本发明涉及用电安全管理，尤其涉及一种嵌入式宿舍违规电器快速响应装置方法及系统。
背景技术：
1、随着我国高校教育规模的持续扩大，学生宿舍、职工公寓等集体住宿场景的人员密集度显著提升，用电安全已成为此类场景安全管理体系中的核心管控环节。电热锅、热得快等违规大功率电器的违规使用，极易引发供电线路过载、短路甚至火灾事故，对集体住宿场景的人员生命与财产安全构成重大潜在威胁。在此背景下，宿舍违规电器智能管控技术得到了快速发展与规模化应用，管控模式从早期的人工巡检、总回路功率限制的粗放式管理，逐步迭代为基于电气特征识别的分回路精细化管控方案。
2、传统的宿舍违规电器管控方案大都采用分散式检测设备与后台管控系统分离的架构，由于本地管控装置无一体化的闭环执行与数据存储能力，从而造成管控响应滞后、现场管控能力不足的问题。
技术实现思路
1、为了弥补以上不足，本发明提供了一种嵌入式宿舍违规电器快速响应装置方法及系统，旨在改善传统的宿舍违规电器管控方案大都采用分散式检测设备与后台管控系统分离的架构，容易造成管控响应滞后、现场管控能力不足的问题。
2、第一方面，本发明提供了如下技术方案，一种嵌入式宿舍违规电器快速响应装置，包括可嵌入墙体安装的壳体，以及设于壳体内的供电接口模块、电源模块、负载检测模块、控制模块、执行模块、存储单元和报警通信模块；所述壳体为内部开设有安装腔的封闭结构，所述供电接口模块设于壳体的一侧，其输入端用于接入外部市电线路，输出端用于向外部电器输出电能；所述电源模块的输入端与外部市电线路电连接，用于为装置内各模块提供适配的工作电源；所述负载检测模块串联于供电接口模块的供电输出回路中，用于采集回路的电气状态并生成检测信号；所述控制模块包括嵌入式处理器和存储器，固定于安装腔内，分别与负载检测模块、执行模块、存储单元、报警通信模块电连接，用于接收检测信号并生成控制指令；所述执行模块串联于供电接口模块的供电输出回路中，用于根据控制模块的控制指令通断供电回路；所述存储单元与控制模块电连接，用于存储装置运行参数与违规事件数据；所述报警通信模块与控制模块电连接，用于触发本地报警并向外部管理终端传输数据。
3、通过采用上述技术方案，通过可嵌入墙体安装的壳体集成设置供电接口模块、电源模块、负载检测模块、包含嵌入式处理器和存储器的控制模块、执行模块、存储单元以及报警通信模块，形成集电气状态采集、负载识别管控、供电通断控制、本地数据存储、状态信息上报于一体的闭环管控结构，进而实现宿舍用电回路的一体化、本地化违规电器管控与状态同步，从而改善了传统的宿舍违规电器管控方案大都采用分散式检测设备与后台管控系统分离的架构，由于本地管控装置无一体化的闭环执行与数据存储能力，从而造成管控响应滞后、现场管控能力不足的问题。
4、进一步地，所述壳体包括前面板和后安装壳，所述前面板开设有与供电接口模块适配的电器插接孔，所述供电接口模块固定于电器插接孔的后侧；所述后安装壳用于嵌入墙体安装槽内，所述安装腔开设于后安装壳朝向前面板的一侧，所述电源模块、负载检测模块、控制模块、执行模块、存储单元和报警通信模块均固定于安装腔内。
5、进一步地，所述负载检测模块包括电流检测单元、电压采集单元和信号调理单元；所述电流检测单元采用霍尔电流传感器，串联于供电接口模块的供电输出回路中；所述电压采集单元并联于供电接口模块的输出端；所述信号调理单元包括rc低通滤波电路和运算放大器调理电路，其输入端分别与电流检测单元、电压采集单元电连接，输出端与控制模块的adc采样接口电连接。
6、进一步地，所述执行模块包括电磁继电器和三极管驱动电路，所述电磁继电器的主触点串联于供电接口模块的供电输出回路中，所述三极管驱动电路的输入端与控制模块的io口电连接，输出端与电磁继电器的线圈电连接；所述报警通信模块包括声光报警单元、状态指示单元和无线通信单元，所述声光报警单元、状态指示单元均设于壳体的前面板，所述无线通信单元与控制模块的通信接口电连接。
7、第二方面，本发明提供以下技术方案，一种嵌入式宿舍违规电器快速响应方法，包括以下步骤：
8、s1、获取宿舍电器供电回路中的电气状态数据；
9、s2、对电气状态数据进行去噪、补全、归一化预处理，得到标准化电气数据；
10、s3、从标准化电气数据中提取稳态电气特征、暂态响应特征、周期性特征，构建多维度负载特征向量；
11、s4、通过非负矩阵分解算法对多维度负载特征向量进行混合负载分离，得到各单一电器的独立负载特征；
12、s5、将独立负载特征输入预训练并完成轻量化后的集成学习识别模型，完成负载类型识别与异常判定，生成对应的控制指令；
13、s6、根据控制指令执行供电回路通断控制，同步触发本地报警并向外部管理终端上报违规事件状态信息。
14、进一步的，在s2中，所述预处理具体为：采用小波阈值去噪法剔除电气状态数据中的干扰噪声，通过线性插值算法补齐缺失数据，再经min-max归一化处理将特征参数映射至[0,1]区间，得到标准化电气数据。
15、进一步的，在s3中，构建多维度负载特征向量后，还包括特征降维步骤：采用互信息法剔除与电器类型相关性低于预设相关性阈值的冗余特征，再通过pca主成分分析将特征向量压缩至预设维度以内，且降维后特征解释方差不低于预设解释方差。
16、进一步的，在s5中，所述集成学习识别模型为基于xgboost与轻量级cnn构建的stacking集成模型，模型经8位整数量化与剪枝优化后部署于嵌入式控制模块中，满足嵌入式平台的实时识别需求。
17、进一步的，在s6中，当判定为违规电器接入的异常状态时，快速触发声光报警并切断供电回路，同步生成违规事件日志并写入存储单元，单装置可存储不少于预设条数的违规日志。
18、第三方面，本发明提供以下技术方案，一种嵌入式宿舍违规电器快速响应系统，述系统包括：
19、电气数据采集模块，用于获取宿舍电器供电回路中的电气状态数据；
20、数据预处理模块，用于对电气状态数据进行去噪、补全、归一化处理，得到标准化电气数据；
21、多维度特征提取模块，用于从标准化电气数据中提取稳态、暂态、周期性特征并构建负载特征向量；
22、混合负载分离模块，用于通过非负矩阵分解算法从混合负载特征中分离出单一电器的独立负载特征；
23、负载识别与判定模块，用于通过轻量化集成学习模型完成负载类型识别与异常状态判定，生成控制指令；
24、执行与上报模块，用于根据控制指令完成供电回路通断控制，触发本地报警并向外部管理终端上报状态信息。
25、本发明具有如下有益效果：
26、1、本发明中，通过可嵌入墙体安装的壳体集成设置供电接口模块、电源模块、负载检测模块、包含嵌入式处理器和存储器的控制模块、执行模块、存储单元以及报警通信模块，形成集电气状态采集、负载识别管控、供电通断控制、本地数据存储、状态信息上报于一体的闭环管控结构，进而实现宿舍用电回路的一体化、本地化违规电器管控与状态同步，从而改善了传统的宿舍违规电器管控方案大都采用分散式检测设备与后台管控系统分离的架构，由于本地管控装置无一体化的闭环执行与数据存储能力，从而造成管控响应滞后、现场管控能力不足的问题。
27、2、本发明中，通过负载检测模块设置电流检测单元、电压采集单元与信号调理单元，对供电输出回路的电气状态进行同步采集与预处理，进而提升电气状态检测信号的精度与抗干扰能力，从而改善了传统的宿舍违规电器检测方案大都采用单一的电流采样方式，由于采样信号易受电网波动与电磁干扰影响，从而造成负载检测精度不足、误判率较高的问题。
28、3、本发明中，通过对提取的多维度负载特征向量采用非负矩阵分解算法进行混合负载分离，得到各单一电器的独立负载特征，进而实现混合用电场景下不同负载类型的精准拆分与独立识别，从而改善了传统的宿舍违规电器识别方法大都采用直接对混合负载的整体特征进行识别的方式，由于多电器同时接入时负载特征相互叠加干扰，从而造成混合用电场景下违规电器识别准确率低、漏判率高的问题。