一种具有学习功能的电器识别电路设计

宗锐，何福根，张帆远

（山东科技大学，山东济南 250031）

目前，大部分用电识别装置只能默认识别已存的参数范围，该设计利用代码实现学习功能，根据特征参量识别若干同种用电器后，即可识别所有同种用电器。主机以STM32 为主控制器，通过SPI 与ATT7022 电能采集模块进行通信；ATT7022 模块负责采集用电器电压、电流、有功功率、无功功率以及功率因数等电源参数[1-5]。设计完成后，进行试验证明了装置的可靠性。

1 主控制器件、芯片等选型

1.1 主控制器件

1）传统51 系列单片

从内部硬件到软件有完整的按位操作系统，称作位处理器。处理对象是位，不是字或字节。其优点：对片内某些特殊功能寄存器的某位进行传送、置位、清零、测试等处理，进行位的逻辑运算，功能完备，使用方便；在片内RAM 区间开辟一个双重功能的地址区间，使用灵活；乘法和除法指令为编程带来便利。其缺点：内存较小，AD、EEPROM 等功能需要扩展，增加了硬件和软件负担；I/O 脚高电平时无输出能力；双数据指针等运行速度慢；保护能力差，易烧坏芯片。

2）STM32 控制核心

STM32[6-9]大小为32 bit，具有外围接口丰富，模块化的单片机程序，接口相对简单，自身携带很多功能，工作速度快；集高性能、实时性、数字信号处理功能、低功耗、低电压于一身，且保持高集成度和开发简易的特点。经综合比较、评价，该方案选择STM32控制核心。

1.2 数据检测采集芯片

1）ATT7022E 芯片、电流互感器和电压互感器

电能信息采集模块主要由电能采集芯片ATT7022E、电压互感器、电流互感器组成。负责采集电压、电流数据，并转化为功率、电能信息，将用电信息存储于ATT7022寄存器。该芯片可用于三相交流电、单相交流电采集，ATT7022E集成七路Sigma-deltaADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数及频率测量数字信号处理等电路，能够测量各相以及合相有功功率、无功功率、视在功率、有功能量、无功能量、各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，满足单相用电器监测装置的需求。

2）CS5463 计量芯片

CS5463[10]内部的两个可编程放大器可采集电压和电流数据，Δ-∑调制器对模拟量进行采样处理，高速数字低通可选高通滤波器滤取可用电压、电流数字信号，通过功率计算引擎来计算功率、电压、电流，并将计算值通过串行接口进行输出，并接STM32进行分析。

该方案采用ATT7022E 芯片、电流互感器和电压互感器搭建。

1.3 显示模块

1）0.96 寸OLED

OLED 对比度高、耗电低、反应速度快，但其价格较高，且尺寸不能展示所有参数、识别结果及多个内容。

2）1.8 寸TFT

TFT 显示器响应度、亮度、对比度均较高，能较好地显示识别出来的参数。

经综合比较、评价，该方案采用1.8 寸TFT。

1.4 机器识别以及学习方式

1）罗列法

需要输入较多组数据，不够简便。

2）算法穷举法

输入七组后，通过算法将各种组合穷举，无法在清空后重新学习。

3）基于感知机模型[11]机器的学习法

采用最小二乘法确定w初始值，使用减少递归次数的口袋算法来递归计算w值，二次分类在七分类场景中为避免ovo 无法识别某些场景的弊端，避开了ovr 共21 组对抗计算，属于ovr 简化模型。提前利用搜集数据训练模型得出w，将要学习的新数据导入若新数据，使用w可以得出：若新数据的分类不正确则正确数据不变(得分低)，则加入新数据，重新递归。递归结果w得分比原来高则使用新w，比原来低则使用原模型，并将新数据导入存储数据库。在电气欧几里得空间中使用感知机算法画出决策构建沃罗诺伊图。

经综合比较、评价，该方案选择建立基于感知机模型机器学习法。

2 系统设计

2.1 主电路设计

如图1 所示，在插排上插上不同用电器，通过电流互感器，将信号传输给ATT7022E 芯片，芯片将特征参量识别并传输给STM32，经识别后输出结果。

图1 主电路设计图

2.2 系统学习模式

主机以STM32 为主控制器，通过SPI 与ATT7022电能采集模块进行通信。ATT7022 模块负责采集用电器电源电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等参数。学习模式框图如图2 所示、识别模式框图如图3 所示，根据有功功率、功率因数判断用电器状态，经过建立感知机模型，能够学习或识别出参数。在识别模式下，可以识别已学习的用电器，并在识别到陌生用电器时显示无该用电器类别。

图2 学习模式框图

图3 识别模式框图

2.3 程序设计

所设计的程序需具有识别、学习能力，及彩屏显示、无线传输模数转换功能。主程序流程如图4所示。

1）ADC 设计：采集电路中用电器电压、电流、功率、功率因数等特征参数，将其转换成数字量。

2）显示设计：显示用电器编号、工作状态、电流值、电压值等。

3）感知机设计：基于可学习记忆的智能识别模型聚类分析[12]，对于每一组标准数据，求其质点以及最小分类E的值，以质点为圆心，到最远点的距离加E为半径的圆球空间称为基本识别空间。对于每一组数据，其最小识别空间与其他组数据的最小识别空间没有重叠，称为基本类（拥有关于电器参数欧几里得空间的独立空间)。对于不同组，且都包含于某基本类中，存在N，使得不同组重合度低于N%，则称为该基本类的特殊类（由OVR 模型感知机核算法区分[14]）。对于每一种电器，由国家制定或行业规范的参数形成某一种电器的欧几里得空间，处于该空间类的某一测试类数据称为规范数据，否则称为非规范数据[13]。实现方法为单一电器数据集输入，寻找最小识别空间（确定各个电器的空间分布和位置）。由已输入大量数据组成的电器参数欧几里得空间查找基本类，然后对于每一基本类再确定特殊类[15]。

2.4 多档位自动切换电流采样电路硬件设计

由于所需电流变化范围较大，对于毫安级电流，采用传统的电流采集模块无法实现精度要求，所以考虑设计高精度的电流采样电路。其原理：多档位自动切换电流采样的主要原理基于电阻降压法，对电流流经标准电阻上产生一定的压降进行采样，通过切换电路的不同阻值实现量程的切换，再通过精密整流电路进行全波整流，最终使得输出给STM32的ADC 信号限制在0～3.3 V 之间。基于STM32 实现档位自动切换，电流通过互感器输入采样电路后，首先接入大电流档位，若此时信号端采集不到信号，则给STM32 施加控制信号使量程下降一个档位，再收集信号。若仍获取不到信号，则继续施加控制信号切换档位，以此类推。多档位自动切换采样电路图如图5 所示，精密整流电路如图6 所示。电路可实现5 mA～10 A 电流范围的采样，设置5 mA～0.5 A、0.5～1 A、1～10 A 三组量程，符合设计要求。

图5 多档位自动切换采样电路图

3 测试方案及测试结果

3.1 测试方案

1）硬件测试

搭建各个模块的实际电路，将各个模块通过杜邦线连接起来，用数字万用表对各电路的参数进行测量分析，并记录结果。

2）软件测试及基于感知机实现的机器学习法测试

使用Altium Designer 绘制电路原理图，另外使用Multisim、LTSpice 软件进行仿真测试，再将测试结果与实际电路进行对比，并记录结果。采集输入信息，确定输入点所属类别，对于每组基本类建立基本质点，特殊类建立特殊质点。对于全部基本类质点建立基本类沃罗诺伊图，边界为无穷远处；对于特殊类质点建立特殊类沃罗诺伊图，边界为基本类边界。能够快速锁定某一点的从属类别，对于某基本类中特殊类的最小E半径相似图集有不错的效果。对于每组输入的电气参数向量，通过泰勒多边形快速查找所属类别。如果该向量同时属于多个特殊类，则无法用某一特定的特殊类标定该组数据类别，只能标定其为基本类。即存在某两种电器，其电气参数相同，只能标定属于某种类别的大功率或者小功率电器，无法识别具体电器类别。

3）硬件软件联调

利用STM32 编辑或修改程序，使芯片AD 口采集并转换电路中的特征参数，再利用显示屏进行显示，不断测试并检查数据，当发现数据出现异常时，调试程序并修改电路，直到得出正确结果。

图6 精密整流电路

3.2 测试条件与仪器

1）测试条件

仿真电路和硬件电路与系统原理图相同，经检查电路无虚焊、无短路，测试仪器详见表1。编号1-7 依次为自制用电器、功率为3 W 的节能灯、功率为5 W 的节能灯、功率为20 W 的用电器、功率为48 W的节能灯、功率为120 W 的电烙铁、功率为600 W 的电煮锅，用电器测试结果如表2 所示。

表1 测试仪器

2）测试结果分析

电路可接多个负载并正常工作；采集模块正常工作时能够采集数据、转换成数字量传输给STM32；显示模块可以正常显示，且可以同时显示多个内容；通过区别用电状态即可以识别出正在工作的用电器。

4 结束语

该文提出的用电器分析识别电路设计，解决了用电器分析识别时需要记录较多参数进行学习才能分类的问题。通过理论计算分析设计了一种较为简便且具有学习功能的用电器分析识别电路，实现了5 mA～10 A 之内较为精准的测量和识别，实验结果证明了该方案满足设计要求。