一种用电器检测与识别装置

1.本实用新型涉及仪器检测技术领域，具体是一种根据功率电压等指标实时检测用电器种类和使用状态的装置。


背景技术：

2.近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此越来越广泛地应用于自动控制、智能化仪器、仪表、数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，再根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
3.现有的用电器检测与识别装置正确率较低，且容错率低，当用电器过多时，对于用电器的类别以及参数无法获知。现有技术中的用电器工作过程中的监测装置仅在联网状态下借助手机app才可以对不同的用电器在各种状态进行监测，在网络不稳定以及无网状态下都无法对用电器进行监测。同时目前现有设计装置识别用电器的工作状态也比较单一，例如用电器的工作电压、电流以及功率等。本实用新型容错率高，可以在无网状态下系统通过检测分析电器信号的频谱以及测量电气特征值,并与已记录的模板进行匹配，从而判定电器类别，并实时显示电器类别、状态、电流等信息。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种用电器检测与识别装置。
5.实现本实用新型目的的技术方案是：
6.一种用电器检测与识别装置，包括用电器功率采集模块、单片机控制模块、蓝牙模块、显示模块和电源模块，用电器功率采集模块通过隔离串口与单片机控制模块的输入端连接，单片机控制模块的输出端分别与显示模块和蓝牙模块连接，电源模块为装置的各模块供电；待检测的用电器与市电连接后接入用电器功率采集模块的输入端，用电器功率采集模块采集用电器两端的电压值和电流值，并将采集到的数据通过隔离串口传输至单片机控制模块，单片机控制模块对接收到的数据与单片机控制模块内部存储的参数进行匹配和计算处理后，将得到的用电器类型传输至显示模块和蓝牙模块中。
7.所述的用电器功率采集模块，是基于带零线电流测量的单相多功能计量芯片ade7953 模块；ade7953带零线电流测量的单相多功能计量芯片可在片内完成信号采样、计算和误差校正等，可以精确测量和计算多种电气参数，通过串行接口输出，获取有用功率、无用功率、电流有效值、电压有效值等特性参数。
8.所述的单片机控制模块，是基于stm32c8t6芯片的dsp控制器；该模块内部中的参数计算stm32c8t6芯片，根据学习的用电器的个数建立2个数组，一个数组是存放用电器编号的组合，另一个是存放用电器组合后的二维特征表，二维特征表由将电压归一化处理的
有用功率和无功功率构成，通过欧几里得度量找出相似度最接近的组合。
9.所述的电源模块，包括隔离dc-dc转换器和ldo稳压器，220v交流电源接入电源适配器得到5v的直流电源，为单片机主控模块供电，5v直流电依次通过隔离dc-dc转换器和 ldo稳压器后为用电器功率采集模块提供稳定的3.3v电压，确保电路的正常稳定工作；其中电压隔离可以对电流、电压等电量参数进行高速精确测量，经隔离转换成标准的模拟信号输出。
10.所述的蓝牙模块，是基于hc-06d型号的蓝牙通信模块，单片机控制模块内部的显示控制单元通过串口通信协议将数据传输给蓝牙通信模块。
11.所述的显示模块，是基于lcd12864的显示屏和智能终端，蓝牙模块与智能终端的app 模块蓝牙连接，最终可以在智能终端中显示。
12.用电器功率采集模块采用带零线电流测量的单相多功能计量芯片ade7953。
13.本实用新型提供的一种用电器检测与识别装置，该装置的用电器功率采集模块采用带零线电流测量的单相多功能计量芯片ade7953作为核心采集，ade7953是一款高精度电能计量ic，主要用于单相应用。它能够测量线路电压和电流，并计算有用功、无用功、视在功率以及瞬时均方根电压和电流。利用stm32c8t6单片机做为控制中心进行电路控制和数据处理，测量用电器电特征参数并进行内部存储参数匹配，以及进行参数比对，实现对用电器种类的识别，并将最后识别结果发送至lcd12864显示屏和app进行实时显示。电源模块系统电能采集于220v交流电源，接入电源适配器得到5v的直流电源，为屏幕和存储芯片等供电。5v稳定电源通过电源模块的变压电路、稳压电路为整个单片机系统提供稳定的3.3v电压，确保电路的正常稳定工作。其中电压隔离可以对电流、电压等电量参数进行高速精确测量，经隔离转换成标准的模拟信号输出。经测试，本系统在usb适配器工作下维持电流10ma，功耗小，完成了基于ade7953的根据电源线电流的电参量信息分析在用电器类别的装置。该装置具有检测、学习和分析识别工作模式。在分析识别模式下，实时指示在用电器的类别。通过在测量排插上接上不同的用电器，查看测量的各特征参数的值和误差。完成学习模式，检测识别和分析模块，结果显示能准确判断用电器种类，可以识别七种用电器的不同组合并满足随机增减识别，容错率高，检测正确率高。且响应时间小于2s，可以完成app实时显示，满足日常使用需要。
附图说明
14.图1为一种用电器检测与识别装置的结构框图；
15.图2为单相多功能计量芯片ade7953的电路图设计图；
16.图3为学习和负载识别流程图；
17.图4为识别过程欧几里得算法的图形表示。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步阐述，但不是对本实用新型的限定。
19.实施例：
20.如图1所示，一种用电器检测与识别装置，包括用电器功率采集模块、单片机控制
模块、蓝牙模块、显示模块和电源模块，用电器功率采集模块通过隔离串口与单片机控制模块的输入端连接，单片机控制模块的输出端分别与显示模块和蓝牙模块连接，电源模块为装置的各模块供电；待检测的用电器与市电连接后接入用电器功率采集模块的输入端，用电器功率采集模块采集用电器两端的电压值和电流值，并将采集到的数据通过隔离串口传输至单片机控制模块，单片机控制模块对接收到的数据与单片机控制模块内部存储的参数进行匹配和计算处理后，将得到的用电器类型传输至显示模块和蓝牙模块中。用电器功率采集模块以高精度电能计量ic ade7953芯片做为核心采集，利用stm32c8t6单片机做为控制中心进行电路控制和数据处理，测量用电器电特征参数并进行内部存储参数匹配，利用欧几里得算法进行参数比对，实现对用电器种类的识别，并将最后识别分析结果发送至lcd12864显示屏和app进行实时显示。ade7953带零线电流测量的单相多功能计量芯片可在片内完成信号采样、计算和误差校正等，可以精确测量和计算多种电气参数，通过串行接口输出，获取有用功率、无用功率、电流有效值、电压有效值等特性参数。
21.电源模块包括隔离dc-dc转换器和ldo稳压器，220v交流电源接入电源适配器得到 5v的直流电源，为单片机主控模块供电，5v直流电依次通过隔离dc-dc转换器和ldo稳压器后为用电器功率采集模块提供稳定的3.3v电压，确保电路的正常稳定工作；其中电压隔离可以对电流、电压等电量参数进行高速精确测量，经隔离转换成标准的模拟信号输出。
22.蓝牙模块是基于hc-06d型号的蓝牙通信模块，单片机控制模块内部的显示控制单元通过串口通信协议将数据传输给蓝牙通信模块。
23.显示模块是基于lcd12864的显示屏和智能终端，蓝牙模块与智能终端的app模块蓝牙连接，最终可以在智能终端中显示。
24.图2为带零线电流测量的单相多功能计量芯片ade7953的电路设计。ade7953带零线电流测量的单相多功能计量芯片可在片内完成信号采样、计算和误差校正等，可以精确测量和计算多种电气参数，通过串行接口输出，获取有用功率、无用功率、电流有效值、电压有效值等特性参数。具有外围电路简单，精度高，稳定性强，功耗低，能在片内完成多种参数的采集和计算等优点。
25.其中电流检测通道限流阻值选择中，ade7953规定电压通道的模拟输入的单端电压输入的最大输入范围为
±
500mv，将有效值为300v交流电分压后输入其芯片的vn及vp管脚，且根据电阻分压原理确定阻值,满足以下公式：
[0026][0027]
同时为保证每个电阻的功率在合适范围采用将较大的电阻改为几个小电阻串联的方式连接。本系统方案选择四个200kω电阻串联，后串联两个并接1000ω电阻。
[0028]
该电路中电流检测通道限流阻值的选择，因为电流的测量采用电流通道a(相电流通道) 的模拟输入。该差分电压输入的最大输入范围为
±
500mv。本题目所设定的最大电流为8a，电流互感器为额定输入输出电流分别为10a、5ma，所以选定限流电阻为50ω，同时为了避免电阻工作功率较大，采用两个100ω电阻并联的方式实现。
[0029]
学习和负载识别流程图如图3所示。负载学习时，将用电器数目存入储存芯片，通过 ade7953检测当前用电器两端电压，将有用功率存入并在储存地址，并建立电压归一化的功率二维数组，把有用功率和无用功率记录数据到存储器芯片中。由于组合用电器的功
率满足单个负载功率的线性叠加，统计所有组合的有用功率和无用功率。
[0030]
在识别模式下，将当前电压的平方乘电压归一化后的功率，再建立实时特征表二维表查表的负载识别。如以下公式：
[0031][0032]
负载识别过程中主要利用学习时储存的用电器的有用功率和无用功率。当多个用电器接入电路时他们的电压归一化后的有用功率和无用功率都满足线性叠加原理。
[0033]
负载识别时采用的欧几里得算法如图4所示，首先遍历当前已学习的负载及其所有组合。将已学习负载的特征参数放入表中。再遍历所有负载组合，将已学习负载所有可能的组合存入。同时归一化功率与当前电压的平方相乘形成用电器功率表格。最后根据当前采集到的功率特征参量对数据表进行查找，利用有用功率差和无用功率差值，通过欧几里得相似度原理找出最相似的数值匹配，即为当前接入的用电器种类。识别用电器过程，本系统利用欧几里得距离计算相似度，以有用功、无用功分别作为x、y轴建立直角坐标系，通过计算当前点与表格中所有点的距离确定相似度大小。通常情况下，我们所计算的距离，n维空间中的欧式距离的计算公式为：
[0034][0035]
该装置以高精度电能计量ic ade7953作为核心采集，利用stm32c8t6单片机做为控制中心进行电路控制和数据处理，测量用电器电特征参数并进行内部存储参数匹配，利用欧几里得算法进行参数比对，实现对用电器种类的识别，并将最后识别分析结果发送至lcd12864显示屏和app进行实时显示。