基于FPGA的智能用電器識(shí)別系統(tǒng)

一.項(xiàng)目背景

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以單片機(jī)為核心的多功能電能表已逐漸普及，這一類電能表具有較高的測(cè)量精度和運(yùn)算速度，能夠?qū)Ω髟码娔艿南倪M(jìn)行記錄，保存電能的最大需求量，設(shè)置參數(shù)等。但這僅僅局限于計(jì)量用戶全部用電器的電能消耗，并不能精確到每個(gè)用電器。并且這一類電表在測(cè)量方法上是僅根據(jù)電網(wǎng)的電壓電流的幅值進(jìn)行電能的計(jì)量和統(tǒng)計(jì)，因而功能比較單一。上述電表網(wǎng)絡(luò)的通信能力很差或者根本不具備網(wǎng)絡(luò)通信能力，難以實(shí)現(xiàn)同網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)的通信和數(shù)據(jù)同步。現(xiàn)有的用電器識(shí)別技術(shù)僅能在用戶有大功率的用電器加載時(shí)進(jìn)行控制繼電器斷電處理，并沒有實(shí)現(xiàn)單個(gè)用電器識(shí)別的功能。如果要檢測(cè)每個(gè)用電器的用電量，現(xiàn)行的通用方法是在每個(gè)家用電器的電源入口安裝電壓、電流傳感器，再根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行電量測(cè)量。這樣雖然能夠達(dá)到相應(yīng)的目的，但是價(jià)格偏高，安裝復(fù)雜，可行性較差。

基于上述背景的分析，我們希望能夠創(chuàng)造出一套系統(tǒng)，改進(jìn)現(xiàn)有電器識(shí)別系統(tǒng)，力爭(zhēng)使用最低的成本實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)潔最精確的電器識(shí)別，并通過一個(gè)客戶端反饋給用戶，實(shí)時(shí)反映家庭用各種電器的功耗指標(biāo)。

在此，我們提出了一種基于基于閾值的加權(quán)識(shí)別算法的用電器識(shí)別算法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。

二.項(xiàng)目方案

智能電器識(shí)別系統(tǒng)以Xilinx Spartan 6 FPGA 為控制核心，通過對(duì)母線電流進(jìn)行諧波分析，提取用電器的特征參數(shù);以模糊識(shí)別為基礎(chǔ)，以遞歸求解方程實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)用電器、多個(gè)用電器的識(shí)別，并對(duì)新用電器加入數(shù)據(jù)庫提供簡(jiǎn)易的解決方案。

三.項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)

智能電器識(shí)別系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括電網(wǎng)電壓電流的采樣電路，以及主控制器電路。由于系統(tǒng)的對(duì)用電器的參數(shù)采集主要來自硬件電路，所以對(duì)電壓電流的采樣必須準(zhǔn)確。系統(tǒng)僅根據(jù)電線進(jìn)戶端的電壓和電流就能識(shí)別出正處于使用狀態(tài)的用電器，并記錄相應(yīng)的用電量，投入較低，安裝簡(jiǎn)單。

Microblaze控制電路設(shè)計(jì)

智能電器識(shí)別子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)電網(wǎng)電壓電流采樣電路以及控制器電路。

電器識(shí)別模塊主控芯片采用Xilinx Spartan-6 ，利用片外的12位多通道高性;能ADC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)電網(wǎng)電流信號(hào)進(jìn)行采樣，提取相應(yīng)的特征參數(shù)。利用板載的BPI-Flash存儲(chǔ)器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。內(nèi)核是Microblaze，它是一個(gè)32位哈佛結(jié)構(gòu)的處理器，其最高性能峰值高達(dá)83.3 MIPS?；诖诵酒邪l(fā)的系統(tǒng)可以方便的完成用電器的識(shí)別、電量測(cè)量、數(shù)據(jù)的傳輸，事件管理等工作，精度高可靠性強(qiáng)。

采樣電路設(shè)計(jì)

電網(wǎng)電壓采樣電路以電壓互感器TVA1421-01為核心構(gòu)成，如上圖所示。此電壓互感器為電流型，先將待測(cè)電壓轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)輸入互感器的一次側(cè)，電阻R27將互感器二次側(cè)的輸出電流流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。電阻R27和并聯(lián)電容C59構(gòu)成低通濾波器。

在輸入正弦信號(hào)的正半周上升的四分之一周期內(nèi)，LM311的輸出三極管導(dǎo)通，電容兩端的電壓跟隨輸入正弦信號(hào);當(dāng)正弦信號(hào)到達(dá)峰值以后，LM311 的輸出三極管截止，電容兩端的電壓保持為輸入正弦信號(hào)的峰值，等待單片機(jī)采樣;單片機(jī)采樣后，輸出高電平信號(hào)，Q1導(dǎo)通，給峰值保持電容放電。最后一路為實(shí)時(shí)電壓采樣電路，將電壓互感器輸出的交流電壓抬高2.5V，送至ADC。

電網(wǎng)側(cè)電流測(cè)量

并網(wǎng)電流即輸出濾波電感的電流，為了保證安全和控制系統(tǒng)的可靠性，并網(wǎng)電流的采樣電路必須采用隔離。本電路采用電流霍爾傳感器CSM010SY進(jìn)行隔離采樣，該電流霍爾應(yīng)用霍爾效應(yīng)閉環(huán)原理的電流傳感器，能在電隔離條件下測(cè)量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流。傳感器參數(shù)：線性度<0.1%，精度<0.7%，響應(yīng)時(shí)間<1us,帶寬200KHz，全部滿足本測(cè)量要求。采用霍爾采樣相對(duì)電流互感器的好處是能夠檢測(cè)并網(wǎng)電流的直流分量，并能通過軟件及時(shí)將其消除。電流霍爾輸出交流電壓，將其通過加法電路抬高2.5V后，送入ADC。

軟件設(shè)計(jì)

智能電器識(shí)別系統(tǒng)采用了基于閾值的加權(quán)識(shí)別算法和解多維線性方程組兩種核心算法。

首先運(yùn)用12位ADC ADS7841對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行采樣。在數(shù)據(jù)采樣階段，為了使系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)不發(fā)生紊亂，只能使系統(tǒng)在適當(dāng)時(shí)刻采集數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理過程中，數(shù)據(jù)采樣是需要被禁止的。然而，為了保證每次數(shù)據(jù)處理過程保持一定的一致性，采樣的開始時(shí)刻必須要有基準(zhǔn)。由于本系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓做了過零檢測(cè)，電壓剛好過零的時(shí)刻為數(shù)據(jù)采樣提供了可能性。基于以上分析，實(shí)施數(shù)據(jù)采樣的具體方法為：設(shè)立標(biāo)志位Data_hold用來指示數(shù)據(jù)是否需要保持，置1則系統(tǒng)認(rèn)為需要保持，它僅發(fā)生在數(shù)據(jù)采滿256個(gè)點(diǎn)的時(shí)刻，置0則認(rèn)為采樣可以在某個(gè)時(shí)刻進(jìn)行，它僅發(fā)生在數(shù)據(jù)處理完畢的時(shí)刻;設(shè)立標(biāo)志位AD_enable用來指示AD采樣時(shí)刻是否到來，置1僅發(fā)生在Data_hold為0且電壓過零時(shí)刻到來的時(shí)刻，置0發(fā)生在Data_hold為1的時(shí)刻。為滿足在50Hz電網(wǎng)頻率下，一周期采樣256個(gè)點(diǎn)的需求，設(shè)定了一個(gè)20000/256us的定時(shí)器。采樣完成后把本次的采樣數(shù)據(jù)和上一次的采樣數(shù)據(jù)做差，得出本次所新增用電器的采樣數(shù)據(jù)，而后對(duì)采樣數(shù)據(jù)提取相應(yīng)的特征參數(shù)，同時(shí)對(duì)采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，再次提取相應(yīng)的特征參數(shù)。本系統(tǒng)用電器的特征參數(shù)包含電流峰值、電流均值、電流有效值、電流基波、電流諧波幅值、電流諧波相位、用電器有功功率、電流諧波長(zhǎng)度等。電流峰值、電流均值在采樣時(shí)實(shí)時(shí)對(duì)電流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就能夠得到。而電流有效值、基波等特征參數(shù)能夠在FFT變換之后得到。FFT變換之后，所得到的數(shù)據(jù)是尚未歸一化的，為了保證特征參數(shù)在存取過程中的一致性，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化。歸一化的準(zhǔn)則為：以基波幅值分量為100，其他諧波成分相應(yīng)等比調(diào)整。為了使歸一化數(shù)據(jù)能夠得到恢復(fù)，還需要存儲(chǔ)每個(gè)用電器的功率信息。然后，再根據(jù)這些參數(shù)與數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)參數(shù)做出比較，為了達(dá)到用電器識(shí)別的目的，本系統(tǒng)采用下圖所示的基于閾值的加權(quán)識(shí)別算法方法。首先針對(duì)某一特征參數(shù)和現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)值進(jìn)行模糊算法比較，如果特征值和現(xiàn)有值匹配非常好，則給出一個(gè)很高的分值，隨著匹配度的下降所打的分?jǐn)?shù)也相應(yīng)的降低。而后，針對(duì)每種特征參數(shù)模糊化的識(shí)別結(jié)果，都得到相應(yīng)的匹配系數(shù)，匹配系數(shù)乘以該參數(shù)占有分值，即能得到該參數(shù)的得分。最后，將所有特征參數(shù)的得分相加，即得到該用電器的匹配分值。對(duì)于數(shù)據(jù)庫中的每種用電器，都會(huì)得到一個(gè)相應(yīng)的分值，通過最大分值與及格分值的比較，決定用電器識(shí)別是否成功。若最大分值已經(jīng)高過定義的及格線，則認(rèn)為系統(tǒng)電器識(shí)別成功，結(jié)果即為得到最大分?jǐn)?shù)所對(duì)應(yīng)的用電器;若最大分值沒有超過及格線，則認(rèn)為數(shù)據(jù)庫中尚不存在此種用電器，需進(jìn)行下一步處理。

下圖所示為電器識(shí)別的流程圖。首先根據(jù)進(jìn)戶端的功率變化判斷用電器是運(yùn)行還是關(guān)閉，如果功率不變則驗(yàn)證識(shí)別結(jié)果是否正確、更新數(shù)據(jù)庫特征信息權(quán)值信息、傳輸用電識(shí)別信息，之后再繼續(xù)檢測(cè)功率變化。由于用電器的打開識(shí)別和關(guān)閉識(shí)別是兩個(gè)類似的過程，下面以用電器打開識(shí)別為例說明識(shí)別過程：開始檢測(cè)到電線進(jìn)戶端功率增加，說明有用電器開始運(yùn)行，此時(shí)根據(jù)上文說明的提取特征參數(shù)方法對(duì)運(yùn)行的用電器進(jìn)行特征參數(shù)的提取，先與數(shù)據(jù)庫中單個(gè)用電器的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，采取上文中所述的基于閾值的加權(quán)識(shí)別算法方法對(duì)用電器進(jìn)行相關(guān)評(píng)分。[!--empirenews.page--]

實(shí)例說明

為了更清晰的說明下面列舉一個(gè)打分的實(shí)例：

表3. 1顯示器數(shù)據(jù)庫特征值表

如表上所示，為智能電器識(shí)別子系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例的數(shù)據(jù)庫中顯示器的電流諧波相關(guān)信息。Harm_length為總諧波長(zhǎng)度;Harm_num為相應(yīng)的諧波次數(shù);FFT_R為FFT變換后該次諧波的虛部;FFT_I為FFT變換后該次諧波的實(shí)部。

表3. 2新用電器特征數(shù)據(jù)表

識(shí)別到一個(gè)新接入的用電器，分別和數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的每個(gè)用電器相應(yīng)參數(shù)作比較，給出分?jǐn)?shù)。如上表所示，為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例的新識(shí)別到的用電器電流諧波相關(guān)的參數(shù)，這里以這一參數(shù)為例說明打分過程：電流諧波的總權(quán)值為0.8，也就是百分制中的80分，而諧波長(zhǎng)度的權(quán)值為0.3，也就是80*0.3=24分;每次諧波的分配權(quán)值以數(shù)據(jù)庫中的諧波參數(shù)為參考分配，比如本次和數(shù)據(jù)庫中的顯示器作比較，則每次諧波分配到的權(quán)值為0.7/6=0.117，再把新識(shí)別到的用電器的相應(yīng)參數(shù)與其相比較得出分值，最后把這一參數(shù)所有分值相加，再把所有參數(shù)的分值相加可得出如下表。

表3. 3新接入用電器打分表(及格分?jǐn)?shù)70分)

通過上表可知電風(fēng)扇所打的分?jǐn)?shù)最高，為90分，其余的分?jǐn)?shù)都沒有及格，可知該新接入用電器被識(shí)別為電風(fēng)扇。同時(shí)開始記錄該用電器的功率等相應(yīng)參數(shù)，上述單個(gè)用電器識(shí)別過程為識(shí)別的第一階段。如果所有分?jǐn)?shù)均不及格則識(shí)別失敗，轉(zhuǎn)入識(shí)別的第二階段。

識(shí)別的第二階段：首先分析采集到用電器數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)庫中的每個(gè)用電器參數(shù)記錄從Flash中讀出，通過各用電器的功率信息與諧波信息進(jìn)行不同用電器參數(shù)之間的排列組合，以用電器諧波長(zhǎng)度為優(yōu)先組合原則，按照用電器從少到多，得出不同用電器的組合參數(shù)。實(shí)際上，多個(gè)用電器的組合過程，就是一個(gè)解多維線性方程組的過程。之后，再使用類似單個(gè)用電器識(shí)別方法對(duì)多個(gè)同時(shí)開始運(yùn)行的用電器進(jìn)行識(shí)別。如果識(shí)別成功，開始記錄用電器的功率等參數(shù)，并進(jìn)行顯示。如果所有分?jǐn)?shù)均不及格則識(shí)別失敗，轉(zhuǎn)入識(shí)別的下一階段。

識(shí)別的第三階段：上述識(shí)別均不成功，說明數(shù)據(jù)庫中沒有存儲(chǔ)該新接入用電器的特征參數(shù)，此時(shí)會(huì)動(dòng)態(tài)地將該新用電器的特征參數(shù)加載到數(shù)據(jù)庫，并提示輸入該用電器的名字，至此整個(gè)識(shí)別過程完畢。

識(shí)別過程中，由于外界干擾，會(huì)有一定的誤識(shí)別率。為防止系統(tǒng)的誤識(shí)別，即使沒有新用電器再接入系統(tǒng)，此時(shí)系統(tǒng)仍處于實(shí)時(shí)驗(yàn)證狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，系統(tǒng)需要做的工作是：驗(yàn)證用電器識(shí)別結(jié)果是否正確，驗(yàn)證方法為，將識(shí)別結(jié)果疊加后的特征數(shù)據(jù)信息與實(shí)時(shí)信息模糊比較，得到識(shí)別結(jié)果，若識(shí)別結(jié)果不正確，則把識(shí)別結(jié)果清除，所有用電器重新識(shí)別，轉(zhuǎn)入上述第一階段，若正確，則繼續(xù)處理;然后，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新數(shù)據(jù)庫特征參數(shù)的權(quán)值，以使系統(tǒng)更有本地化特征，更新數(shù)據(jù)庫中特征參數(shù)權(quán)值的過程，實(shí)際是使用電器的正確識(shí)別結(jié)果分值最大化的過程。

表3. 4用電器能耗記錄查詢示意表

如上表所示，用電器識(shí)別成功后，會(huì)記錄相應(yīng)的能耗。其中，用電器能耗的查詢記錄格式為：用電器名稱、用電器使用時(shí)間段、用電器的單次使用時(shí)間累計(jì)，用電器的功率，用電器的能耗等，并能生成相應(yīng)的日統(tǒng)計(jì)、月統(tǒng)計(jì)、年統(tǒng)計(jì)等。并能針對(duì)相應(yīng)的用電器進(jìn)行功率限制，如果超出限制，則會(huì)實(shí)施斷電處理。

用電器關(guān)閉識(shí)別過程和用電器打開識(shí)別過程類似，這里就不做過多贅述。