0 引言

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

1 系統總體設計

    系統主要由用電安全執行終端、網關設備、遠程監控平臺構成，圖1為系統通信結構圖^[5-6]。用電安全執行終端采集宿舍入戶電線的干路電流、電壓、有功功率、功率因素等電能數據，同時對采集到的數據進行篩選、去噪等預處理，并推算新插入電器的電能參數，然后將該電器的參數及判斷結果通過CAN總線的方式傳送至網關。網關將數據轉換為TCP/IP后傳輸至以太網，最終傳送至遠程監控平臺。遠程監控平臺通過訪問以太網獲取當前各宿舍大樓的用電數據，實現遠程監控、遠程斷電、遠程復電等功能。

2 硬件設計

    用電安全執行終端由主要由微控制器MSP430F5529單片機、電源驅動電路、電量傳感器、CAN總線通信電路、繼電器模塊構成，用以實現干路電參量采集、新支路電參量推算、遠程數據采集、自動斷復電操作等功能。硬件總體結構圖如圖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，并對采集的數據進行處理及邏輯識別。若識別出違規電器，系統將控制繼電器切斷入戶總線，并等待遠程監控平臺復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處理器內核，主頻可達25 MHz，內置數字控制振蕩器（DCO）及128 KB的閃存。并具有豐富的片上外設資源，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閉不同的系統時鐘，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、直流電子式電參數采集模塊JSY-MK-135，其內置的24 bit A/D轉換器及緩沖放大器大大提高了電壓電流采樣分辨率。該模塊采用了數字采樣處理技術及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、頻率等眾多電氣數據^[7]。

2.3 CAN通信模塊

    MCP2515是一款Microchip Technology公司的CAN協議控制器，支持CAN V2.0B技術規范，通信速率高達1 Mb/s，能夠收發標準的CAN數據報文，可利用SPI接口進行數據傳輸。MCP2515內部包含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、高壓瞬態保護及自動熱關斷保護等功能。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，從而構建起外呼控制器和主控制器的通信渠道。

3 軟件設計

    系統軟件設計主要包括用電安全執行終端的控制器軟件設計和遠程監控平臺的上位機軟件設計。

3.1 控制器軟件設計

    控制器的軟件部分主要實現學生公寓用電狀態監測與查詢、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。由于學生公寓違規電器是否使用會直接體現在公寓入戶總線的電流數據變化上，因此本系統通過對公寓入戶總線電路中電參量數據的監測達到對學生公寓違規電器的監測。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，由歐拉公式可得新負載的功率因數為：

    系統通過實時監測入戶總線的電參量數據，結合前后兩次的電參量推導出新負載的有功功率和功率因數。當識別到某公寓已插入違規電器時，系統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總線上報至遠程監控平臺。斷電處理后，若系統識別到違規電器已拔出，系統將再次上傳公寓信息至遠程監控平臺，并等待遠程監控平臺的遠程命令，以操作繼電器恢復公寓供電。

3.2 上位機軟件設計

    上位機軟件采用C#進行設計，主要由展示模塊、通信模塊和數據庫模塊組成。展示模塊實現了對各個房間運行狀態的展示、歷史違規數據的查詢，同時還可以對選定房間進行停電和復電的遠程操作。當系統監測到違規用電時，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，并及時到對應宿舍進行相應的查處工作。通信模塊實現了Socket服務器端和CAN總線報文的發送、接收、回復及解析。系統上電后，網關會通過Socket的方式和上位機服務器端建立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。數據庫模塊主要使用了ODBC方式連接SqlServer數據庫，實現違規數據的存儲、刪除和查詢。

4 系統測試及結果分析

4.1 測試環境及相關設置

    測試過程中使用的測試平臺即本系統遠程監控平臺。測試過程中可通過登錄到該平臺的監控界面，讀取并記錄相應宿舍的測試數據、識別結果及執行動作。綜合考慮學生公寓的常規用電設備情況，構建的實驗環境為：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環境，然后分別加載電吹風、電磁爐、電磁灶、電燉鍋、電熱水壺、燙發棒等12種常用違規電器。測試分為正常電器測試、大功率（800 W以上）違規電器測試和小功率（800 W以下）違規電器測試3個部分。

4.2 測試結果及分析

    第一組進行正常電器的測試，以檢驗本系統是否對正常電器存在誤判現象。首先，將一臺戴爾臺式機接入電網，并依次將惠普臺式、神舟筆記本、華碩筆記本電腦接入電網。同時，記錄每次測量的新負載功率因素及有功功率，并觀察系統是否執行斷電操作，測試結果如表1所示。從測試結果可知，正常電器接入并沒有引起電網的切斷，未發生誤判，系統工作良好。僅有4臺電腦接入電網的基礎環境電參量為：功率因數為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）違規電器測試，以驗證本系統對大功率違規電器識別結果的準確性。在4臺電腦的基礎上，將電磁爐小檔、電磁爐大檔、電熱水壺、吹風機A、吹風機B分別接入電網，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，觀察系統是否執行斷電操作。測試結果如表2所示。從測試結果可知，系統對大功率（800 W以上）違規電器電能參數計算結果較為接近實際值，功率因素推算的最大誤差小于0.36%，且對每一種違規電器均有正確的識別和斷電結果。

    第三組進行了小功率（800 W以下）違規電器測試，以驗證本系統是否對小功率違規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，將燙發棒、電燉鍋、電磁灶小火、電磁灶大火、吹風機C、電吹風D小檔、電吹風D大檔分別接入電網，測試結果如表3所示。從測試結果可知，系統對小功率（800 W以下）違規電器仍具有良好的識別效果，電能參數計算結果誤差較低，功率因數推算最大誤差小于1.9%。有功功率僅為33 W的燙發棒也被正確識別，試驗結果良好。

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

5 結論

    本文針對學生公寓違規電器實時化、自動化識別及有效限制使用的需求，設計了一款基于電量傳感器的學生公寓違規電器在線識別系統。介紹了新支路電參量的計算方法，采用JSY1_41電量傳感器的數據對學生公寓用電狀況監測，實現了違規電器的自主識別及自動斷復電。測試結果表明，系統工作穩定，對大功率違規電器的功率因數推算誤差小于0.36%，對小功率違規電器的功率因數推算誤差小于1.9%。違規電器的斷電結果正確，大大降低了學生公寓違規電器及時查處的難度。

參考文獻

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[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

（廈門大學嘉庚學院 信息科學與技術學院，福建 漳州363105）