0 引言

    隨著高等教育大眾化進(jìn)程的推進(jìn)，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(fù)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(diǎn)，致使學(xué)生公寓違規(guī)電器的發(fā)現(xiàn)率偏低，無(wú)法在根本上解決違規(guī)電器的使用問(wèn)題^[3-4]。因此，違規(guī)電器的實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化識(shí)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(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)入戶總線電參量推算干路新負(fù)載的電參量，從而實(shí)現(xiàn)用電狀況的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、違規(guī)電器的自主識(shí)別和自動(dòng)斷復(fù)電操作。該系統(tǒng)將進(jìn)一步降低學(xué)生公寓違規(guī)電器給學(xué)生用戶帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，保障學(xué)生的用電安全。較目前的違規(guī)電器識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有更準(zhǔn)確有效、快捷實(shí)用的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)主要由用電安全執(zhí)行終端、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)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(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)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(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)訪問(wèn)以太網(wǎng)獲取當(dāng)前各宿舍大樓的用電數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程斷電、遠(yuǎn)程復(fù)電等功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

    用電安全執(zhí)行終端由主要由微控制器MSP430F5529單片機(jī)、電源驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)干路電參量采集、新支路電參量推算、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)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(jī)控制電量傳感器對(duì)入戶干路進(jìn)行電參量采集，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及邏輯識(shí)別。若識(shí)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(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)復(fù)電指令進(jìn)行重新接通入戶總線操作。

2.1 微控制器簡(jiǎn)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(dá)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(shí)鐘，可提供多至6種低功耗模式，活動(dòng)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(zhǔn)確測(cè)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(dá)1 Mb/s，能夠收發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的CAN數(shù)據(jù)報(bào)文，可利用SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。MCP2515內(nèi)部包含6個(gè)29 bit驗(yàn)收濾波寄存器和2個(gè)29 bit驗(yàn)收屏蔽寄存器，具有靈活的報(bào)文存儲(chǔ)功能。

    CAN通信模塊以CAN物理接口芯片MCP2551為核心，工作節(jié)點(diǎn)最多可支持112個(gè)，具有很強(qiáng)的抗噪特性。該芯片滿足ISO-11898標(biāo)準(zhǔn)物理層要求，擁有短路保護(hù)、高壓瞬態(tài)保護(hù)及自動(dòng)熱關(guān)斷保護(hù)等功能。CAN通信模塊電路圖如圖3所示，其中，MCP2515通過(guò)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(jì)

    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括用電安全執(zhí)行終端的控制器軟件設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

3.1 控制器軟件設(shè)計(jì)

    控制器的軟件部分主要實(shí)現(xiàn)學(xué)生公寓用電狀態(tài)監(jiān)測(cè)與查詢、遠(yuǎn)程控制及反饋、異常報(bào)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(huì)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(guò)對(duì)公寓入戶總線電路中電參量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)達(dá)到對(duì)學(xué)生公寓違規(guī)電器的監(jiān)測(cè)。由于任意負(fù)載可等效為一定非純阻性負(fù)載與純阻性負(fù)載的并聯(lián)，由歐拉公式可得新負(fù)載的功率因數(shù)為：

    系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(fù)載的有功功率和功率因數(shù)。當(dāng)識(shí)別到某公寓已插入違規(guī)電器時(shí)，系統(tǒng)將立即操作繼電器對(duì)該公寓進(jìn)行斷電處理，并把公寓信息通過(guò)CAN總線上報(bào)至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。斷電處理后，若系統(tǒng)識(shí)別到違規(guī)電器已拔出，系統(tǒng)將再次上傳公寓信息至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，并等待遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的遠(yuǎn)程命令，以操作繼電器恢復(fù)公寓供電。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    上位機(jī)軟件采用C#進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要由展示模塊、通信模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)模塊組成。展示模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)各個(gè)房間運(yùn)行狀態(tài)的展示、歷史違規(guī)數(shù)據(jù)的查詢，同時(shí)還可以對(duì)選定房間進(jìn)行停電和復(fù)電的遠(yuǎn)程操作。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到違規(guī)用電時(shí)，展示模塊會(huì)以聲音和文字的形式進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。管理員獲取報(bào)警后可以通過(guò)取消報(bào)警的按鈕取消聲音報(bào)警，并及時(shí)到對(duì)應(yīng)宿舍進(jìn)行相應(yīng)的查處工作。通信模塊實(shí)現(xiàn)了Socket服務(wù)器端和CAN總線報(bào)文的發(fā)送、接收、回復(fù)及解析。系統(tǒng)上電后，網(wǎng)關(guān)會(huì)通過(guò)Socket的方式和上位機(jī)服務(wù)器端建立TCP連接，然后各個(gè)下位機(jī)均通過(guò)該連接與上位機(jī)進(jìn)行報(bào)文通信。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊主要使用了ODBC方式連接SqlServer數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)違規(guī)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、刪除和查詢。

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

4.1 測(cè)試環(huán)境及相關(guān)設(shè)置

    測(cè)試過(guò)程中使用的測(cè)試平臺(tái)即本系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。測(cè)試過(guò)程中可通過(guò)登錄到該平臺(tái)的監(jiān)控界面，讀取并記錄相應(yīng)宿舍的測(cè)試數(shù)據(jù)、識(shí)別結(jié)果及執(zhí)行動(dòng)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(shí)驗(yàn)環(huán)境為：將戴爾、惠普的2臺(tái)臺(tái)式機(jī)及神舟、華碩的2臺(tái)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(cè)試分為正常電器測(cè)試、大功率（800 W以上）違規(guī)電器測(cè)試和小功率（800 W以下）違規(guī)電器測(cè)試3個(gè)部分。

4.2 測(cè)試結(jié)果及分析

    第一組進(jìn)行正常電器的測(cè)試，以檢驗(yàn)本系統(tǒng)是否對(duì)正常電器存在誤判現(xiàn)象。首先，將一臺(tái)戴爾臺(tái)式機(jī)接入電網(wǎng)，并依次將惠普臺(tái)式、神舟筆記本、華碩筆記本電腦接入電網(wǎng)。同時(shí)，記錄每次測(cè)量的新負(fù)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(cè)試結(jié)果如表1所示。從測(cè)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(tái)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(jìn)行大功率（800 W以上）違規(guī)電器測(cè)試，以驗(yàn)證本系統(tǒng)對(duì)大功率違規(guī)電器識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性。在4臺(tái)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(jī)A、吹風(fēng)機(jī)B分別接入電網(wǎng)，進(jìn)行新負(fù)載的測(cè)試。同時(shí)記錄新負(fù)載功率因素及有功功率的實(shí)際值與計(jì)算值，觀察系統(tǒng)是否執(zhí)行斷電操作。測(cè)試結(jié)果如表2所示。從測(cè)試結(jié)果可知，系統(tǒng)對(duì)大功率（800 W以上）違規(guī)電器電能參數(shù)計(jì)算結(jié)果較為接近實(shí)際值，功率因素推算的最大誤差小于0.36%，且對(duì)每一種違規(guī)電器均有正確的識(shí)別和斷電結(jié)果。

    第三組進(jìn)行了小功率（800 W以下）違規(guī)電器測(cè)試，以驗(yàn)證本系統(tǒng)是否對(duì)小功率違規(guī)電器仍具有良好的識(shí)別作用。整個(gè)測(cè)試過(guò)程與第二組試驗(yàn)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(jī)C、電吹風(fēng)D小檔、電吹風(fēng)D大檔分別接入電網(wǎng)，測(cè)試結(jié)果如表3所示。從測(cè)試結(jié)果可知，系統(tǒng)對(duì)小功率（800 W以下）違規(guī)電器仍具有良好的識(shí)別效果，電能參數(shù)計(jì)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(shí)別，試驗(yàn)結(jié)果良好。

    通過(guò)以上3組實(shí)驗(yàn)充分檢驗(yàn)了本系統(tǒng)對(duì)違規(guī)電器識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性及實(shí)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(guò)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(guò)1.9%。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)用電狀況的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、違規(guī)電器的自主識(shí)別及自動(dòng)斷復(fù)電操作，避免了人工排查不及時(shí)性、不全面性、可規(guī)避性等缺點(diǎn)。同時(shí)，實(shí)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(cái)產(chǎn)及隱私權(quán)被侵犯，降低了違規(guī)電器對(duì)學(xué)生公寓造成的生命及財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

    本文針對(duì)學(xué)生公寓違規(guī)電器實(shí)時(shí)化、自動(dòng)化識(shí)別及有效限制使用的需求，設(shè)計(jì)了一款基于電量傳感器的學(xué)生公寓違規(guī)電器在線識(shí)別系統(tǒng)。介紹了新支路電參量的計(jì)算方法，采用JSY1_41電量傳感器的數(shù)據(jù)對(duì)學(xué)生公寓用電狀況監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了違規(guī)電器的自主識(shí)別及自動(dòng)斷復(fù)電。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，對(duì)大功率違規(guī)電器的功率因數(shù)推算誤差小于0.36%，對(duì)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(shí)查處的難度。

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作者信息:

郭一晶，顏逾越，高鳳強(qiáng)

（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）