhuǎn)換為5V電壓，再經(jīng)調(diào)理，將電壓減小為150mV以內(nèi)。最后單片機(jī)通過SPI讀取CS5460計(jì)量出的數(shù)據(jù)。

（2）借助FFT分析電流信號頻譜可區(qū)分電器，可讓電流流過1Ω的大功率電阻，從而將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。由于原始電流過大，不能直接用于分析，需要先經(jīng)電流互感器減小電流，再過1Ω的大功率電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號。由于不同電器的電流相差較大，為精確起見，對于轉(zhuǎn)換后相對小的電壓信號，采用儀表將其放大，相對大的信號無需進(jìn)行放大。

1.2 FFT相關(guān)計(jì)算

1.2.1 FFT原理

離散傅里葉變換DFT滿足下式，可依據(jù)該式將AD轉(zhuǎn)換后的x（n）變換至頻域X（k）。

1.2.2 采樣頻率和點(diǎn)數(shù)計(jì)算

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率應(yīng)滿足f_s≥2f_H=2×50Hz=100Hz。此外，由于時(shí)域中對信號的非整周期截短會產(chǎn)生頻譜泄漏，因此X_N（k）的長度N應(yīng)滿足，m為整數(shù)。且理論上，一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)為諧波最高次數(shù)的2倍。綜合考慮，我們可適當(dāng)選取采樣點(diǎn)數(shù)為N=256。

1.3 程序設(shè)計(jì)

1.3.1 程序設(shè)計(jì)思路

（1）通過按鍵1進(jìn)入學(xué)習(xí)模式，在該模式下，首先將不同電器的信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后的256點(diǎn)序列x（n）存入數(shù)組，利用FFT的蝶形算法和式1進(jìn)行傅里葉變換，得出變換后的頻譜X（k），將其記錄，再記錄電感互感器和霍爾電流傳感器得出的功率、電流等電氣特征值，將這些己記錄的頻譜和電氣特征值作為模板庫。

（2）插上用電器后，對待測電器進(jìn)行頻譜分析和功率、電流等電氣值的測量，將結(jié)果加權(quán)，與已記錄的模板進(jìn)行對比，從而判別出電器類別。

（3）實(shí)時(shí)顯示電器的種類、工作狀態(tài)、參量。

（4）當(dāng)接收到按鍵2的中斷后，清除己存儲的所有特征參數(shù)。

1.3.2 程序流程圖

如圖2。