一种家用电器用电特征的采集装置

1.本实用新型涉及一种家用电器用电特征的采集装置，属于家用电器负荷识别技术领域。


背景技术：

2.通过家用电器负荷识别技术，不仅能够提高居民用户对家用电器消耗具体情况的了解，及时监测电器的使用情况，调整用电措施，促进用户合理用电，积极响应国家节能政策；对于电力部门，可以详细了解居民的用电构成，为电力部门统筹规划提供数据支持。
3.负荷识别的前提在于负荷特征量的获取，获取后的负荷特征量用于负荷特征库的建立，其次根据用电负荷的特征量的差异构造负荷识别算法，进而识别出家用电器以及该电器的用电特征，给用户提供耗能数据，帮助用户改善用电习惯，促进节能减排和低碳发展。电器负荷检测通常有即入侵式负荷检测和非入侵式负荷检测两种。
4.传统的入侵式负荷识别的实现主要是通过在每一个家用电器上安装检测传感器获取家庭电器的用电数据，然后通过网络将数据传送到终端，终端统一对数据进行分析和处理。这种方法虽然技术难度比较低，而且易于实现，但是布线复杂，实施和维护成本高，是一种很不经济的方案。
5.非入侵式负荷检测识别技术是直接在用户总线测设置回路检测装置，在该装置上利用软硬件技术，对家庭用电数据进行分析，识别不同用电设备的种类。近年来，对非侵入式家用电器负荷识别的研究较多，也产生了不少研究成果。如授权公告号cn106022645b公开的中国专利《非侵入式在线实时电力负荷识别方法及识别系统》，该专利所记载的方案涉及在线实时识别，其算法效率可以达到在线和实时的效果。又如公开号cn109934303a公开的中国专利《一种非入侵式家用电器负荷识别方法、装置及存储介质》，该专利文献的识别方法在计算出第二目标数据之后，不仅对第二目标数据进行归一化处理，还对处理后的第二目标数据进行fft变换，可确保样本数据的准确性，得出准确性较高的神经网络模型，进而可提高家用电器的负荷识别准确性。
6.上述专利文献虽然对负荷识别方法研究较多，但实现识别方法的硬件装置研究较少，如授权公告号cn106022645b公开的中国专利《非侵入式在线实时电力负荷识别方法及识别系统》只是记载了嵌入式设备终端包括相互连接的第一运算电路和第二运算电路，所述的第一运算电路和第二运算电路均与供电电源相连。第一运算电路和第二运算电路分别连接于居民侧配电箱。交流电压源依次连接有变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路和平滑输出电压电路。
7.然而受电源电压的波动、元件参数的分散性以及环境温度变化等因素的干扰，用电器电信号的采集容易受干扰，稳定性较差，因此需要一种采集用电器时工作性能稳定的硬件装置。


技术实现要素：

8.针对上述现有技术中的不足之处，本实用新型提出一种家用电器用电特征的采集装置，用于应对用电器电信号的采集容易受干扰、稳定性较差的问题，可稳定实现非侵入式负荷采集目的。
9.为了实现上述目的，本实用新型的技术方案：
10.一种家用电器用电特征的采集装置，其包括在市电接入端与家用电器之间的线路上采集电流和/或电压的互感器，所述互感器的二次侧连接至一信号调理电路，所述信号调理电路的输出端经一a/d转换电路与单片机的数据输入端口相连，所述单片机的数据输出端口连接有无线发送模块和串口通信模块。
11.进一步的，所述互感器的二次侧串联有一采样电阻，所述信号调理电路包括型号为ina282的信号放大芯片，该信号放大芯片与采样电阻之间设置有用于保护控制的隔离互感器，信号放大芯片的基准电压端连接型号为ref3133的基准芯片的输出端，信号放大芯片的out引脚输出连接至所述单片机。
12.进一步的，所述单片机采用stm32系列的处理芯片，所述a/d转换电路为单片机内置的12位adc采样模块。
13.进一步的，所述无线发送模块为型号是e62-ttl-100的点对点传输的全双工无线数传模块。
14.本方案可以直接监测用户的总负荷电能信息，以此获知各用电负荷的类别，运行情况以及相关参数，其通过采样电阻、隔离互感器等方案，解决了用电器电信号的采集容易受干扰、稳定性较差的问题，可稳定实现非侵入式负荷采集。
附图说明
15.图1是本实用新型一种家用电器用电特征的采集装置的系统框图。
16.图2是本实用新型用电特征采集与处理部分的硬件结构图。
17.图3是本实用新型一种实施例中的信号调理电路的结构原理图。
18.图4是本实用新型一种实施例中的信号调理电路的电压信号未经抬高前的输出波形图。
19.图5是本实用新型一种实施例中的信号调理电路的电压信号经抬高后的输出波形图。
具体实施方式
20.下面将结合本技术公开实施例中的附图，对本技术公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术公开及其应用或使用的任何限制。基于本技术公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术公开保护的范围。
21.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术公开的范围。
22.同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际
的比例关系绘制的。
23.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
24.在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
25.下面结合具体实施例及附图来进一步详细说明本实用新型。
26.一种家用电器用电特征的采集装置，其包括在市电接入端与家用电器之间的线路上采集电流和/或电压的互感器1，所述互感器1的二次侧连接至一信号调理电路2，所述信号调理电路2的输出端经一a/d转换电路3与单片机4的数据输入端口相连，所述单片机4的数据输出端口连接有无线发送模块5和串口通信模块6。
27.如图1所示，家用电器与市电接入端之间通常设插座8，互感器1设在市电接入端与插座8之间，家用电器在工作时，通过电压互感器、电流互感器非侵入式获取家用电器连接市电的线路上的用电特征。电压互感器一次侧的大电压转换为二次侧的小电压，从而将220v的市电电压转换为易于测量的小电压。电流互感器将一次侧的大电流转换成可供测量的小电流。将易于测量的小电压、小电流信号送到信号调理电路2，使其信号放大并a/d转换电路3进行模数转换，转换成能够为单片机4识别接收的数字信号。单片机4可按背景技术中的负荷识别方法等现有算法进行数据计算识别，最后将计算结果以txt文本形式通过无线蓝牙发送以及串口通信发送至上位机。
28.作为一种优选实施例，如图2所示，所述互感器1的二次侧串联有一采样电阻r1，所述信号调理电路2包括型号为ina282的信号放大芯片u1，该信号放大芯片u1与采样电阻r1之间设置有用于保护控制的隔离互感器7，信号放大芯片u1的基准电压端连接型号为ref3133的基准芯片的输出端，信号放大芯片u1的out引脚输出连接至所述单片机4。
29.用电器在工作时，其工作电压和电流较大，a/d转换电路3通常输入信号范围为0～3.3v，不能直接进行采样，需要进行电压、电流转换。为此，选用电压互感器、电流互感器进行变比转换，然后通过康铜丝类型的采样电阻r1进行分压。康铜丝类型的采样电阻r1具有温漂小、精度可控、稳定的物理特性。选取阻值为0.5ω的采样电阻r1串联在电路中，通过分压的方式采集小的电压来获取电路当中的电流，进而完成用电器电流信号的采集。
30.由于0.5ω的采样电阻r1所分得的电压仅为20mv，电压较小容易受干扰，不利于a/d转换电路3的采集，因此需要进行信号的放大。对于小信号放大电路设计，通常采用单管共射放大电路以及差分式放大电路的方式进行信号放大，单管共射放大电路在主电路中由于其静态工作点稳定性易受电源电压的波动、元件参数的分散性以及环境温度变化等因素的干扰，导致波形失真，影响放大电路的正常工作；而差分放大电路在实际电路的应用中具有很强的抑制零点漂移及抑制噪声与干扰的能力，因此，采用差分放大电路作为信号放大。ina282电流检测芯片具有差分放大、滤波以及电压偏置等功能，它的可用增益为50v，可以对0.5ω的采样电阻r1两端电压信号进行50倍的电压放大，而且其宽共模范围较大，可以独立于v+之外的-14v至+80v电压范围内的任一电压值上运行。如图3所示，此芯片通过在+in与-in之间接入的一个采样电阻，电流流过该采样电阻会产生一个压降，通过+in与-in进入，再由芯片内部的差分放大，抑制共模信号放大差模信号，由out引脚输出，通过ref1，ref2引脚控制输出模式。
31.在信号放大之前，装置在采集用电设备时，如果该装置某一硬件电路发生短路、过电压现象，该故障现象会对后级电路与单片机4产生过电压危害，造成采样中断，会使芯片烧毁，采样工作中断。所以，为了减少短路故障所造成的危害，我们在采样电阻r1两端加1:1的隔离互感器7来保护后级电路，使其成为一个在电气上被隔离的、独立的不接地安全电路。
32.并且考虑到采集的用电特征为交流信号，也即采样电阻r1两端电压仍为交流信号，而a/d转换电路3只能采集单极性电压不能采集双极性电压，所以必须将双极性电压转换为单极性电压才可以使a/d转换电路3对其电端电压进行采集，因此我们需要将输出的电压信号进行抬高，把负半轴的电压抬高至正半轴上，其抬高电压原理如图4、5所示。
33.在抬高交流信号的电压时，可以通过给直流偏置的方式将交流电压整体提高至正半轴上，这样就可以使a/d转换电路3进行用电器电压信号的采集。
34.对于抬高电压的芯片选型上，由于ina282芯片具有与电源电压成比例的中量程偏移的功能，此功能将芯片其中一个基准引脚与v+相连接，另一个基准引脚与接地引脚连接的方式，可以使输出被设定为电源的一半，当基准电源增加或者减少，输出依旧会保持在增加或者减少电源的一半。因此，我们可以有选择性的增加基准电压与a/d转换电路3的输入电压范围进行电压信号采集最优配置，完成信号的采集，另外，型号为3.3v的ref3133基准芯片由于其精度高、低温漂等特点，以及所测电器电压信号抬高1.65v的电压都可以使其波形完整的留在正半轴上，所以，通过该基准芯片给ina282电流检测芯片提供3.3v的基准电压，使该芯片输出为基准电压的一半，即1.65v电压，用以抬高用电器的电压信号，使a/d转换电路3完成信号采集。
35.stm32系列的处理芯片如stm32f103单片机，其该单片机内置adc是具有12位、sar(逐次逼近寄存器型)adc，能使系统设计更简单且功耗较低。用电器在电路工作中，所产生的电压信号通过stm32系列单片机4的adc采样模块将采集到的电压发送到电脑串口调试助手，exce文档将电脑串口显示屏的电压实时采样值进行拟合并存储。
36.所述无线发送模块5为型号是e62-ttl-100的点对点传输的全双工无线数传模块，发射功率为100mw，工作在425～450mhz频段(默认为433mhz)。可双向同时进行数据收发，即在接收数据的同时，可以发送数据，无需等待接受完成。
37.本实用新型公开的为非侵入式负荷采集装置，可以直接监测用户的总负荷电能信息，以此获知各用电负荷的类别，运行情况以及相关参数，克服了传统侵入式装置成本高，安装维护不便的缺点，具有体积小，重量轻，易携带的优点。
38.以上对本实用新型实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本实用新型实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。