一種基于數(shù)字信號(hào)處理的電器類型識(shí)別的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于數(shù)字信號(hào)處理的電器類型識(shí)別裝置及方法，其系統(tǒng)包括依次連接的電流傳感器、前置放大器、低通濾波器、程控放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器和RS?485通信模塊。所述電流傳感器用于將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；A/D轉(zhuǎn)換器用于將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；數(shù)字信號(hào)處理器用于進(jìn)行FFT運(yùn)算，獲得電流數(shù)字信號(hào)的頻譜，利用決策樹分類器實(shí)現(xiàn)電器類型識(shí)別；所述RS?485模塊，用于接收相關(guān)工作指令及上傳識(shí)別出的電器類型。本發(fā)明所提供的電器類型識(shí)別裝置及方法，硬件簡(jiǎn)單，采用決策樹分類器根據(jù)頻譜特性幅值最大的多個(gè)頻率點(diǎn)所處的位置以及相互之間的大小關(guān)系對(duì)電器類型進(jìn)行識(shí)別，方法簡(jiǎn)單、可靠。
【專利說明】
一種基于數(shù)字信號(hào)處理的電器類型識(shí)別的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種識(shí)別識(shí)別及分類裝置，尤其是涉及一種基于數(shù)字信號(hào)處理的電器類型識(shí)別裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]從目前的電器類型識(shí)別方法來看，使用小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法進(jìn)行電器類型識(shí)別是主流。這些方式雖然能夠在理論上實(shí)現(xiàn)電器類別，而且通過計(jì)算機(jī)仿真識(shí)別過程，能夠得到一個(gè)較為理想的效果。但是小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等這些復(fù)雜的算法，在單片機(jī)、DSP等器件上較難實(shí)現(xiàn)。特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，該種算法具備學(xué)習(xí)能力，模糊識(shí)別能力很強(qiáng)，但是，它的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)也是它的缺點(diǎn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法要求神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)必須經(jīng)過訓(xùn)練，訓(xùn)練樣本越多，工作效果越好，沒有經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，不具備任何識(shí)別的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于，針對(duì)現(xiàn)在已有技術(shù)的缺陷，提供一種硬件連接簡(jiǎn)單、算法實(shí)現(xiàn)容易的基于數(shù)字信號(hào)處理的電器類型識(shí)別裝置及方法。所述裝置包括依次連接的電流傳感器、前置放大器、低通濾波器、程控放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器和RS-485通信模塊。其中，
[0004]所述電流傳感器，用于將電器負(fù)載的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；
[0005]所述前置放大器，用于將電壓信號(hào)進(jìn)行前期放大，便于進(jìn)行濾波處理；
[0006]所述低通濾波器，用于將去除頻率高于5kHz的信號(hào)，避免出現(xiàn)頻譜混疊；
[0007]所述程控放大器，用于將幅值較小信號(hào)放大、幅值較大信號(hào)衰減，始終保持信號(hào)幅值在合理區(qū)間內(nèi)；
[0008]所述A/D轉(zhuǎn)換器，用于將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；
[0009]所述數(shù)字信號(hào)處理器，用于對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)電器類型識(shí)別;數(shù)字信號(hào)處理器優(yōu)選DSP;
[0010]所述RS-485模塊，用于接收相關(guān)工作指令及上傳識(shí)別出的電器類型。
[0011]所述基于數(shù)字信號(hào)處理的電器類型識(shí)別方法，由所述裝置來實(shí)現(xiàn)，包括以下步驟:
[0012]步驟一、獲取電器負(fù)載的電流信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電流數(shù)字信號(hào)；
[0013]步驟二、對(duì)電流數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到電流數(shù)字信號(hào)頻譜特性；
[0014]步驟三、根據(jù)電流數(shù)字信號(hào)頻譜特性判斷電器類型。
[0015]所述根據(jù)電流數(shù)字信號(hào)頻譜特性判斷電器類型的方法是，采用決策樹分類器來判斷電器類型。選擇電流數(shù)字信號(hào)頻譜特性2次及2次以上諧波中幅值最大的N個(gè)頻率點(diǎn)，將所述N個(gè)頻率點(diǎn)的頻率及其相對(duì)諧波幅值作為決策樹分類器的輸入特征;所述相對(duì)諧波幅值為諧波幅值與基波幅值之間的比值;所述N大于等于3。優(yōu)選N等于5。
[0016]所述決策樹分類器的決策依據(jù)是所述N個(gè)頻率點(diǎn)的頻率及其相對(duì)諧波幅值的大小以及相對(duì)諧波幅值相互之間的大小關(guān)系。進(jìn)一步地，所述決策樹分類器的輸入特征向量中還包括電器負(fù)載電流值;所述決策樹分類器的決策依據(jù)是所述決策樹分類器的決策依據(jù)是所述N個(gè)頻率點(diǎn)的頻率及其相對(duì)諧波幅值的大小以及相對(duì)諧波幅值相互之間的大小關(guān)系、電器負(fù)載電流值的大小。
[0017]所述選擇電流數(shù)字信號(hào)頻譜特性2次及2次以上諧波中幅值最大的N個(gè)頻率點(diǎn)，方法是從電流數(shù)字信號(hào)頻譜特性中幅值最大的2次及2次以上諧波頻率點(diǎn)開始，依次選擇，直至選擇得到所有幅值最大的N個(gè)頻率點(diǎn)。進(jìn)一步地，所述N個(gè)頻率點(diǎn)各不相鄰，此時(shí)具體尋找至IJ5個(gè)特征頻率點(diǎn)的頻率及其相對(duì)諧波幅值的方法是:
[0018]①選擇2次及2次以上諧波中幅值最大的頻率點(diǎn)并確定為I個(gè)特征頻率點(diǎn)；
[0019]②將特征頻率點(diǎn)及其前后的各I個(gè)頻率點(diǎn)排除，選擇剩下頻率點(diǎn)中幅值最大的頻率點(diǎn)為新的I個(gè)特征頻率點(diǎn)；
[0020]③重復(fù)步驟②，直到確定全部N個(gè)特征頻率點(diǎn)；
[0021]④分別計(jì)算N個(gè)特征頻率點(diǎn)諧波幅值與基波幅值之間的比值作為N個(gè)特征頻率點(diǎn)的相對(duì)諧波幅值;將N個(gè)特征頻率點(diǎn)的頻率及其相對(duì)諧波幅值作為決策樹分類器的輸入特征。
[0022]本發(fā)明的有益效果是:決策樹分類器簡(jiǎn)單易用，特別是使用快速傅里葉變換方法得到電流數(shù)字信號(hào)頻譜特性后，根據(jù)幅值最大的多個(gè)頻率點(diǎn)所處的位置以及相互之間的大小關(guān)系對(duì)電器類型進(jìn)行識(shí)別，方法簡(jiǎn)單、可靠。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的電器類型識(shí)別裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的電器類型識(shí)別方法的總體流程圖；
[0025]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的FFT分析模塊程序流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0027]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的電器類型識(shí)別裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，包括依次連接的電流傳感器11、前置放大器12、低通濾波器13、程控放大器14、A/D轉(zhuǎn)換器15、數(shù)字信號(hào)處理器16和RS-485通信模塊17。其中，電流傳感器11用于將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào);起抗混疊作用的低通濾波器13的輸入信號(hào)為進(jìn)行了前級(jí)放大的前置放大器12的輸出信號(hào);為了使電壓信號(hào)范圍在A/D轉(zhuǎn)換器可以承受，并且保證轉(zhuǎn)換精度的范圍，在系統(tǒng)中添加程控放大器14;A/D轉(zhuǎn)換器將模擬的電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)化為采樣頻率為1kHz的數(shù)字信號(hào);數(shù)字信號(hào)處理器16將對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算，計(jì)算其頻譜并進(jìn)行電器類型的識(shí)別。識(shí)別出電器類型后，通過RS-485模塊17將相關(guān)信息發(fā)送給主機(jī)。
[0028]RS-485模塊17除了可以用來將識(shí)別信息發(fā)送給主機(jī)以外，還可以通過該模塊設(shè)置必要參數(shù)，以提高在不同場(chǎng)合中系統(tǒng)對(duì)不同電器的識(shí)別準(zhǔn)確性。
[0029]以下給出一種穩(wěn)定性更好的實(shí)施例。涉及到高電壓的系統(tǒng)中，希望能夠?qū)⒏唠妷号c低電壓部分隔離開，以排除相互之間的干擾。在本系統(tǒng)中，可以采用使用隔離A/D轉(zhuǎn)換器的方式，將高電壓與低電壓隔離。同樣，也可以采用12位的串行A/D轉(zhuǎn)換器，再使用光電耦合器作為A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)字信號(hào)處理器的連接器件。同樣可以實(shí)現(xiàn)高電壓與低電壓的隔離，從而提尚系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。
[0030]結(jié)合以上電器類型識(shí)別系統(tǒng)，本發(fā)明還提供了一種電器類型識(shí)別的方法，其總體流程圖如圖2所示。下面結(jié)合圖2對(duì)該方法做具體分析。
[0031]P13，為了使裝置在不同場(chǎng)合使用，設(shè)置了兩種不同的模式，自主模式與查詢模式。在自主模式中，裝置將不斷進(jìn)行采樣，識(shí)別電器類型的工作;完成一次識(shí)別后，即將識(shí)別結(jié)果發(fā)送出去。在查詢模式時(shí)，只有在接收到識(shí)別指令時(shí)，才會(huì)進(jìn)行識(shí)別，完成識(shí)別后，將識(shí)別結(jié)果發(fā)送給發(fā)出查詢指令的主機(jī)。
[0032]P14，采集數(shù)據(jù)時(shí)，為了能夠區(qū)分50Hz工頻頻率分量和直流分量，采樣頻率和FFT運(yùn)算的點(diǎn)數(shù)必須滿足一個(gè)對(duì)應(yīng)的關(guān)系。在本實(shí)施例中，采用1024點(diǎn)FFT，采樣頻率選擇在1kHz0
[0033]P17，F(xiàn)FT計(jì)算完成后的結(jié)果是復(fù)數(shù)值，而需要分析頻率與幅值的關(guān)系時(shí)，需要將這一組復(fù)數(shù)值按照求幅值譜的方式，將復(fù)數(shù)值轉(zhuǎn)變成頻譜，以方便對(duì)頻率與幅值的關(guān)系進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)電器類型識(shí)別的功能。
[0034]本發(fā)明實(shí)施例采用決策樹分類器來判斷電器類型。實(shí)施例中，選擇電流數(shù)字信號(hào)頻譜特性中除基波外，即2次及2次以上諧波中幅值最大的5條頻譜所在頻率點(diǎn)的頻率與幅值作為決策樹分類器的輸入特征向量，決策樹分類器的決策依據(jù)是該5個(gè)頻率點(diǎn)的頻率及其相對(duì)諧波幅值的大小以及相對(duì)諧波幅值之間的大小關(guān)系。以及他們相互之間的幅值大小關(guān)系。頻譜特性分析是本算法中最重要的一部分，在此，結(jié)合圖3說明一種分析頻譜的方法。
[0035]P22，此處是為了尋找到5條頻譜所在的頻率點(diǎn)。如果直接按照幅值大小進(jìn)行排序，那么得到的不一定涵蓋了必要的頻率點(diǎn)信息。因?yàn)橐粋€(gè)幅值峰值點(diǎn)，其附近2?4個(gè)點(diǎn)的幅值也很高。因此，此處采取了一種策略:當(dāng)已經(jīng)選擇到了最大值點(diǎn)時(shí)，其附近2?4個(gè)點(diǎn)，不作為納入幅值排序;或者說，電流數(shù)字信號(hào)頻譜特性中幅值最大的5個(gè)頻率點(diǎn)各不相鄰。具體尋找到5個(gè)特征頻率點(diǎn)的頻率及其相對(duì)諧波幅值的方法是:
[0036]①選擇2次及2次以上諧波中幅值最大的頻率點(diǎn)并確定為I個(gè)特征頻率點(diǎn)；
[0037]②將特征頻率點(diǎn)及其前后的各I個(gè)頻率點(diǎn)排除，選擇剩下頻率點(diǎn)中幅值最大的頻率點(diǎn)為新的I個(gè)特征頻率點(diǎn)；
[0038]③重復(fù)步驟②，直到確定全部5個(gè)特征頻率點(diǎn)；
[0039]④分別計(jì)算5個(gè)特征頻率點(diǎn)諧波幅值與基波幅值之間的比值作為5個(gè)特征頻率點(diǎn)的相對(duì)諧波幅值;將5個(gè)特征頻率點(diǎn)的頻率及其相對(duì)諧波幅值作為決策樹分類器的輸入特征。
[0040]P23，不同的用電器將會(huì)有不同的頻譜特性。電阻性負(fù)載頻譜主要集中在50Hz;電感性負(fù)載缺乏高頻分量;使用開關(guān)電源供電的負(fù)載，頻譜含量最為豐富。將前述5條頻譜所在頻率點(diǎn)的頻率與幅值作為決策樹分類器的輸入特征向量，決策判斷依據(jù)是該5個(gè)頻率點(diǎn)的頻率以及他們相互之間的幅值大小關(guān)系。
[0041]部分電器設(shè)備可能頻譜特性相同，但屬于完全不同的電器類型。例如，白熾臺(tái)燈和電阻爐都是電阻性負(fù)載，其頻譜特性相同。為對(duì)該類情況加以區(qū)分，將電器負(fù)載電流值也加入決策樹分類器的輸入特征向量，決策樹分類器的決策依據(jù)還包括電器負(fù)載電流值的大小，以提尚識(shí)別的準(zhǔn)確性。
[0042]本發(fā)明通過采用DSP作為算法處理器，充分發(fā)揮了DSP強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力。利用FFT頻譜分析作為解決提取不同用電器類型特征值的方法，簡(jiǎn)單可行。具備一定的識(shí)別電器類型的能力。
[0043]應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或改變，而所有這些改進(jìn)和改變都應(yīng)該屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于數(shù)字信號(hào)處理的電器類型識(shí)別裝置，其特征在于，包括依次連接的電流傳感器、前置放大器、低通濾波器、程控放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器和RS-485通信模塊。其中， 所述電流傳感器，用于將電器負(fù)載的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)； 所述前置放大器，用于將電壓信號(hào)進(jìn)行前期放大，便于進(jìn)行濾波處理； 所述低通濾波器，用于將去除頻率高于5kHz的信號(hào)，避免出現(xiàn)頻譜混疊； 所述程控放大器，用于將幅值較小信號(hào)放大、幅值較大信號(hào)衰減，始終保持信號(hào)幅值在合理區(qū)間內(nèi)； 所述A/D轉(zhuǎn)換器，用于將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)； 所述數(shù)字信號(hào)處理器，用于對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)電器類型識(shí)別； 所述RS-485模塊，用于接收相關(guān)工作指令及上傳識(shí)別出的電器類型。2.如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)字信號(hào)處理的電器類型識(shí)別裝置，其特征在于，所述數(shù)字信號(hào)處理器為DSP。3.—種基于數(shù)字信號(hào)處理的電器類型識(shí)別方法，由權(quán)利要求1 一 2中任一項(xiàng)所述的裝置來實(shí)現(xiàn)，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一、獲取電器負(fù)載的電流信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電流數(shù)字信號(hào)； 步驟二、對(duì)電流數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到電流數(shù)字信號(hào)頻譜特性； 步驟三、根據(jù)電流數(shù)字信號(hào)頻譜特性判斷電器類型。4.如權(quán)利要求3所述的基于數(shù)字信號(hào)處理的電器類型識(shí)別方法，其特征在于，所述根據(jù)電流數(shù)字信號(hào)頻譜特性判斷電器類型的方法是，采用決策樹分類器來判斷電器類型。5.如權(quán)利要求4所述的基于數(shù)字信號(hào)處理的電器類型識(shí)別方法，其特征在于，選擇電流數(shù)字信號(hào)頻譜特性2次及2次以上諧波中幅值最大的N個(gè)頻率點(diǎn)，將所述N個(gè)頻率點(diǎn)的頻率及其相對(duì)諧波幅值作為決策樹分類器的輸入特征;所述相對(duì)諧波幅值為諧波幅值與基波幅值之間的比值;所述N大于等于3。6.如權(quán)利要求5所述的基于數(shù)字信號(hào)處理的電器類型識(shí)別方法，其特征在于，所述決策樹分類器的決策依據(jù)是所述N個(gè)頻率點(diǎn)的頻率及其相對(duì)諧波幅值的大小以及相對(duì)諧波幅值相互之間的大小關(guān)系。7.如權(quán)利要求5所述的基于數(shù)字信號(hào)處理的電器類型識(shí)別方法，其特征在于，所述N等于5。8.如權(quán)利要求5所述的基于數(shù)字信號(hào)處理的電器類型識(shí)別方法，其特征在于，所述選擇電流數(shù)字信號(hào)頻譜特性2次及2次以上諧波中幅值最大的N個(gè)頻率點(diǎn)，方法是從電流數(shù)字信號(hào)頻譜特性中幅值最大的2次及2次以上諧波頻率點(diǎn)開始，依次選擇，直至選擇得到所有幅值最大的N個(gè)頻率點(diǎn)。9.如權(quán)利要求8所述的基于數(shù)字信號(hào)處理的電器類型識(shí)別方法，其特征在于，所述選擇電流數(shù)字信號(hào)頻譜特性中幅值最大的N個(gè)頻率點(diǎn)，方法是N個(gè)頻率點(diǎn)各不相鄰。10.如權(quán)利要求6所述的基于數(shù)字信號(hào)處理的電器類型識(shí)別方法，其特征在于，所述決策樹分類器的輸入特征向量還包括電器負(fù)載電流值;所述決策樹分類器的決策依據(jù)還包括電器負(fù)載電流值的大小。
【文檔編號(hào)】G01R31/00GK105891635SQ201610217607
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日
【發(fā)明人】肖伸平, 殷理杰, 凌云, 曾紅兵
【申請(qǐng)人】湖南工業(yè)大學(xué)