易健

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居得到了非常廣泛的應(yīng)用，提高了人們的生活質(zhì)量，為人們帶來了高質(zhì)量的生活水平。智能家居各項功能的順利實現(xiàn)是建立在高精度的實時監(jiān)測基礎(chǔ)上，這就需要對線路的單相電參數(shù)進行系統(tǒng)全面的檢測。本文通過對單相電參數(shù)測量系統(tǒng)的整體方案進行了一定的論述，在此基礎(chǔ)上，進一步對單相電參數(shù)計量模塊、系統(tǒng)硬件設(shè)計以及系統(tǒng)軟件設(shè)計進行了深入的分析研究，進而能夠促進單相電參數(shù)測量質(zhì)量的不斷提高，對于從事相關(guān)工作的技術(shù)人員具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：單相電;參數(shù)測量;電器識別

1前言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能物聯(lián)化也獲得了快速的發(fā)展，其在實際生活中最直接的體現(xiàn)就是智能家居，子系統(tǒng)的智能互聯(lián)和統(tǒng)一的管理平臺是未來家電智能化的發(fā)展方向。為了能夠?qū)Σ煌碾娖髟O(shè)備進行實時的監(jiān)控，并根據(jù)相關(guān)的監(jiān)控數(shù)據(jù)對電器設(shè)備進行科學(xué)合理的調(diào)整，這就需要對電氣設(shè)備的單相電參數(shù)進行精確地測量。傳統(tǒng)的單相電測量儀器不僅成本高，并且其測量精度還會受到工作環(huán)境的嚴(yán)重影響，進而造成測量數(shù)據(jù)的參考價值大打折扣。因此，為了有效提高單相電參數(shù)的測量精度，本文結(jié)合MSP430測量儀的測量特點，對當(dāng)前的測量方案進行了一定的改善，通過將ZM101S監(jiān)測到的電參數(shù)傳輸至MSP430中進行進一步的深入分析，再通過系統(tǒng)中設(shè)置的藍牙模塊將電氣設(shè)備的運行參數(shù)傳輸至顯示設(shè)備中，技術(shù)人員就能實時的了解電器設(shè)備的實際運行狀況，實現(xiàn)了低成本下可靠性較高的電參數(shù)測量，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 系統(tǒng)整體方案

整個監(jiān)測系統(tǒng)主要是由MSP430、TFT顯示屏、藍牙主從機以及相應(yīng)的ZM101S模塊等4部分組成，通過利用ZM101S上的集成互感器和精密電阻電路對前端的電路進行科學(xué)合理的調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)單相電變換的目的。在實際的直連測量過程中，通過模塊板上的NEC78F0526單片機和ADC對測量的電參數(shù)進行預(yù)處理后，再經(jīng)由UART通信傳輸至MSP430單片機中，同時還能將電參數(shù)、用電器種類以及其運行狀態(tài)顯示在TFT液晶屏幕上。當(dāng)系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行遠距離的傳輸時，主要是借助設(shè)置在便攜設(shè)備和ZM101S上的藍牙主從機，經(jīng)由藍牙將ZM101S所監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸至便攜設(shè)備，再通過其顯示屏進行顯示。

3 單相電參數(shù)計量模塊

單相電參數(shù)計量模塊在工作過程中所需要的電能主要是通過內(nèi)部設(shè)置的5V單電源進行供給，集成∑-△型ADC，參考電壓電路以及所有功率、能量、電壓電流有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理電路。

該模塊在監(jiān)測工作過程中的優(yōu)勢如下所示：

（1）所輸入的動態(tài)工作電壓范圍非常大，高達5000：1，具有非常廣泛的應(yīng)用范圍，并且其分線性測量誤差能夠進行有效控制，通常不大于1%;

（2）有功測量的精度也較高，能夠滿足0.5級的測量要求，并且能夠支持多種不同的測量標(biāo)準(zhǔn)，適用范圍廣;

（3）系統(tǒng)的動態(tài)范圍在500：1時，其有效值具有非常高的精度，一般不低于0.1%;

（4）通過提供UART通信接口，能夠與其他設(shè)備進行有效的連接，并且還支持MODBUS協(xié)議，具有非常高的實用價值。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要包括：ZM101S、配套的外圍電路以及藍牙便攜設(shè)備等3部分，其中ZM101S主要是負(fù)責(zé)對單相電的電流和電壓進行有效的轉(zhuǎn)換，將220V的交流電按照1000：1的比例進行變比，而將電流互感器按照2000：1的比例進行相應(yīng)的比例變換，同時還能將系統(tǒng)中100KΩ采樣電阻轉(zhuǎn)換到ZM101S能夠測量的范圍內(nèi);系統(tǒng)的外圍電路是由讀寫通信電路和顯示屏電路組成，為了避免兩者之間造成影響，需要對其線路進行科學(xué)合理的布置;藍牙便攜設(shè)備主要是由HC05模塊組成的，其借助相應(yīng)的串口助手軟件進行有針對性的配置。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

5.1 用電器電流有效值的分析

當(dāng)系統(tǒng)對單個電器設(shè)備進行監(jiān)測識別時，其主要是通過對流經(jīng)設(shè)備的電流有效值進行檢測，進而對電器設(shè)備進行科學(xué)合理的識別，并對其工作狀態(tài)進行準(zhǔn)確的判斷。對于具有N個電器設(shè)備的系統(tǒng)而言，其工作狀態(tài)一共具有C1 N中不同的類型，在實際的工作過程中，通過檢測電路中電流的有效值就能對相應(yīng)的電器設(shè)備進行準(zhǔn)確的判斷，當(dāng)系統(tǒng)有多種電器設(shè)備介入后，其相應(yīng)的組合方式一共有C1 N+……+CN N種?？紤]到電器設(shè)備在工作過程中的負(fù)荷不是一成不變的，而是會隨著工作狀態(tài)的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化，其負(fù)載情況非常復(fù)雜，既有阻性負(fù)載，又有感性和容性負(fù)載，這就會造成不同電器設(shè)備所做的無功功率不盡相同。通過大量的試驗發(fā)現(xiàn)，僅根據(jù)電流的有效值，無法對電器設(shè)備的工作狀態(tài)和組合進行科學(xué)合理的判斷，在實際的工作過程中要予以充分的重視。

5.2 基于歐幾里得度量的分析

為了能夠進一步提高電器設(shè)備工作狀態(tài)和組合的識別精度，將基于特征參量的算法運用于測量儀的算法之中。在相應(yīng)的學(xué)習(xí)模式下，將所有電器設(shè)備中的電流有效值、有功功率以及功率因素等特征參量作為系統(tǒng)學(xué)習(xí)的樣本數(shù)據(jù)，單個器件學(xué)習(xí)模式從單片機讀取到的電參數(shù)如表1所示。

通過對電氣設(shè)備的數(shù)量和工作狀態(tài)的刷新頻率進行綜合性的考慮，只選取其中區(qū)分度較大的功率因數(shù)和電流有效值作為判斷的特征參量。為了能夠進行更加直觀的展示，以功率因數(shù)作為橫坐標(biāo)、電流作為縱坐標(biāo)，建立相應(yīng)的坐標(biāo)系。根據(jù)歐幾里得的度量算法，計算在MSP430中電器設(shè)備的特征參量與樣本參量之間的歐氏距離，其中歐氏距離結(jié)果個數(shù)最小的對應(yīng)的電器樣本認(rèn)為是待測電器設(shè)備，其具體的形式如圖1所示。

5.3 程序設(shè)計

在所設(shè)置的程序中，程序模式的選取是通過相應(yīng)的按鍵實現(xiàn)的，其中學(xué)習(xí)和監(jiān)測狀態(tài)下的模式一共有9種，其中對應(yīng)的模式1只要是對之前存儲的C1 N+……+CN N電器設(shè)備器件進行相應(yīng)的監(jiān)測，并將所監(jiān)測到的運行數(shù)據(jù)展示到TFT屏幕上，進而確保技術(shù)人員能夠?qū)崟r了解電氣設(shè)備的運行狀態(tài);模式2～8主要對應(yīng)的是不同器件的學(xué)習(xí)模式，能夠?qū)?個不同的器件進行學(xué)習(xí)，同時在學(xué)習(xí)過程中單片機嚴(yán)禁出現(xiàn)中斷情況，進而避免讀寫錯誤的發(fā)生。

6 結(jié)語

總而言之，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居走進了千家萬戶，給人們的生活帶來了極大的便利，提高了人們的生活質(zhì)量。為了確保智能家居系統(tǒng)中所有電器設(shè)備的正常運行，就要通過對系統(tǒng)的單相電線進行科學(xué)合理的電參數(shù)測量，進而能夠根據(jù)相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)對電器設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，并根據(jù)工作的需要進行相應(yīng)的調(diào)整。

參考文獻：

[1] 楊艷. 從零開啟大學(xué)生電子設(shè)計之路-基于MSP430Launch-Pad口袋實驗平臺[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2014.