徐浩源　程艷杰　謝鵬利　楊璐

摘 要：當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為智能化領(lǐng)域的研究熱點，并且被逐步應(yīng)用到家庭用電領(lǐng)域。在此背景下，設(shè)計了一種基于移動終端的家庭智能用電系統(tǒng)，包括能夠單獨計量及控制的多插孔智能插座，功能完備的可視化平臺，實現(xiàn)用電異常檢測與終端平臺預(yù)警。該系統(tǒng)優(yōu)化了傳統(tǒng)智能插座的缺陷，實現(xiàn)了智能設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)的連接，可以采集、監(jiān)測、控制、管理、診斷用電，幫助用戶合理管理、優(yōu)化家庭用電。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);家庭智能用電;智能插座;用電異常檢測;移動終端;STM32

中圖分類號：TP216文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）03-00-04

0 引 言

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為智能化領(lǐng)域的研究熱點，并且逐步應(yīng)用到家庭用電領(lǐng)域。將家庭用電和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)聯(lián)系起來，將需求側(cè)管理融入到每一個電器產(chǎn)品設(shè)計和系統(tǒng)構(gòu)置上，并使終端可以與電網(wǎng)及分布式能源進行響應(yīng)和交流，不僅可以實現(xiàn)合理用電，節(jié)約能源，還可以檢測用電異常，實現(xiàn)安全用電，讓家居生活更加舒適、安全、便利[1]。

智能插座作為家庭智能用電的基礎(chǔ)部件受到了廣泛關(guān)注，但市場上目前流通的一些關(guān)于智能插座的產(chǎn)品仍存在許多缺陷。例如功能單一，且大多數(shù)需要通過昂貴的網(wǎng)關(guān)連接。另外，對于遠程控制、分布式用電安排等方面拓展應(yīng)用較

少[2-4]。此外，絕大多數(shù)插座不能實時監(jiān)測插座的電參數(shù)，無法滿足用戶的按需用電要求，更不能實現(xiàn)遠程監(jiān)控[5]。

在體驗智能化便利生活的同時，用電安全不容忽視，研究用電器異常檢測既為人們的安全用電提供了一定程度的保障，同時也是一種節(jié)能減排的途徑。國內(nèi)外專家基于不同的因素對電器異常檢測存在的具體問題提出了不同的解決辦法，如支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聚類分析法、局部離群因子法、統(tǒng)計學(xué)方法等[6-9]，這些方法為用電數(shù)據(jù)異常檢測識別提供了全新的解決思路和辦法。

基于此，本文設(shè)計了一種基于移動終端的家庭智能用電系統(tǒng)，包括能夠單獨計量及控制的多插孔智能插座，功能完備的可視化平臺，可進行用電異常檢測并在終端平臺進行預(yù)警。該系統(tǒng)優(yōu)化了傳統(tǒng)智能插座缺陷，實現(xiàn)了智能設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)的連接，可以采集、監(jiān)測、控制、管理、診斷用電，從而幫助用戶合理管理、優(yōu)化家庭用電。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)普通家庭的用電情況設(shè)計了一款智能插座;根據(jù)獲得的用電信息進行分析處理，進而實現(xiàn)用電器異常檢測;編寫設(shè)計Android手機程序，以便向用戶反饋用電行為，實現(xiàn)用戶與電網(wǎng)公司的交互。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

家庭智能用電系統(tǒng)主要包括以下三部分：

（1）智能插座：可以實現(xiàn)智能設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)的連接，并且能夠單獨計量及控制，實現(xiàn)對家庭數(shù)據(jù)的實時傳輸;

（2）異常檢測：主要對智能插座采集到的數(shù)據(jù)進行異常分析和檢測;

（3）可視化平臺：具有家庭用電器實時功率信息的監(jiān)測、家庭用電器遠程開關(guān)控制、用電器優(yōu)先度設(shè)置、用電器異常預(yù)警等功能。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 智能插座設(shè)計

智能插座以STM32[10]為主控制器，通過串口與ESP8266模塊連接進而將智能設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸與反向控制。硬件部分主要由電源電路、通信模塊、處理器、計量電路、開關(guān)電路五個基本部分構(gòu)成。結(jié)構(gòu)圖與實物分別如圖2和圖3所示。

2.2 用電異常檢測

2.2.1 用電數(shù)據(jù)采集與處理

利用智能插座采集數(shù)據(jù)，對于不規(guī)律且有噪聲的數(shù)據(jù)，本節(jié)基于統(tǒng)計圖控制理論對這些不良數(shù)據(jù)進行處理。

控制圖是對過程控制量特性值進行測定、記錄、評估和監(jiān)測，以判斷過程是否處于統(tǒng)計控制狀態(tài)的一種采用統(tǒng)計方法設(shè)計的圖形，其基本原理如圖4表示。其中，μ為中心線，μ±3σ為上下控制限，一旦有界限之外的數(shù)據(jù)點出現(xiàn)，就可判斷為異常點，即認(rèn)為它們是由特殊因素造成的過程變異。對連續(xù)型隨機變量所做的控制圖一般稱為計量控制圖。通常控制圖的橫軸是時間，縱軸可有多種選擇，例如均值、標(biāo)準(zhǔn)差等。

本文采用X-bar控制圖進行用電異常檢測。通過測量得到每個交流電周期的功率，應(yīng)用MINITAB軟件，根據(jù)X-bar控制圖去除噪點，將得到的原始功率數(shù)據(jù)分區(qū)間進行均值和均方根誤差的計算，為方便分析，將功率數(shù)據(jù)分為待機區(qū)和工作區(qū)，并設(shè)定各區(qū)間的閾值（該操作狀態(tài)下的功率波動容許范圍）。

2.2.2 基于EM算法的用電器異常檢測

異常檢測的基本思想：通過對待檢測用電器的波形數(shù)據(jù)與正常模式數(shù)據(jù)進行對比來檢測是否存在異常。

（1）EM算法建立正常時的模型

通過EM算法[11]建立正常時的模型：首先根據(jù)己經(jīng)給出的觀測數(shù)據(jù)初始化模型參數(shù);然后隨機取樣估計出模型參數(shù);反復(fù)迭代，直至最后收斂，迭代結(jié)束后得到模型參數(shù)。迭代公式如式（1）和式（2）所示。

E步：對于每一個樣例i，計算

（1）

M步：

（2）

式中，Qi表示該樣例隱含變量z的某種分布。

（2）異常分析

將實時測量的86 400個（以秒為單位）用電器耗電數(shù)據(jù)進行處理，得到功率波形，將獲得的功率波形分段表示為運行區(qū)間和待機區(qū)間，根據(jù)分割識別得到的工作區(qū)和待機區(qū)狀態(tài)分別與正常模式的值進行馬氏距離[12]的測量，如式（3）所示，在馬氏距離預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的狀態(tài)區(qū)間認(rèn)為是正常安全的;在預(yù)設(shè)范圍外的狀態(tài)區(qū)間認(rèn)為是異常的。

（3）

式中：X為待檢測用電器的功率波形數(shù)據(jù);μ為正常時的均值;Σ為正常時的協(xié)方差矩陣。

圖5所示為異常檢測系統(tǒng)設(shè)計的流程。

2.3 可視化平臺設(shè)計

通過智能插座的優(yōu)化設(shè)計和針對用電器耗電數(shù)據(jù)進行的異常檢測，可以實現(xiàn)完整、系統(tǒng)的家庭用電行為分析，幫助用戶更加全面地得到電能消耗反饋并更安全地使用電器?；谝陨侠砟睿疚脑O(shè)計了一款A(yù)ndroid手機程序。

Android Studio平臺的開發(fā)運用Java語言編寫，以保證軟件多平臺通用性及運行維護的穩(wěn)定性;通過串口通信下載智能插座傳輸數(shù)據(jù)，上傳控制命令;界面預(yù)期功能包括用電器實時功率信息的監(jiān)測、家庭用電器遠程開關(guān)控制、用電器優(yōu)先度設(shè)置、用電器異常預(yù)警等功能。圖6為Android Studio平臺開發(fā)的設(shè)計流程，圖7為設(shè)計的移動終端APP效果圖。

3 家庭智能用電系統(tǒng)應(yīng)用與測試

3.1 數(shù)據(jù)采集與處理

根據(jù)控制圖相關(guān)理論，以電視、電飯煲、廚房燈為例，根據(jù)所測量的單個用電器耗電數(shù)據(jù)，通過MINITAB軟件繪制用電器X-bar控制圖。圖8～圖10所示分別為電視、電飯煲和廚房燈在運行狀態(tài)下的X-bar控制圖。圖中上下控制限之內(nèi)為正常點，之外為異常點，將異常點篩去，以便進行后續(xù)分析。

3.2 用電異常檢測

基于EM算法建立三種用電器（電視、電飯煲、廚房燈）正常工作時的耗電量波形圖，如圖11～圖13所示，并對它們一天的耗電量進行檢測。

對于待檢測用電器數(shù)據(jù)，求該數(shù)據(jù)對正常模式的馬氏距離，并賦予這條數(shù)據(jù)一個標(biāo)簽，然后根據(jù)標(biāo)簽賦予不同的線條，繪制圖形。其中，工作時曲線為實線，異常時的工作曲線為點劃線，如圖14～圖16所示。

由此可以看出，三條曲線均沒有點劃線，因此三種用電器均不存在異常功耗，它們的用電行為是合理安全的。

3.3 移動終端測試

基于移動終端的家庭智能用電系統(tǒng)包含智能硬件、移動終端和物聯(lián)網(wǎng)平臺端。對于該家居智能用電系統(tǒng)測試主要包括如下兩個方面：

（1）測試智能用電系統(tǒng)硬件是否能夠正常穩(wěn)定工作;

（2）測試智能硬件端是否能夠與物聯(lián)網(wǎng)平臺建立連接，實時將數(shù)據(jù)同步和反向控制。

智能插座測試如圖17所示，移動終端APP測試如圖18所示，可以看出被測試部件均正常工作。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了基于移動終端的家庭智能用電系統(tǒng)，通過智能插座進行用電數(shù)據(jù)的實時傳輸，基于用電信息可視化平臺進行用電數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)實時用電器異常檢測，從而拓展家庭智能用電的方向。此智能用電系統(tǒng)可以幫助用戶合理管理、優(yōu)化家庭用電，實現(xiàn)低耗、節(jié)能，使得互聯(lián)網(wǎng)時代的生活用電更加安全便捷。

參 考 文 獻

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