0 引言

    隨著高等教育大眾化進程的推進，高校在校生的數(shù)目急劇上升，高校學(xué)生公寓火災(zāi)事故也日趨增多。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，電吹風(fēng)、電磁爐、燙發(fā)棒等阻性負載是引發(fā)學(xué)生公寓火災(zāi)的主要原因，被稱為違規(guī)電器^[1-2]。由于多數(shù)高校采用的人工巡查違規(guī)電器的方式具有短暫性與小規(guī)模的特點，致使學(xué)生公寓違規(guī)電器的發(fā)現(xiàn)率偏低，無法在根本上解決違規(guī)電器的使用問題^[3-4]。因此，違規(guī)電器的實時化、自動化識別及有效限制使用便成為了保障學(xué)生公寓用電安全的重要環(huán)節(jié)。鑒于此，本文研究了一種基于電量傳感器的校園違規(guī)電器識別系統(tǒng)，通過入戶總線電參量推算干路新負載的電參量，從而實現(xiàn)用電狀況的自動監(jiān)測、違規(guī)電器的自主識別和自動斷復(fù)電操作。該系統(tǒng)將進一步降低學(xué)生公寓違規(guī)電器給學(xué)生用戶帶來的風(fēng)險，保障學(xué)生的用電安全。較目前的違規(guī)電器識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有更準確有效、快捷實用的特點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

    系統(tǒng)主要由用電安全執(zhí)行終端、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、遠程監(jiān)控平臺構(gòu)成，圖1為系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖^[5-6]。用電安全執(zhí)行終端采集宿舍入戶電線的干路電流、電壓、有功功率、功率因素等電能數(shù)據(jù)，同時對采集到的數(shù)據(jù)進行篩選、去噪等預(yù)處理，并推算新插入電器的電能參數(shù)，然后將該電器的參數(shù)及判斷結(jié)果通過CAN總線的方式傳送至網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TCP/IP后傳輸至以太網(wǎng)，最終傳送至遠程監(jiān)控平臺。遠程監(jiān)控平臺通過訪問以太網(wǎng)獲取當前各宿舍大樓的用電數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、遠程斷電、遠程復(fù)電等功能。

2 硬件設(shè)計

    用電安全執(zhí)行終端由主要由微控制器MSP430F5529單片機、電源驅(qū)動電路、電量傳感器、CAN總線通信電路、繼電器模塊構(gòu)成，用以實現(xiàn)干路電參量采集、新支路電參量推算、遠程數(shù)據(jù)采集、自動斷復(fù)電操作等功能。硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。單片機控制電量傳感器對入戶干路進行電參量采集，并對采集的數(shù)據(jù)進行處理及邏輯識別。若識別出違規(guī)電器，系統(tǒng)將控制繼電器切斷入戶總線，并等待遠程監(jiān)控平臺復(fù)電指令進行重新接通入戶總線操作。

2.1 微控制器簡介

    微控制器采用MSP430系列的16 bit微控制器MSP430F5529。它采用16 bit RISC處理器內(nèi)核，主頻可達25 MHz，內(nèi)置數(shù)字控制振蕩器（DCO）及128 KB的閃存。并具有豐富的片上外設(shè)資源，主要包括UCS、Flash控制器、RAM控制器、DMA控制器、COMP、UART、ADC、I2C、SPI等接口。它能在不同低功耗模式下關(guān)閉不同的系統(tǒng)時鐘，可提供多至6種低功耗模式，活動模式耗電僅為290 μA/MIPS，I/O輸入端口的最大漏電流僅為50 nA，能保證系統(tǒng)的超低功耗。

2.2 電量傳感器電路

    電量傳感器采用健思研科技推出的微型單相交、直流電子式電參數(shù)采集模塊JSY-MK-135，其內(nèi)置的24 bit A/D轉(zhuǎn)換器及緩沖放大器大大提高了電壓電流采樣分辨率。該模塊采用了數(shù)字采樣處理技術(shù)及SMT工藝，可準確測量40 Hz~65 Hz的交直流電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率等眾多電氣數(shù)據(jù)^[7]。

2.3 CAN通信模塊

    MCP2515是一款Microchip Technology公司的CAN協(xié)議控制器，支持CAN V2.0B技術(shù)規(guī)范，通信速率高達1 Mb/s，能夠收發(fā)標準的CAN數(shù)據(jù)報文，可利用SPI接口進行數(shù)據(jù)傳輸。MCP2515內(nèi)部包含6個29 bit驗收濾波寄存器和2個29 bit驗收屏蔽寄存器，具有靈活的報文存儲功能。

    CAN通信模塊以CAN物理接口芯片MCP2551為核心，工作節(jié)點最多可支持112個，具有很強的抗噪特性。該芯片滿足ISO-11898標準物理層要求，擁有短路保護、高壓瞬態(tài)保護及自動熱關(guān)斷保護等功能。CAN通信模塊電路圖如圖3所示，其中，MCP2515通過MCP2551連接到CAN總線上，從而構(gòu)建起外呼控制器和主控制器的通信渠道。

3 軟件設(shè)計

    系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括用電安全執(zhí)行終端的控制器軟件設(shè)計和遠程監(jiān)控平臺的上位機軟件設(shè)計。

3.1 控制器軟件設(shè)計

    控制器的軟件部分主要實現(xiàn)學(xué)生公寓用電狀態(tài)監(jiān)測與查詢、遠程控制及反饋、異常報警等功能，主程序流程圖如圖4所示。由于學(xué)生公寓違規(guī)電器是否使用會直接體現(xiàn)在公寓入戶總線的電流數(shù)據(jù)變化上，因此本系統(tǒng)通過對公寓入戶總線電路中電參量數(shù)據(jù)的監(jiān)測達到對學(xué)生公寓違規(guī)電器的監(jiān)測。由于任意負載可等效為一定非純阻性負載與純阻性負載的并聯(lián)，由歐拉公式可得新負載的功率因數(shù)為：

    系統(tǒng)通過實時監(jiān)測入戶總線的電參量數(shù)據(jù)，結(jié)合前后兩次的電參量推導(dǎo)出新負載的有功功率和功率因數(shù)。當識別到某公寓已插入違規(guī)電器時，系統(tǒng)將立即操作繼電器對該公寓進行斷電處理，并把公寓信息通過CAN總線上報至遠程監(jiān)控平臺。斷電處理后，若系統(tǒng)識別到違規(guī)電器已拔出，系統(tǒng)將再次上傳公寓信息至遠程監(jiān)控平臺，并等待遠程監(jiān)控平臺的遠程命令，以操作繼電器恢復(fù)公寓供電。

3.2 上位機軟件設(shè)計

    上位機軟件采用C#進行設(shè)計，主要由展示模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)庫模塊組成。展示模塊實現(xiàn)了對各個房間運行狀態(tài)的展示、歷史違規(guī)數(shù)據(jù)的查詢，同時還可以對選定房間進行停電和復(fù)電的遠程操作。當系統(tǒng)監(jiān)測到違規(guī)用電時，展示模塊會以聲音和文字的形式進行及時報警。管理員獲取報警后可以通過取消報警的按鈕取消聲音報警，并及時到對應(yīng)宿舍進行相應(yīng)的查處工作。通信模塊實現(xiàn)了Socket服務(wù)器端和CAN總線報文的發(fā)送、接收、回復(fù)及解析。系統(tǒng)上電后，網(wǎng)關(guān)會通過Socket的方式和上位機服務(wù)器端建立TCP連接，然后各個下位機均通過該連接與上位機進行報文通信。數(shù)據(jù)庫模塊主要使用了ODBC方式連接SqlServer數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)違規(guī)數(shù)據(jù)的存儲、刪除和查詢。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

4.1 測試環(huán)境及相關(guān)設(shè)置

    測試過程中使用的測試平臺即本系統(tǒng)遠程監(jiān)控平臺。測試過程中可通過登錄到該平臺的監(jiān)控界面，讀取并記錄相應(yīng)宿舍的測試數(shù)據(jù)、識別結(jié)果及執(zhí)行動作。綜合考慮學(xué)生公寓的常規(guī)用電設(shè)備情況，構(gòu)建的實驗環(huán)境為：將戴爾、惠普的2臺臺式機及神舟、華碩的2臺筆記本電腦作為基礎(chǔ)環(huán)境，然后分別加載電吹風(fēng)、電磁爐、電磁灶、電燉鍋、電熱水壺、燙發(fā)棒等12種常用違規(guī)電器。測試分為正常電器測試、大功率（800 W以上）違規(guī)電器測試和小功率（800 W以下）違規(guī)電器測試3個部分。

4.2 測試結(jié)果及分析

    第一組進行正常電器的測試，以檢驗本系統(tǒng)是否對正常電器存在誤判現(xiàn)象。首先，將一臺戴爾臺式機接入電網(wǎng)，并依次將惠普臺式、神舟筆記本、華碩筆記本電腦接入電網(wǎng)。同時，記錄每次測量的新負載功率因素及有功功率，并觀察系統(tǒng)是否執(zhí)行斷電操作，測試結(jié)果如表1所示。從測試結(jié)果可知，正常電器接入并沒有引起電網(wǎng)的切斷，未發(fā)生誤判，系統(tǒng)工作良好。僅有4臺電腦接入電網(wǎng)的基礎(chǔ)環(huán)境電參量為：功率因數(shù)為0.775 7，干路電流I=1.017 9 A，有功功率P=180.533 3 W。

    第二組進行大功率（800 W以上）違規(guī)電器測試，以驗證本系統(tǒng)對大功率違規(guī)電器識別結(jié)果的準確性。在4臺電腦的基礎(chǔ)上，將電磁爐小檔、電磁爐大檔、電熱水壺、吹風(fēng)機A、吹風(fēng)機B分別接入電網(wǎng)，進行新負載的測試。同時記錄新負載功率因素及有功功率的實際值與計算值，觀察系統(tǒng)是否執(zhí)行斷電操作。測試結(jié)果如表2所示。從測試結(jié)果可知，系統(tǒng)對大功率（800 W以上）違規(guī)電器電能參數(shù)計算結(jié)果較為接近實際值，功率因素推算的最大誤差小于0.36%，且對每一種違規(guī)電器均有正確的識別和斷電結(jié)果。

    第三組進行了小功率（800 W以下）違規(guī)電器測試，以驗證本系統(tǒng)是否對小功率違規(guī)電器仍具有良好的識別作用。整個測試過程與第二組試驗基本相同，將燙發(fā)棒、電燉鍋、電磁灶小火、電磁灶大火、吹風(fēng)機C、電吹風(fēng)D小檔、電吹風(fēng)D大檔分別接入電網(wǎng)，測試結(jié)果如表3所示。從測試結(jié)果可知，系統(tǒng)對小功率（800 W以下）違規(guī)電器仍具有良好的識別效果，電能參數(shù)計算結(jié)果誤差較低，功率因數(shù)推算最大誤差小于1.9%。有功功率僅為33 W的燙發(fā)棒也被正確識別，試驗結(jié)果良好。

    通過以上3組實驗充分檢驗了本系統(tǒng)對違規(guī)電器識別結(jié)果的準確性及實用性。結(jié)果表明，正常電器未在系統(tǒng)中被切斷，大功率（800 W以上）違規(guī)電器在電網(wǎng)中的功率因數(shù)推算誤差不超過0.36%，小功率（800 W以下）違規(guī)電器在電網(wǎng)中的功率因數(shù)推算誤差不超過1.9%。該系統(tǒng)可實現(xiàn)用電狀況的自動監(jiān)測、違規(guī)電器的自主識別及自動斷復(fù)電操作，避免了人工排查不及時性、不全面性、可規(guī)避性等缺點。同時，實現(xiàn)了將違規(guī)電器的查處從人為收繳到智能斷電的轉(zhuǎn)變，并可避免學(xué)生私有財產(chǎn)及隱私權(quán)被侵犯，降低了違規(guī)電器對學(xué)生公寓造成的生命及財產(chǎn)風(fēng)險。

5 結(jié)論

    本文針對學(xué)生公寓違規(guī)電器實時化、自動化識別及有效限制使用的需求，設(shè)計了一款基于電量傳感器的學(xué)生公寓違規(guī)電器在線識別系統(tǒng)。介紹了新支路電參量的計算方法，采用JSY1_41電量傳感器的數(shù)據(jù)對學(xué)生公寓用電狀況監(jiān)測，實現(xiàn)了違規(guī)電器的自主識別及自動斷復(fù)電。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，對大功率違規(guī)電器的功率因數(shù)推算誤差小于0.36%，對小功率違規(guī)電器的功率因數(shù)推算誤差小于1.9%。違規(guī)電器的斷電結(jié)果正確，大大降低了學(xué)生公寓違規(guī)電器及時查處的難度。

參考文獻

[1] 周志英，劉輝，謝明華.基于AVR單片機的惡性負載智能識別控制器設(shè)計[J].長沙大學(xué)學(xué)報，2014，28(2)：24-27.

[2] 楊旭東，郝向民.智能用電管理系統(tǒng)在高校學(xué)生公寓防火中的應(yīng)用[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015(5)：797-800.

[3] 侯培中，李偉波.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的負載識別[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9(5)：1284-1286.

[4] 張淼特，谷小紅.電器惡性負載識別方法研究與仿真[J].計算機仿真，2013，30(2)：213-216.

[5] 張玉均，盧永芳，王曉衛(wèi).基于CAN總線及以太網(wǎng)的礦井排水系統(tǒng)智能化實踐[J].煤礦機械，2015，36(4)：274-277.

[6] 閔華松，黃斑斑，劉淼.以太網(wǎng)CAN總線轉(zhuǎn)換器的延時特性分析及設(shè)計[J].計算機工程與設(shè)計，2012，33(2)：503-507.

[7] 深圳市健思研科技有限公司.JSY-MK-135型微型嵌入式交直流計量模塊用戶手冊[Z].2012.

作者信息:

郭一晶，顏逾越，高鳳強

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 漳州363105）