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室内安全监测智能终端的设计

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 (杭州电子科技大学微电子CAD研究所, 浙江 杭州 310018)
  摘 要: 通过对目前国内外室内用电安全检测装置的技术现状和功能缺陷的分析,研究并设计了一种以STM32单片机为核心,集用电安全监测和环境安全监测于一身的室内安全监测智能终端。介绍了终端的硬件电路组成模块,分析了用电器识别和电弧检测的软件实现方法。经过实验验证,该终端监测数据准确可靠,系统运行稳定,能够满足室内安全监测的基本要求。
  关键词: 室内安全; STM32; 智能终端; 电器识别
  中图分类号:TP319 文献标志码:A 文章编号:1006-8228(2016)10-18-04
  Design of an intelligent terminal for indoor security monitoring
  Xing Xiaoying, Zhou Lei
  (Institute of Microelectronics CAD Research, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou, Zhejiang 310018, China)
  Abstract: By analyzing the current technology status and functional defects of indoor electrical safety testing device of domestic and international, an indoor electrical safety monitoring intelligent terminal with STM32 microcontroller as the core is researched and designed, which sets electricity safety monitoring and environmental safety monitoring as one. The hardware circuit module of the terminal is introduced, and the software realization method of the identification and arc detection of electrical appliances is analyzed. Through experimental verification, the terminal monitoring data is accurate and reliable, the system runs stably, and can meet the basic requirements of indoor safety monitoring.
  Key words: indoor safety; STM32; intelligent terminal; electrical appliances identification
  0 引言
  目前,断路器、空气开关等电路保护装置的使用在居民家庭中已经非常普遍,能够在线路发生短路、电流过载时切断电源,保护居民人身和财产安全。随着传感器技术的发展,各种各样的环境检测装置也开始陆续出现在家庭中。
  用电安全方面,国内目前多使用低压断路器作为保护装置,其核心部件是一个脱扣装置,它利用某些物理效应,通过电磁元件等机械结构来控制电路的通断。比如当发生短路或过载时,线路电流变大,发热量加剧,双金属片变形到一定程度后推动开关机构动作。这种断路器的一大缺点是开关动作时间受电流大小影响,电流越大,动作时间越短。与国内相比,欧美等国家在智能电器方面的研究起步较早,用电安全保护相关的产品也比较先进,目前大多使用一种智能电弧断路器。这种智能断路器综合了计算机技术、微电子技术、传感器技术等先进技术,使用微处理器作为“大脑”,复杂的传感器和电子电路代替电磁式脱扣装置,实现断路器的保护功能[1]。
  从电磁式断路器和智能断路器的基本原理来看,无论是利用物理效应还是传感器技术,都是基于对线路中大电流的检测。这种检测方法过于简单,检测功能过于单一,有很大的局限性[2]。目前看来,主要存在以下不足:
  ⑴ 对整条线路的总电流进行检测,无法准确定位故障来源;
  ⑵ 导致电弧的原因很多,有些情况产生的电弧(如大功率电器突然断开)并不会有安全隐患,难免会引起误判;
  ⑶ 用电检测功能单一,无法同时检测室内环境,无法远程监控。
  针对目前国内外市场上用电安全检测产品存在的不足,研究设计了一种集用电安全监测和环境安全监测于一体的室内安全监测智能终端。使用基于负载电流波形的数学分析方法,可以准确地对线路中不同用电器、不同电弧进行区分。
  1 功能介绍
  针对室内用电安全、环境安全的监测需求和当前市场上相关产品的不足,室内安全监测智能终端设计功能如下:
  ⑴ 对室内接入线路的电流波形进行实时采样,通过智能算法计算电流波形参数,识别接入用电器种类。
  ⑵ 实时监测线路电流波动,对可能引起故障电弧的畸变电流进行频域分析,提取特征参数。
  ⑶ 集成温湿度、噪声、PM2.5等多种环境传感器,对室内环境进行实时、准确的监测与警告。
  ⑷ 内置以太网卡,实现用电、环境数据远程上报,为后台大数据分析提供数据支持。
  2 硬件组成
  室内安全监测智能终端包括微处理器、电流互感器采样电路、多种环境传感器、TFT触摸液晶屏、以太网卡、电源稳压电路等。终端硬件组成框图及实物图如图1所示。  本设计采用基于ARM Cortex-M3内核的32位微处理器STM32F103VET6。该芯片属于“增强型”系列单片机,是同类产品中性能最高的一款。它内置的3通道12位高精度AD转换模块可以迅速的对外部模拟电压进行转换并将转换数据发送给CPU处理[3]。
  电流采集使用霍尔电流互感器,是室内用电安全监测功能的核心器件,它可以将电流信号转换成线性电压信号输出,具有精度高、功耗低、线性度好、易于安装等优点。图2中的U5为霍尔电流互感器。
  3 软件设计
  室内安全监测智能终端的核心在于软件设计,主要包括电流采样算法,电器识别算法,以及故障电弧检测算法。
  3.1 电流采样
  电流采样的精度是影响电器识别算法和电弧检测算法的关键因素。霍尔电流互感器输入量程为
  -20A~+20A,输出为1.65±1.25V的线性直流电压,其输入/输出曲线如图3所示。
  使用STM32内部自带的12位AD转换器对霍尔电流互感器的模拟电压输出进行采样,由于电源电压稳定性、AD转换器转换精度等外部因素的存在,单次AD转换得到的数字量并不准确。多次采样再进行软件滤波的方法可以比较准确的获得一个采样数据,连续进行AD转换N次,对N次转换结果从小到大排序,分别删除最小的和最大的L个数据,对剩余N-2×L个数据取平均,得到的平均值就是一个采样点的电压所对应的数字量d(i)。
  其中,x(k)为N次转换结果从小到大排序后的数据。
  根据霍尔电流互感器的输入/输出曲线(图3),一个采样点的电压数字量d(i)到线路真实电流的转换公式为:
  其中,是AD转换器的参考电压;V0是线路电流为0时互感器的输出电压;Imax是互感器的最大可测量电流;ΔV是互感器线性输出电压变化最大值。
  3.2 电器参数计算
  ⑴ 电器识别参数计算
  传统的基于线路总电流的检测方法有很多弊端,缺乏对故障用电器的定位,是一种简单粗暴的方式。室内安全监测智能终端的首要目标就是识别接入用电器,从而可以解决故障用电器的定位问题。
  通过对用电器接入或移除时的瞬时电流进行采样,计算电流识别参数,对各种用电器的瞬时电流变化规律分类统计,可以用特征匹配的方式实现对用电器的识别。采用离散傅里叶变换(DFT)将线路的采样电流从时域变换为频域,有助于对不同用电器电流识别参数的计算和分析[4]。
  对于个采样数据,它的离散傅里叶变换(DFT)为:
  利用欧拉公式
  设,则公式⑶变形为:
  进一步计算得到:
  时域中任何波形都可以经过上述傅里叶变换分解为各次谐波的组合[5],高次谐波对波形整体影响非常小,因此只要合理选定谐波次数k,将前k次谐波系数作为特征匹配的参数,即可通过特征参数匹配识别出用电器。
  ⑵ 功率计算
  对于同种负载类型的用电器,比如饮水机与电水壶,电流波形的差异比较小,仅通过上述电流波形参数有时难以作出判断,因此引入功率参数,在电流参数匹配之后再进行功率匹配,可以增加同类用电器的识别率。
  用霍尔电流互感器对线路电流的采样数据是离散的,流过互感器的总电流有效值的离散计算公式为:
  其中,I(i)是一个采样点的采样电流,n为一个周期的采样个数。在线路电压U=220V时,通过电流可以计算出功率:
  在频域内电器识别参数相差很小的情况下,通过功率将一些功耗差别较大的用电器加以区分。
  为了验证电流识别参数和功率匹配相结合的算法的有效性,实验选取了多种不同类型的用电器进行了多次识别实验,实验结果如表1所示。
  3.3 故障电弧特征提取
  居民用电中很多情况下都会产生电弧,有的是由于电线短路、电器故障等引起,这些故障电弧往往会导致更严重的安全事故;有的是用电过程中的正常电弧,比如大功率用电器的突然断开、关闭等,这类电弧并不会存在安全隐患。在上述电流波形采样算法的基础上,通过检测电流波形的跳变来识别电弧的发生比较容易,难点是对故障电弧和正常电弧的区分。
  经过大量的采样实验发现,故障电弧产生的瞬间其电流波形变化速度远大于正常电弧,且故障电弧在电弧前后有明显的高频杂波。图4显示了一组故障电弧和正常电弧的电流波形,故障电弧为饮水机内部偶发性短路引起,正常电弧为饮水机突然启动导致。
  通过图4中三张图的对比发现,饮水机正常工作时的电流波形接近于正弦波,发生故障电弧时的波形中有不规律的高频噪声,正常电弧虽然也存在毛刺,但与故障电弧相比少了很多,且变化速度慢。在实际的检测算法中,通过计算电流波形的变化速率,以及高频噪声的分布密度,可以对故障电弧和正常电弧作出区分。
  4 结束语
  本文主要介绍了基于STM32单片机的室内安全监测智能终端,系统集用电安全监测和环境安全监测于一体。能够智能识别接入用电器的类型,检测线路中的故障电弧,对室内温湿度、噪声、PM2.5等环境数据进行监测和报警。还可以通过网络将用电监控数据和环境监控数据上传到远程服务器,供服务器进行大数据分析处理。该终端不仅可以应用于普通家庭,还可以用于工矿企业、事业单位以及学校等公共场所,具有良好的应用前景。
  参考文献(References):
  [1] 胡绍兵.国内外智能低压断路器的研究现状与发展趋势[J].
  煤矿机电,2013.5:52-54
  [2] 吴威.基于模糊模式识别的负载电流波形数据检测研究[D].
  吉林建筑工程学院,2012.
  [3] 张庆辉,马延立.STM32F103VET6和ENC28J60的嵌入式
  以太网接口设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2012.9:23-25,32
  [4] 张淼特,谷小红.电器恶性负载识别方法研究与仿真[J].计算
  机仿真,2013.2:213-216

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