專利名稱：基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法及其設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對家庭用電情況的監(jiān)測方法，同時還涉及一種設(shè)備，更確切地說，本發(fā)明涉及一種基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法及其設(shè)備。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今對用電情況的監(jiān)測主要用于完成兩方面的功能第一方面用于對老年及殘疾人的看護(hù)，主要訴求為不僅能夠獲取當(dāng)前住戶的活動信息(看電視，做飯等)，還應(yīng)該知道當(dāng)前的位置信息(在廁所，廚房，臥室)。如一個只有老年人居住的家庭一天中沒有任何用電行為發(fā)生，說明發(fā)生了特殊情況，需要特殊處理，這樣就能夠及早的發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況，緊急處理，減少損失。
另一方面是在環(huán)保節(jié)能方面，主要訴求為獲取用電設(shè)備的工作時間和耗電量信息。通過向用戶提供直觀的、數(shù)據(jù)可視化的信息和用電建議，達(dá)到提醒，警示的作用。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新與進(jìn)步，智慧家居概念由當(dāng)初的設(shè)想逐步走向現(xiàn)實(shí)，電設(shè)備監(jiān)測這一應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸引起了人們的注意。在用電監(jiān)測方面，目前有三種方法I.傳統(tǒng)的電表檢測；2.分布式感知；3.基于設(shè)備的仲裁傳感技術(shù)的單點(diǎn)傳感。但是，第一種方法提供用戶的信息單一，精度有限，并且對于家庭用戶來說，安裝方法復(fù)雜且有一定的危險(xiǎn)。第二種方法是在每一個需要監(jiān)測的設(shè)備上安裝一個傳感器，這種方法的缺點(diǎn)是系統(tǒng)成本高、不便于維護(hù)和安裝，并且可能會引起家庭隱私方面的擔(dān)憂。第三種方法使用電流或電壓或者兩者相結(jié)合的方式安裝到家庭電力線入口端，用來檢測電力線中電流和電壓的變化情況來判斷家用電器的關(guān)斷狀態(tài)。但是受制于技術(shù)水平和數(shù)字處理芯片的技術(shù)，只能監(jiān)測低頻段信號，比較局限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服了現(xiàn)有技術(shù)存在系統(tǒng)成本高、不便于維護(hù)和安裝與只能監(jiān)測低頻段信號的問題，提供了一種基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法，同時還提供了實(shí)現(xiàn)該方法的設(shè)備。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法包括如下步驟I.基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備初始化所述的初始化就是基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備獲取在沒有任何家用電器工作時電力線中的信號；2.基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備對家用電器開關(guān)動作進(jìn)行偵測
所述的對家用電器開關(guān)動作進(jìn)行偵測就是基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備對電力線中的電磁干擾信號進(jìn)行采集；3.基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備從大量存儲的數(shù)據(jù)中提取每種家用電器的電磁干擾特征判斷是何種家用電器正在使用；4.基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備將電力線上家用電器的電磁干擾數(shù)據(jù)和正在被使用的家用電器的類型及用電信息寫入電腦存儲；5.基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備退出監(jiān)測。技術(shù)方案中所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備對家用電器開關(guān)動作進(jìn)行偵測的步驟如下I)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備高速采集電力線中通過濾波器濾波后的電壓信號，再通過基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備實(shí)現(xiàn)電壓模擬量轉(zhuǎn)化成上位機(jī)可處理的數(shù)字量，并存儲在上位機(jī)的緩存里；·2)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備判斷數(shù)字量寫入周期時間是否到了，如果數(shù)字量寫入時間滿足一個周期時間，則將初始的步驟I)在緩存中的數(shù)字量數(shù)據(jù)寫入電腦的硬盤中，用來記錄用電數(shù)據(jù)，并且電腦可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，如果數(shù)字量寫入周期時間沒到，執(zhí)行下一步驟3);3)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備將從電力線讀取的電磁干擾電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域變換，將時間域的信號變成頻率域的信號；4)等待基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備是否完成向量平均計(jì)算，如果基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備沒完成該運(yùn)算則回到初始的步驟I)的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備將電壓模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；如果上述工作已完成則進(jìn)行下一步驟5)；5)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備判斷是否發(fā)生家用電器的開關(guān)行為，這里采用了一種叫做“功率譜向量時間追趕法”的方法，方法的描述如下列公式所示XhXf1S,..( I )Xli — |·^ 21，A22，A23,…，xI2In }( 2 )Ifi和兄分別代表30次和10次平均的功率譜平均向量，滿足條件ti-tpO，并且&和七2之間是有規(guī)律的。我們假設(shè)^Af —Xt' ~ {^Δ 1, , ^At3 , . · }( 3 )若構(gòu)造一個函數(shù)，Δ t表示時間差
1，|·^"δλ'| ~ Xthreshold，. t _ _=' I I ' _/ = l,2,J.../
I ΧΔ | Xthreshold ^( 4 )當(dāng)超過一定的閾值時，則可認(rèn)為發(fā)生了一個家用電器的開關(guān)行為，至此，判斷完畢；公式(4)中的^^-1(1是一個經(jīng)驗(yàn)閾值，并且會根據(jù)實(shí)際家庭的噪聲信號的干擾程度進(jìn)行相應(yīng)的更改，在這個算法中，基底頻率向量是不斷更新的，本方法的更新周期為O. 24s，在基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備偵測過程中，當(dāng)Xthreshtjld超過閾值時可認(rèn)為發(fā)生了一個家用電器的開關(guān)行為；雖然如此，Xthreshtjld超過閾值也有電力線中的噪聲引起的可能，因此在經(jīng)過該步驟之后，還要經(jīng)過下一步驟6);如果判斷結(jié)果是沒有發(fā)生家用電器的開關(guān)行為，則回到初始的步驟I)的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備將模擬量電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；6)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備再次采用步驟5)的方法，進(jìn)行2-4次的驗(yàn)證，只有當(dāng)每次的驗(yàn)證結(jié)果都相同時，才認(rèn)定發(fā)生了一個家用電器的開關(guān)行為；如果驗(yàn)證結(jié)果是沒有發(fā)生家用電器的開關(guān)行為，回到初始的步驟1)，如果判斷結(jié)果是發(fā)生家用電器的開關(guān)行為，進(jìn)行下一步驟7);8)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取及分類，到此，對家用電器的開關(guān)行為進(jìn)行偵測的步驟完成。技術(shù)方案中所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備從大量存儲的數(shù)據(jù)中提取每種家用電器的電磁干擾特征判斷是何種家用電器正在使用的步驟如下 I)家用電器的電磁干擾特征提取基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備針對不同的家用電器的電磁干擾，從大量存儲的數(shù)據(jù)中提取這些家用電器的電磁干擾特征，完成“差頻向量”的高斯特征即中心頻率
的計(jì)算，提取出高斯函數(shù)/OO = JiT丨(Λ'_~η2的三個參數(shù)A，B, C ；2)新的家用電器電磁干擾特征提取對新的家用電器的電磁干擾特征提取就是將對未知的家用電器提取的中心頻率、家用電器的名稱與家用電器的功耗數(shù)據(jù)打包存儲到基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備基本信息文件中；3)匹配家用電器匹配家用電器就是將未知家用電器的中心頻率信息與已存儲的家用電器信息進(jìn)行匹配，運(yùn)用K最鄰近結(jié)點(diǎn)算法、支持向量機(jī)的K最鄰近結(jié)點(diǎn)算法SVM或雙向主成分分析BDPCA的已有算法，看高斯的三個參數(shù)A、B、C與哪種家用電器的參數(shù)最大匹配；基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備通過以上算法，根據(jù)已知的家用電器特征，得出是什么家用電器正在使用；如果停止信號Stop=false&發(fā)生用電事件，則表示用電智能監(jiān)測設(shè)備已經(jīng)完成了家用電器的匹配，用電智能監(jiān)測設(shè)備知道了是什么家用電器在使用，并對該家用電器的用電量進(jìn)行記錄。技術(shù)方案中所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備將電力線上家用電器的電磁干擾數(shù)據(jù)和正在被使用的家用電器的類型及用電信息寫入電腦存儲是指記錄電力線上家用電器的電磁干擾數(shù)據(jù)和正在被使用的家用電器的類別及該家用電器用電信息記錄在電腦中，以供后續(xù)的處理，每次需要記錄的家用電器的用電信息包括當(dāng)前時間；當(dāng)前家庭家用電器總功耗；當(dāng)前工作的家用電器。并且電腦可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行讀與。—種執(zhí)行基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備，其包括高通濾波器、虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件ELVIS II、兩端設(shè)置有型號為SG-0477的BNC插槽的導(dǎo)線與電腦。高通濾波器的輸入端采用型號為GNT-T25的三相交流電的插頭與家用的插座連接，高通濾波器的輸出接線端與型號為LT-50KY的BNC接頭電線連接，兩端設(shè)置有型號為SG-0477的BNC插槽的導(dǎo)線的一端與高通濾波器上的輸出接線端即型號為LT-50KY的BNC接頭連接，兩端設(shè)置有型號為SG-0477的BNC插槽的導(dǎo)線的另一端連接到虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件中的ChO通道接口或Chl通道接口，虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件的USB接口用USB導(dǎo)線與電腦連接。技術(shù)方案中所述的高通濾波器包括型號為GNT-T25的三相交流電的插頭、電容Q、電容C2、色環(huán)電阻R1、色環(huán)電阻R2、色環(huán)電阻R3和型號為LT-50KY的BNC接頭；型號為GNT-T25的三相交流電的插頭的2號引腳接電容C1的一端，電容C1的另一端同接電阻Ri與電阻R2的一端，電阻R1的另一端同和電阻R3的一端與型號為LT-50KY的BNC接頭電線連接，電阻R2與電阻R3的另一端和電容C2的一端電線連接并同時接地，電容C2的另一端與插頭的I號引腳電線連接，型號為GNT-T25的三相交流電的插頭的3號引腳接地，電容C1、電容C2,電阻Rp電阻R2與電阻R3的值采用…、U.,2π JfCCJUlj{j(2(^ +Λ: +孕)+ 2萬.//化(7'2(R + 人V)'廣十算得出;其中U。·輸出電壓值，Ui.輸入電壓值。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是I.中國是一個電力資源嚴(yán)重缺乏的國家。在用電上，如果采用本發(fā)明所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備，可以減少用電浪費(fèi)，更合理得安排用電時間。2.本發(fā)明所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備能夠?qū)崟r的監(jiān)測家庭中的每個用電設(shè)備的使用情。即用電設(shè)備每天中工作的具體時間，消耗的總電能。通過對這些信息的處理分析，直觀的顯示給使用者，并向用戶提供合理的節(jié)能建議。3.也可以通過大量安裝使用本發(fā)明所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備，向政府和研究機(jī)構(gòu)提供家庭用電的最真實(shí)的信息，這樣比通過人工記錄獲取的信息要真實(shí)的多。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明圖I是本發(fā)明所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法的功能流程框圖；圖2是本發(fā)明所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法中所采用的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備對家用電器開關(guān)動作進(jìn)行偵測的功能流程框圖；圖3是本發(fā)明所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備中所采用的高通濾波器的電原理圖；圖4是本發(fā)明所采用的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備工作原理框圖；圖中Rl至R3.電阻。Cl與C2.電容；
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)的描述本發(fā)明所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法及其設(shè)備是針對現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，提供了更加全面的用戶信息和更加合理的節(jié)能方法。主要致力于嵌入式感測技術(shù)，用于監(jiān)測整個家庭的用電使用情況，通過單一的傳感器感知電力線中的信號，然后通過模式識別等機(jī)器學(xué)習(xí)的手段對每個設(shè)備發(fā)出的特有信號進(jìn)行識別，利用家庭用電設(shè)備工作時向電力線中輻射電磁干擾EMI噪聲的特性與加入的算法進(jìn)行匹配識別，達(dá)到家電監(jiān)測的目的。以此，提供了更加全面的用戶信息和更加合理的節(jié)能方法。本發(fā)明所提供的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法的步驟如下I.基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備初始化參閱圖1，所述的初始化就是基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備獲取在沒有任何家用電器工作時電力線中的信號。由于電力線信號具有不穩(wěn)定性，當(dāng)我們采集沒有任何家用電器工作的電力線信號時，就需采取加窗平均的方式對信號進(jìn)行預(yù)先處理。所謂加窗，就是將信號作為輸入，加入到窗函數(shù)中。在信號處理過程中，窗函數(shù)是一種在給定區(qū)間之外取值均為O的實(shí)函數(shù)。譬如在給定區(qū)間內(nèi)為常數(shù)而在區(qū)間外為O的窗函數(shù)被形象地稱為矩形窗。任何函數(shù)與窗函 數(shù)之積仍為窗函數(shù)，所以相乘的結(jié)果就像透過窗口“看”其他函數(shù)一樣。在本步驟中窗的尺寸均為60，在偵測狀態(tài)下窗的尺寸為30，就是將60或30個頻域向量取平均獲得基底向量，這是第一次獲得基底向量的值的方式，隨著程序運(yùn)行，基底向量是不斷更新的。初始化結(jié)束后，檢測停止信號Stop，如果停止信號Stop=trUe，則停止基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行，退出電腦的操作界面；如果停止信號Stop=false，表示基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備初始化完畢，進(jìn)入步驟2。2.基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備對家用電器開關(guān)動作進(jìn)行偵測參閱圖2，所述的對家用電器開關(guān)動作進(jìn)行偵測就是基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備對電力線中的電磁干擾信號進(jìn)行采集。因?yàn)椴煌募矣秒娖鳟a(chǎn)生不同的電磁干擾，于是可以利用這些電磁干擾來進(jìn)行分析，進(jìn)而偵測出開關(guān)動作。如果未偵測到家用電器發(fā)生開關(guān)動作則基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備繼續(xù)監(jiān)測。該步驟中設(shè)定了一個周期時間可以實(shí)現(xiàn)自動計(jì)時，每過一個周期則將基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備從電力線中采集的信號寫入電腦的存儲器中進(jìn)行存儲?；趩吸c(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)人為退出監(jiān)測這一功能，檢測停止信號Stop，如果停止信號Stop=true，則停止基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行，退出電腦的操作界面；如果停止信號Stop=falSe，表示基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備偵測到家用電器開關(guān)動作，進(jìn)入步驟3。具體家用電器開關(guān)動作偵測步驟如下I)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備采集電力線中的通過高濾波器濾波后的電壓信號，再通過基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備實(shí)現(xiàn)電壓模擬量轉(zhuǎn)化成上位機(jī)(電腦)可處理的數(shù)字量，并存儲在上位機(jī)的緩存里。2)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備判斷數(shù)字量寫入周期時間是否到了。如果數(shù)字量寫入時間滿足一個周期時間，則將初始的步驟I)在緩存中的數(shù)字量數(shù)據(jù)寫入電腦的硬盤中，用來記錄用電數(shù)據(jù)，并且電腦可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫。如果數(shù)字量寫入周期時間沒到，執(zhí)行下一步驟3)。3)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備將從電力線讀取的電磁干擾電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域變換，將時間域的信號變成頻率域的信號，便于我們后面的分析。4)等待基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備是否完成向量平均計(jì)算，如果基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備沒完成該運(yùn)算則回到初始的步驟I)的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備將電壓模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。如果上述工作已完成則進(jìn)行下一步驟5)。5)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備判斷是否發(fā)生家用電器的開關(guān)行為，這里采用了一種叫做“功率譜向量時間追趕法”的方法。方法的描述如下列公式所示Xt1⑴Xi2 ={xf2l,xf22,xf23,...,\OT}( 2 )和足2分別代表30次和10次平均的功率譜平均向量，滿足條件并且&和七2之間是有規(guī)律的。我們假設(shè) At ~ XI1 ^t, - {^Δ ，, ^Δ/3，…乂 Mm }(3)若構(gòu)造一個函數(shù)，Δ t表示時間差
[I，IA A"-1 — Xthreshold , . , _ ^=Ll ,/ = l,2,3...w當(dāng)Σ二少#超過一定的閾值時，則可認(rèn)為發(fā)生了一個家用電器的開關(guān)行為，至此，判斷完畢。公式(4)中的Xthreshtjld是一個經(jīng)驗(yàn)閾值，并且會根據(jù)實(shí)際家庭的噪聲信號的干擾程度進(jìn)行相應(yīng)的更改。在這個算法中，基底頻率向量是不斷更新的，本方法的更新周期為O. 24s，在基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備偵測過程中，當(dāng)Xthreshtjld超過閾值時可認(rèn)為發(fā)生了一個家用電器的開關(guān)行為。雖然如此，Xthrestold超過閾值也有電力線中的噪聲引起的可能，因此在經(jīng)過該步驟之后，還要經(jīng)過下一步驟6)。如果判斷結(jié)果是沒有發(fā)生家用電器的開關(guān)行為，則回到初始的步驟I)的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備將模擬量電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。6)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備再次采用步驟5)的方法，進(jìn)行2-4次的驗(yàn)證，只有當(dāng)每次的驗(yàn)證結(jié)果都相同時，才能認(rèn)定發(fā)生了一個家用電器的開關(guān)行為。如果驗(yàn)證結(jié)果是沒有發(fā)生家用電器的開關(guān)行為，回到初始的步驟I)。如果判斷結(jié)果是發(fā)生家用電器的開關(guān)行為，進(jìn)行下一步驟7)。7)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行特征提取及分類，到此，對家用電器的開關(guān)行為進(jìn)行偵測的步驟完成。3.基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備提取每種家用電器的電磁干擾特征判斷何種家用電器正在使用在進(jìn)行完步驟2偵測到家用電器開關(guān)行為的信息后，基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備開始學(xué)習(xí)每種家用電器的電磁干擾特性來判斷當(dāng)前是何種家用電器在使用。步驟如下I)家用電器的電磁干擾特征提取基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備針對不同的家用電器的電磁干擾，從大量存儲的數(shù)據(jù)中提取這些家用電器的電磁干擾特征，完成“差頻向量”的高斯特征(中心頻率)的計(jì)算，提取出高斯函數(shù)/⑺=,和- (Λ—S)/e]2的三個參數(shù)A，B，c。這個中心頻率是后面兩個功能的基礎(chǔ)。2)新的家用電器電磁干擾特征提取對新的家用電器的電磁干擾特征提取就是將對未知的家用電器提取的中心頻率、家用電器的名稱與家用電器的功耗數(shù)據(jù)打 包存儲到基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備基本信息文件中。3)匹配家用電器匹配家用電器就是將未知家用電器的中心頻率信息與已存儲的家用電器信息進(jìn)
行匹配，運(yùn)用K最鄰近結(jié)點(diǎn)算法-KNNCk-Nearest Neighbors)或支持向量機(jī)的K最鄰近
結(jié)點(diǎn)算法 SVM (Support Vector Machine)-KNN 或雙向主成分分析 BDPCA(BidirectionalPCA, BDP-CA)等已有算法，看高斯的三個參數(shù)A，B, C與哪種家用電器的參數(shù)最大匹配?；趩吸c(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備通過以上算法，根據(jù)已知的家用電器特征，得出是什么家用電器正在使用。如果停止信號Stop=false&發(fā)生用電事件(&代表邏輯相“與”)，則表示基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備已經(jīng)完成了家用電器的匹配，基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備知道了是什么家用電器在使用。在這里也可以人為退出系統(tǒng)，檢測停止信號Stop，如果停止信號Stop=true，表示人為退出，停止基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能用電監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行，退出電腦的操作界面。4.基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備將電力線上家用電器的電磁干擾數(shù)據(jù)和正在被使用的家用電器類別及該家用電器的用電信息記錄在電腦中，以供后續(xù)的處理，每次需要記錄的家用電器的用電信息包括當(dāng)前時間；當(dāng)前家庭家用電器總功耗；當(dāng)前工作的家用電器。并且電腦可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫。在這里也可以人為退出系統(tǒng)，檢測停止信號Stop,如果停止信號Stop=true,表示人為退出，停止基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能用電監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行，退出電腦的操作界面。5.基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備退出監(jiān)測。完成程序終止運(yùn)行的善后處理工作，滿足一入一出機(jī)制。在這個狀態(tài)中關(guān)閉在前面打開的文件，關(guān)閉程序的運(yùn)行。實(shí)施基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備包括I.高通濾波器；2.虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件(Educational Laboratory VirtualInstrumentation Suite II,簡稱 ELVIS II);3.兩端設(shè)置有BNC插槽的導(dǎo)線；4.電腦；其中虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件是本設(shè)備的核心部件。(I)高通濾波器由標(biāo)準(zhǔn)件型號為GNT-T25的三相交流電插頭、標(biāo)準(zhǔn)件電容C1、標(biāo)準(zhǔn)件電容C2、標(biāo)準(zhǔn)件色環(huán)電阻R1、標(biāo)準(zhǔn)件色環(huán)電阻R2、標(biāo)準(zhǔn)件色環(huán)電阻R3和型號為LT-50KY的BNC接頭組成。參閱圖3, BNC接頭是一種用于同軸電纜的連接器，全稱是Bayonet NutConnector,即常說的細(xì)同軸電纜接口。設(shè)計(jì)一個高通濾波器置于虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件的前端，獲知處于IkHz—500kHz之間的開關(guān)電源的電磁干擾信號。圖中所示的電路為在基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備中應(yīng)用的高通濾波器的電路原理圖，插頭的2號引腳接電容C1的一端，電容C1的另一端同接電阻R1與電阻R2的一端，電阻R1的另一端同和電阻R3的一端與BNC接頭電線連接，電阻R2與電阻R3的另一端和電容C2的一端電線連接并同時接地，電容C2的另一端與插頭的I號引腳電線連接，插頭的3號引腳接地。此濾波器用來濾除低頻域的工 頻信號和工頻信號的諧波信號。圖中的電容C1、電容C2、電阻札、電阻R2與電阻R3的值，根據(jù)具體電路的輸入輸出關(guān)系的傳遞函數(shù)計(jì)算得出，計(jì)算方法見公式(6),
U02πifCX'-Jl1 It, XG(f) = — =-:---I 6 )
U1 (2( ](!{,+R2+Ri) + InifliX\C \{Ι +Ι^))其中U。輸出電壓值仙輸入電壓值。其中電容C1和電容C2為630V的O. IuF的陶瓷電容，電阻R2=電阻R3=470歐姆，電阻R1=IO歐姆，濾掉I. 4Khz頻率以下的電壓。電容、電阻均為標(biāo)準(zhǔn)件，如電容104K630L，電阻CRl/2W-5%等。信號輸出經(jīng)過導(dǎo)線接到BNC接頭的插槽上。(2)美國國家儀器公司(NI, National Instruments)的實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 以下簡稱 NI LabView)軟件開發(fā)平臺，虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件(Educational Laboratory VirtualInstrumentation Suite II,簡稱 ELVIS II):DLabView是由美國NI公司開發(fā)的優(yōu)秀圖形化編程開發(fā)平臺，是目前應(yīng)用范圍最廣、功能最為強(qiáng)大的虛擬儀器開發(fā)平臺。2)虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件(Educational Laboratory VirtualInstrumentation Suite II)是美國國家儀器公司專門為大學(xué)課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一款虛擬儀器套件。它集成了 12款教學(xué)和設(shè)計(jì)中最為常用的基本儀器。包括數(shù)字萬用表、示波器、函數(shù)發(fā)生器、各類電源和伯德圖分析儀等。它能夠基于LabView軟件開發(fā)平臺對它進(jìn)行操作，也可以當(dāng)作普通的儀器使用。本系統(tǒng)使用了虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件(Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite II)上的數(shù)據(jù)米集卡的功能，能夠提供16位的分辨率和I. 25MS/s采樣率。打開用LabView編寫的操作環(huán)境，完成整套設(shè)備的運(yùn)行和控制。(3)兩端連接有型號為SG-0477的BNC插槽導(dǎo)線，一端連接高通濾波器的輸出接線端，另一端與ELVIS II輸入CHO或CHl相連。(4)電腦，配合以上三部分，完成數(shù)據(jù)的處理和存儲功能。以上四部分的連接關(guān)系高通濾波器的輸入端與標(biāo)準(zhǔn)件型號為GNT-T25的三相交流電的插頭相連，型號為GNT-T25的三相交流電的插頭與家用的插座連接，高通濾波器的輸出接線端連接一個型號為LT-50KY的BNC接頭。兩端連接有型號為SG-0477的BNC插槽的導(dǎo)線的一端與高通濾波器上的輸出接線端即型號為LT-50KY的BNC接頭連接，兩端設(shè)置有BNC插槽的導(dǎo)線的另一端連接到虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件ELVIS II中的輸入端ChO或Chl通道接口，虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件ELVIS II的USB接口用USB導(dǎo)線與電腦相連。基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備的工作原理
參閱圖4,首先,交流電(AC)電力線接入工頻電,使用插頭接入插座,從插頭上對電力線上的電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，插頭與高通濾波器相連，完成有效數(shù)據(jù)的可靠過濾。高通濾波器置于虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件的前端，獲得處于lkHz-500kHz之間的開關(guān)電源的電磁干擾信號，其范圍為10 90毫伏(mV)。其次，將高通濾波器的插頭的輸出線的BNC插槽插到虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件NI EIVIS II的CHO或CHl的BNC插頭上，再將虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件NI EIVIS II的USB線接到電腦的USB接口上，虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件NI EIVIS II進(jìn)行模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，通過USB線將數(shù)字量送入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行計(jì)算。然后，打開用LabView編寫的操作環(huán)境，完成整套設(shè)備的運(yùn)行和控制，將濾波后傳來的信號送入美國國家儀器公司開發(fā)的ELVIS II平臺，通過軟件編寫實(shí)現(xiàn)信號實(shí)時快速的功率譜變換，用電設(shè)備事件偵測，特征提取，特征匹配和數(shù)據(jù)存儲等功能。在這里主要的處理是通過LabView的軟件來實(shí)現(xiàn)的，采用算法是比較成熟的快速傅里葉變換算法(FFT)，將時間域的弱耦合電磁干擾信號變換為頻域信號，同時將連續(xù)的數(shù)據(jù)流分成一段一段的離散信號，每一段均是2048個采樣點(diǎn)。變成頻域的離散信號。最后，在經(jīng)過了用戶行為探測及分段處理后，將所采集到的用電信息，將樣本數(shù)據(jù)寫入的文件調(diào)出，反映給用戶查看，包 括每個用電設(shè)備的工作狀態(tài)，占用家庭總耗電量的百分比，總的耗電信息。并給出合理的用電建議。這里一般都是將信息送到電腦的界面上進(jìn)行顯示。
權(quán)利要求
1.一種基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法，其特征在于，所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法包括如下步驟 1)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備初始化 所述的初始化就是基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備獲取在沒有任何家用電器工作時電力線中的信號； 2)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備對家用電器開關(guān)動作進(jìn)行偵測 所述的對家用電器開關(guān)動作進(jìn)行偵測就是基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備對電力線中的電磁干擾信號進(jìn)行采集； 3)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備從大量存儲的數(shù)據(jù)中提取每種家用電器的電磁干擾特征判斷是何種家用電器正在使用； 4)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備將電力線上家用電器的電磁干擾數(shù)據(jù)和正在被使用的家用電器的類型及用電信息寫入電腦存儲； 5)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備退出監(jiān)測。
2.按照權(quán)利要求I所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法，其特征在于，所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備對家用電器開關(guān)動作進(jìn)行偵測的步驟如下 1)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備高速采集電力線中通過濾波器濾波后的電壓信號，再通過基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備實(shí)現(xiàn)電壓模擬量轉(zhuǎn)化成上位機(jī)可處理的數(shù)字量，并存儲在上位機(jī)的緩存里； 2)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備判斷數(shù)字量寫入周期時間是否到了，如果數(shù)字量寫入時間滿足一個周期時間，則將初始的步驟I)在緩存中的數(shù)字量數(shù)據(jù)寫入電腦的硬盤中，用來記錄用電數(shù)據(jù)，并且電腦可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，如果數(shù)字量寫入周期時間沒至IJ，執(zhí)行下一步驟3); 3)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備將從電力線讀取的電磁干擾電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域變換，將時間域的信號變成頻率域的信號； 4)等待基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備是否完成向量平均計(jì)算，如果基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備沒完成該運(yùn)算則回到初始的步驟I)的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備將電壓模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；如果上述工作已完成則進(jìn)行下一步驟5)； 5)基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備判斷是否發(fā)生家用電器的開關(guān)行為，這里采用了一種叫做“功率譜向量時間追趕法”的方法，方法的描述如下列公式所示
3.按照權(quán)利要求I所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法，其特征在于，所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備從大量存儲的數(shù)據(jù)中提取每種家用電器的電磁干擾特征判斷是何種家用電器正在使用的步驟如下 1)家用電器的電磁干擾特征提取 基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備針對不同的家用電器的電磁干擾，從大量存儲的數(shù)據(jù)中提取這些家用電器的電磁干擾特征，完成“差頻向量”的高斯特征即中心頻率的計(jì)算，提取出高斯函數(shù)
4.按照權(quán)利要求I所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法，其特征在于，所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備將電力線上家用電器的電磁干擾數(shù)據(jù)和正在被使用的家用電器的類型及用電信息寫入電腦存儲是指 記錄電力線上家用電器的電磁干擾數(shù)據(jù)和正在被使用的家用電器的類別及該家用電器用電信息記錄在電腦中，以供后續(xù)的處理，每次需要記錄的家用電器的用電信息包括當(dāng)前時間；當(dāng)前家庭家用電器總功耗；當(dāng)前工作的家用電器。并且電腦可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫。
5.一種執(zhí)行權(quán)利要求I所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備，其特征在于，所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備包括高通濾波器、虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件ELVIS II、兩端設(shè)置有型號為SG-0477的BNC插槽的導(dǎo)線與電腦； 高通濾波器的輸入端采用型號為GNT-T25的三相交流電的插頭與家用的插座連接，高通濾波器的輸出接線端與型號為LT-50KY的BNC接頭電線連接，兩端設(shè)置有型號為SG-0477的BNC插槽的導(dǎo)線的一端與高通濾波器上的輸出接線端即型號為LT-50KY的BNC接頭連接，兩端設(shè)置有型號為SG-0477的BNC插槽的導(dǎo)線的另一端連接到虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件中的ChO通道接口或Chl通道接口，虛擬儀器技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室套件的USB接口用USB導(dǎo)線與電腦連接。
6.按照權(quán)利要求5所述的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備，其特征在于，所述的高通濾波器包括型號為GNT-T25的三相交流電的插頭、電容C1、電容C2、色環(huán)電阻R1、色環(huán)電阻R2、色環(huán)電阻R3和型號為LT-50KY的BNC接頭； 型號為GNT-T25的三相交流電的插頭的2號引腳接電容C1的一端，電容C1的另一端同接電阻R1與電阻R2的一端，電阻R1的另一端同和電阻R3的一端與型號為LT-50KY的BNC接頭電線連接，電阻R2與電阻R3的另一端和電容C2的一端電線連接并同時接地，電容C2的另一端與插頭的I號引腳電線連接，型號為GNT-T25的三相交流電的插頭的3號引腳接地，電容C1、電容C2,電阻Rp電阻R2與電阻R3的值采用 其中U。.輸出電壓值，Ui.輸入電壓值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法及其設(shè)備，旨在克服現(xiàn)有技術(shù)不便維護(hù)安裝與只能監(jiān)測低頻段信號的問題。其步驟如下1.基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備初始化；2.基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備對家用電器開關(guān)動作進(jìn)行偵測；3.基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備從大量存儲的數(shù)據(jù)中提取每種家用電器的電磁干擾特征判斷是何種家用電器正在使用；4.基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備將電力線上家用電器的電磁干擾數(shù)據(jù)寫入電腦存儲；5.基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備退出監(jiān)測。本發(fā)明還公開了一種執(zhí)行基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測方法的基于單點(diǎn)感知的家庭用電智能監(jiān)測設(shè)備，其包括高通濾波器等。
文檔編號G01R22/06GK102901869SQ20121039028
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月15日
發(fā)明者周求湛, 車遙, 胡繼康, 歐淇源, 李亞強(qiáng) 申請人:吉林大學(xué)