基于SUI-101A的用电器分析识别装置设计

胡各优，张钦科，胡辉，张仁民，汪旭明

（吉首大学 信息科学与工程学院，湖南 吉首 416000）

0 引 言

随着人口数量的增多以及经济的不断发展，人们消耗能源的速度越来越快，能源危机已经成为制约人类可持续发展的重要因素之一，因此，如何有效利用能源便成了亟待解决的一大问题。电能是当今主要能源之一，它的重要性不言而喻，节约用电可以减少电能的消耗，提高能源的利用率。此外，用电安全无法保障是目前的一大障碍——每年因用电不当导致财产损失甚至威胁到生命的事件不计其数。人们虽常对用电设备进行定时检查，但不便于对用电情况进行实时监控，这便导致了如触电、火灾等大量安全隐患的发生。因此，如何设计一款使用便捷、安装简单、能够实时监测的用电器分析检测装置便显得尤为重要。

拟设计的用电器分析识装置既能通过测量用电器的一系列电参量来识别用电器种类，显示用电器的用电情况，以此来判断其是否正常工作，保障用户的用电安全、减少用电事故的发生，又能借此让用户根据家庭用电量的情况进行科学规划，提高能源的利用率。

1 总体设计思路

系统总体框图如图1所示。系统的工作原理是通过AC-DC模块将220 V的交流电转换成5 V的直流电给STM32单片机和采样模块供电，同时SUI-101A交流电能计量模块采集用电器在市电下输入的交流电流、电压、有功功率、累计电量、频率、功率因数等参数，再通过串口通信将采集到的数据发送给单片机，单片机经过一定的判断算法判断出用电器的工作状态，最终将用电器的类型和电参数显示在显示屏上。

图1 系统总体框图

2 硬件设计

如图2、图3所示，硬件部分由电参数测量模块、信号处理平台和显示模块、供电模块构成。其中电参数测量模块将测量信息通过串口发送至信号处理平台和显示模块，供电模块将220AC-5VDC给信号处理平台和显示模块电源支撑。

图2 硬件部分

图3 装置实物图

2.1 电参数测量模块设计

电参数测量使用的是SUI-101A交流电能计量模块。SUI-101A交流电能计量模块采用全隔离采集方案，该方案不仅能实现高低压完全隔离，而且能够实时测量交流电流、电压、有功功率、累计电量、频率、功率因数等电参数，大大增强了装置的安全性及可靠性。同时，SUI-101A芯片支持自定义简易协议和Modbus双协议自动识别，无须软件或硬件设置，可直接使用调试指令来简化调试。

2.2 信号处理平台和显示模块设计

系统采用STM32F103ZET6最小系统作为信号处理平台接收来自采样模块的数据，STM32单片机经过算法处理后将用电器类型和相关参数显示在TFT屏幕上。其中STM32单片机具有体积小、功耗低、外设资源丰富、算法灵活等优点，运算性能满足在系统中应用。

2.3 供电模块设计

系统供电采用220VAC-DC降压模块。该模块将220 V交流市电转换为5V的直流电，并带有电源保护，使整个模块安全稳定。又由于SUI-101A交流电能计量模块为全隔离模块，需要外部5 V供电，而STM32单片机也需要5 V供电，故使用AC-DC模块将220 V的交流电转换成5 V的直流电给单片机和电参数采集模块供电。

3 软件设计

3.1 用电器状态识别方法设计

用电器状态识别方法采用电参量多维模型综合识别法，即按照用电器的电流、电压、功率、频率、功率因数建立多个维度的参考模型，利用多个维度对比建立的参考模型，就能判断用电器当前的工作状态。这个方法的优点是多个维度的判别结果可以互相参考，既避免了用电器之间信号覆盖的情况，同时也增加判别结果的可信度。

3.2 主程序流程图

系统主程序流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

主程序：当装置上电后，整个系统开始工作。STM32单片机开始系统初始化，初始化完成后判断按键是否按下：若按键按下，则需判断按键对应编号，若为按键1则进入测试子程序，为按键0则进入学习子程序，同时清空所有的用电器信息，若都不是则继续判断按键是否按下。

3.3 子程序流程图

系统子程序流程图如图5所示。

图5 子程序流程图

测试子程序：通过检测电路的参数来判断用电器的使用情况，若按键1未按下则继续检测电路的参数来判断用电器的使用情况。若按键1按下则开始通过判断电路参数的变化来判断用电器是否使用的情况，再一次按下按键1则返回主程序。

学习子程序：按键1按下是通过检测电路的参数来学习用电器，按键0按下进入测试模式，开始通过判断电路参数的变化来判断用电器的使用情况，按键WK_UP则返回主程序。

3.4 判断用电器类型

在设计中，实验所用的7种用电器分别为自制用电器、小功率风扇、大功率风扇、充电器、LED灯、烧水杯、热得快。其中自制用电器、小功率风扇、大功率风扇、充电器、LED灯属于电流小于50 mA的小电器，而热得快电流大于9 mA。其中，烧水杯电流介于1 mA和2 mA之间，充电器的电流小于10 mA，自制电器的电流介于10 mA和15 mA之间，小风扇的电流介于15mA到20 mA之间，大风扇的电流介于20 mA和25 mA之间，LED灯的电流介于25mA到30mA之间。设计主要通过电压、电流、功率来判断出用电器的类型。考虑到排插供电电压的波动以及外界因素对小电流的干扰严重，故需要借助其他维度进行辅助判断，经过测试得出用电器的功率因数较为稳定，所以又采取功率因数这一电参量进行辅助识别，增加测试结果的准确性。

4 测试方案与测试结果

4.1 测试方案

将7个电器依次接入插座，查看显示屏显示添加的用电器类型以及用电器的电压、电流、有功功率、频率、功率因数，并通过万用表等工具测量真实数据来验证装置测量的数据是否准确。

4.2 测试结果

第一次测试结果如表1所示。

表1 第一次测试表

将1号自制电器接入装置，显示屏显示添加1号用电器并得出了如表1中的装置实时监测1号用电器的电参数，在保留1号用电器的基础上，将2号用电器接入装置，显示屏显示添加2号用电器并得出了如表2中的装置实时监测2号用电器的电参数。以此类推，依次将3号到7号用电器接入装置，测得每个用电器的电参数。

第二次测试结果如表2所示。

表2 第二次测试表

为了减少测试的偶然性和不确定性，重复第一次测试。依次将1号到7号用电器接入装置，装置都能正确显示接入用电器的编号，并测得每个用电器的电参数，得到表2测试数据。对比表1和表2的数据可知，第二次与第一次的测试结果之间存在0.60 V以内的电压误差和20.00 mA以内的电流误差。

第三次测量结果如表3所示。

表3 第三次测试表

第三次重复测试，对比表2和表3的测试数据发现，第三次与第二次的测试结果之间存在0.60 V以内的电压误差和30.00 mA以内的电流误差。通过比对三次测试数据，可以得出测试的误差较小。又由于电网波动和用电器实际功率时变性质的影响会使测试结果存在一定波动，所以该装置能够相对正确的测量用电器的电参数并识别用电器种类。

5 结 论

基于SUI-101A的用电器分析识别装置能有效帮助用户实时了解用电器的使用情况——使用时它会显示各项参数指标以此对用电器类型进行分析和识别。该装置从整体来看使用方便，操作简单，安全而又稳定，但是该装置仍然存在一些待解决的问题：比如未实现装置与手机间的通信功能，未实现物联功能等，因此接下来还需要根据不同的使用场景来进一步完善设计细节。