单相电参数测量的电器识别与监测分析

易健

摘 要：随着科学技术的不断发展，智能家居得到了非常广泛的应用，提高了人们的生活质量，为人们带来了高质量的生活水平。智能家居各项功能的顺利实现是建立在高精度的实时监测基础上，这就需要对线路的单相电参数进行系统全面的检测。本文通过对单相电参数测量系统的整体方案进行了一定的论述，在此基础上，进一步对单相电参数计量模块、系统硬件设计以及系统软件设计进行了深入的分析研究，进而能够促进单相电参数测量质量的不断提高，对于从事相关工作的技术人员具有一定的借鉴意义。

关键词：单相电;参数测量;电器识别

1前言

随着互联网技术的不断发展，智能物联化也获得了快速的发展，其在实际生活中最直接的体现就是智能家居，子系统的智能互联和统一的管理平台是未来家电智能化的发展方向。为了能够对不同的电器设备进行实时的监控，并根据相关的监控数据对电器设备进行科学合理的调整，这就需要对电气设备的单相电参数进行精确地测量。传统的单相电测量仪器不仅成本高，并且其测量精度还会受到工作环境的严重影响，进而造成测量数据的参考价值大打折扣。因此，为了有效提高单相电参数的测量精度，本文结合MSP430测量仪的测量特点，对当前的测量方案进行了一定的改善，通过将ZM101S监测到的电参数传输至MSP430中进行进一步的深入分析，再通过系统中设置的蓝牙模块将电气设备的运行参数传输至显示设备中，技术人员就能实时的了解电器设备的实际运行状况，实现了低成本下可靠性较高的电参数测量，具有十分重要的现实意义。

2 系统整体方案

整个监测系统主要是由MSP430、TFT显示屏、蓝牙主从机以及相应的ZM101S模块等4部分组成，通过利用ZM101S上的集成互感器和精密电阻电路对前端的电路进行科学合理的调节，进而实现单相电变换的目的。在实际的直连测量过程中，通过模块板上的NEC78F0526单片机和ADC对测量的电参数进行预处理后，再经由UART通信传输至MSP430单片机中，同时还能将电参数、用电器种类以及其运行状态显示在TFT液晶屏幕上。当系统对监测数据进行远距离的传输时，主要是借助设置在便携设备和ZM101S上的蓝牙主从机，经由蓝牙将ZM101S所监测的数据传输至便携设备，再通过其显示屏进行显示。

3 单相电参数计量模块

单相电参数计量模块在工作过程中所需要的电能主要是通过内部设置的5V单电源进行供给，集成∑-△型ADC，参考电压电路以及所有功率、能量、电压电流有效值、功率因数以及频率测量的数字信号处理电路。

该模块在监测工作过程中的优势如下所示：

（1）所输入的动态工作电压范围非常大，高达5000：1，具有非常广泛的应用范围，并且其分线性测量误差能够进行有效控制，通常不大于1%;

（2）有功测量的精度也较高，能够满足0.5级的测量要求，并且能够支持多种不同的测量标准，适用范围广;

（3）系统的动态范围在500：1时，其有效值具有非常高的精度，一般不低于0.1%;

（4）通过提供UART通信接口，能够与其他设备进行有效的连接，并且还支持MODBUS协议，具有非常高的实用价值。

4 系统硬件设计

整个监测系统的硬件主要包括：ZM101S、配套的外围电路以及蓝牙便携设备等3部分，其中ZM101S主要是负责对单相电的电流和电压进行有效的转换，将220V的交流电按照1000：1的比例进行变比，而将电流互感器按照2000：1的比例进行相应的比例变换，同时还能将系统中100KΩ采样电阻转换到ZM101S能够测量的范围内;系统的外围电路是由读写通信电路和显示屏电路组成，为了避免两者之间造成影响，需要对其线路进行科学合理的布置;蓝牙便携设备主要是由HC05模块组成的，其借助相应的串口助手軟件进行有针对性的配置。

5 系统软件设计

5.1 用电器电流有效值的分析

当系统对单个电器设备进行监测识别时，其主要是通过对流经设备的电流有效值进行检测，进而对电器设备进行科学合理的识别，并对其工作状态进行准确的判断。对于具有N个电器设备的系统而言，其工作状态一共具有C1 N中不同的类型，在实际的工作过程中，通过检测电路中电流的有效值就能对相应的电器设备进行准确的判断，当系统有多种电器设备介入后，其相应的组合方式一共有C1 N+……+CN N种。考虑到电器设备在工作过程中的负荷不是一成不变的，而是会随着工作状态的变化而发生相应的变化，其负载情况非常复杂，既有阻性负载，又有感性和容性负载，这就会造成不同电器设备所做的无功功率不尽相同。通过大量的试验发现，仅根据电流的有效值，无法对电器设备的工作状态和组合进行科学合理的判断，在实际的工作过程中要予以充分的重视。

5.2 基于欧几里得度量的分析

为了能够进一步提高电器设备工作状态和组合的识别精度，将基于特征参量的算法运用于测量仪的算法之中。在相应的学习模式下，将所有电器设备中的电流有效值、有功功率以及功率因素等特征参量作为系统学习的样本数据，单个器件学习模式从单片机读取到的电参数如表1所示。

通过对电气设备的数量和工作状态的刷新频率进行综合性的考虑，只选取其中区分度较大的功率因数和电流有效值作为判断的特征参量。为了能够进行更加直观的展示，以功率因数作为横坐标、电流作为纵坐标，建立相应的坐标系。根据欧几里得的度量算法，计算在MSP430中电器设备的特征参量与样本参量之间的欧氏距离，其中欧氏距离结果个数最小的对应的电器样本认为是待测电器设备，其具体的形式如图1所示。

5.3 程序设计

在所设置的程序中，程序模式的选取是通过相应的按键实现的，其中学习和监测状态下的模式一共有9种，其中对应的模式1只要是对之前存储的C1 N+……+CN N电器设备器件进行相应的监测，并将所监测到的运行数据展示到TFT屏幕上，进而确保技术人员能够实时了解电气设备的运行状态;模式2～8主要对应的是不同器件的学习模式，能够对7个不同的器件进行学习，同时在学习过程中单片机严禁出现中断情况，进而避免读写错误的发生。

6 结语

总而言之，随着科学技术的不断发展，智能家居走进了千家万户，给人们的生活带来了极大的便利，提高了人们的生活质量。为了确保智能家居系统中所有电器设备的正常运行，就要通过对系统的单相电线进行科学合理的电参数测量，进而能够根据相应的测量数据对电器设备的运行状态进行监测，并根据工作的需要进行相应的调整。

参考文献：

[1] 杨艳. 从零开启大学生电子设计之路-基于MSP430Launch-Pad口袋实验平台[M]. 北京：北京航空航天大学出版社， 2014.