根据FPGA的智能用电器识别系统

一.项目布景

跟着电子技能的开展，以单片机为中心的多功用电能表已逐步遍及，这一类电能表具有较高的丈量精度和运算速度，可以对各月电能的耗费进行记载，保存电能的最大需求量，设置参数等。但这只是局限于计量用户悉数用电器的电能耗费，并不能精确到每个用电器。而且这一类电表在丈量办法上是仅依据电网的电压电流的幅值进行电能的计量和计算，因此功用比较单一。上述电表网络的通讯才能很差或许底子不具备网络通讯才能，难以完结同网络上位机的通讯和数据同步。现有的用电器辨认技能仅能在用户有大功率的用电器加载时进行操控继电器断电处理，并没有完结单个用电器辨认的功用。假如要检测每个用电器的用电量，现行的通用办法是在每个家用电器的电源进口装置电压、电流传感器，再依据收集到的数据进行电量丈量。这样尽管可以抵达相应的意图，可是价格偏高，装置杂乱，可行性较差。

依据上述布景的剖析，咱们期望可以创造出一套体系，改善现有电器辨认体系，力求运用最低的本钱完结最简练最精确的电器辨认，并经过一个客户端反馈给用户，实时反映家庭用各种电器的功耗目标。

在此，咱们提出了一种依据依据阈值的加权辨认算法的用电器辨认算法，并经过试验验证了其可行性。

二.项目计划

智能电器辨认体系以Xilinx Spartan 6 FPGA 为操控中心，经过对母线电流进行谐波剖析，提取用电器的特征参数;以含糊辨以为根底，以递归求解方程完结了对单个用电器、多个用电器的辨认，并对新用电器参加数据库供给简易的解决计划。

三.项目具体规划

硬件规划

智能电器辨认体系硬件电路的规划首要包括电网电压电流的采样电路，以及主操控器电路。因为体系的对用电器的参数收集首要来自硬件电路，所以对电压电流的采样有必要精确。体系仅依据电线进户端的电压和电流就能辨认出正处于运用状况的用电器，并记载相应的用电量，投入较低，装置简略。

Microblaze操控电路规划

智能电器辨认子体系的硬件规划包括规划电网电压电流采样电路以及操控器电路。

电器辨认模块主控芯片选用Xilinx Spartan-6 ，使用片外的12位多通道高性;能ADC的数据收集体系，对电网电流信号进行采样，提取相应的特征参数。使用板载的BPI-Flash存储器，对数据进行记载。内核是Microblaze，它是一个32位哈佛结构的处理器，其最高功能峰值高达83.3 MIPS。依据此芯片研制的体系可以便利的完结用电器的辨认、电量丈量、数据的传输，事情办理等作业，精度高可靠性强。

采样电路规划

电网电压采样电路以电压互感器TVA1421-01为中心构成，如上图所示。此电压互感器为电流型，先将待测电压转换成电流信号输入互感器的一次侧，电阻R27将互感器二次侧的输出电流流通换为电压信号。电阻R27和并联电容C59构成低通滤波器。

在输入正弦信号的正半周上升的四分之一周期内，LM311的输出三极管导通，电容两头的电压跟从输入正弦信号;当正弦信号抵达峰值今后，LM311 的输出三极管截止，电容两头的电压坚持为输入正弦信号的峰值，等候单片机采样;单片机采样后，输出高电平信号，Q1导通，给峰值坚持电容放电。最终一路为实时电压采样电路，将电压互感器输出的沟通电压举高2.5V，送至ADC。

电网侧电流丈量

并网电流即输出滤波电感的电流，为了确保安全和操控体系的可靠性，并网电流的采样电路有必要选用阻隔。本电路选用电流霍尔传感器CSM010SY进行阻隔采样，该电流霍尔使用霍尔效应闭环原理的电流传感器，能在电阻隔条件下丈量直流、沟通、脉冲以及各种不规则波形的电流。传感器参数：线性度<0.1%，精度<0.7%，呼应时间<1us,带宽200KHz，悉数满意本丈量要求。选用霍尔采样相对电流互感器的优点是可以检测并网电流的直流重量，并能经过软件及时将其消除。电流霍尔输出沟通电压，将其经过加法电路举高2.5V后，送入ADC。

软件规划

智能电器辨认体系选用了依据阈值的加权辨认算法宽和多维线性方程组两种中心算法。

首要运用12位ADC ADS7841对电压电流信号进行采样。在数据采样阶段，为了使体系运转时数据不产生紊乱，只能使体系在恰当时间收集数据。在数据处理进程中，数据采样是需求被制止的。但是，为了确保每次数据处理进程坚持必定的一致性，采样的开端时间有必要要有基准。因为本体系对电网电压做了过零检测，电压刚好过零的时间为数据采样供给了可能性。依据以上剖析，施行数据采样的具体办法为：建立标志位Data_hold用来指示数据是否需求坚持，置1则体系以为需求坚持，它仅产生在数据采满256个点的时间，置0则以为采样可以在某个时间进行，它仅产生在数据处理完毕的时间;建立标志位AD_enable用来指示AD采样时间是否到来，置1仅产生在Data_hold为0且电压过零时间到来的时间，置0产生在Data_hold为1的时间。为满意在50Hz电网频率下，一周期采样256个点的需求，设定了一个20000/256us的定时器。采样完结后把本次的采样数据和上一次的采样数据做差，得出本次所新增用电器的采样数据，然后对采样数据提取相应的特征参数，一起对采样到的数据进行FFT改换，再次提取相应的特征参数。本体系用电器的特征参数包括电流峰值、电流均值、电流有效值、电流基波、电流谐波幅值、电流谐波相位、用电器有功功率、电流谐波长度等。电流峰值、电流均值在采样时实时对电流数据进行处理就可以得到。而电流有效值、基波等特征参数可以在FFT改换之后得到。FFT改换之后，所得到的数据是没有归一化的，为了确保特征参数在存取进程中的一致性，需求将数据进行归一化。归一化的准则为：以基波幅值重量为100，其他谐波成分相应等比调整。为了使归一化数据可以得到康复，还需求存储每个用电器的功率信息。然后，再依据这些参数与数据库中相应参数做出比较，为了抵达用电器辨认的意图，本体系选用下图所示的依据阈值的加权辨认算法办法。首要针对某一特征参数和现有数据库中的相应值进行含糊算法比较，假如特征值和现有值匹配非常好，则给出一个很高的分值，跟着匹配度的下降所打的分数也相应的下降。然后，针对每种特征参数含糊化的辨认成果，都得到相应的匹配系数，匹配系数乘以该参数占有分值，即能得到该参数的得分。最终，将一切特征参数的得分相加，即得到该用电器的匹配分值。关于数据库中的每种用电器，都会得到一个相应的分值，经过最大分值与及格分值的比较，决议用电器辨认是否成功。若最大分值现已高过界说的及格线，则以为体系电器辨认成功，成果即为得到最大分数所对应的用电器;若最大分值没有超越及格线，则以为数据库中尚不存在此种用电器，需进行下一步处理。

下图所示为电器辨认的流程图。首要依据进户端的功率改变判别用电器是运转仍是封闭，假如功率不变则验证辨认成果是否正确、更新数据库特征信息权值信息、传输用电辨认信息，之后再持续检测功率改变。因为用电器的翻开辨认和封闭辨认是两个相似的进程，下面以用电器翻开辨以为例阐明辨认进程：开端检测到电线进户端功率添加，阐明有用电器开端运转，此刻依据上文阐明的提取特征参数办法对运转的用电器进行特征参数的提取，先与数据库中单个用电器的相应参数进行比照，采纳上文中所述的依据阈值的加权辨认算法办法对用电器进行相关评分。

实例阐明

为了更明晰的阐明下面罗列一个打分的实例：

表3. 1显示器数据库特征值表

如表上所示，为智能电器辨认子体系的一个实例的数据库中显示器的电流谐波相关信息。Harm_length为总谐波长度;Harm_num为相应的谐波次数;FFT_R为FFT改换后该次谐波的虚部;FFT_I为FFT改换后该次谐波的实部。

表3. 2新用电器特征数据表

辨认到一个新接入的用电器，别离和数据库存储的每个用电器相应参数作比较，给出分数。如上表所示，为本发明的一个实例的新辨认到的用电器电流谐波相关的参数，这儿以这一参数为例阐明打分进程：电流谐波的总权值为0.8，也便是百分制中的80分，而谐波长度的权值为0.3，也便是80*0.3=24分;每次谐波的分配权值以数据库中的谐波参数为参阅分配，比方本次和数据库中的显示器作比较，则每次谐波分配到的权值为0.7/6=0.117，再把新辨认到的用电器的相应参数与其相比较得出分值，最终把这一参数一切分值相加，再把一切参数的分值相加可得出如下表。

表3. 3新接入用电器打分表(及格分数70分)