一種基于模式識別的家用電器智能集總檢測系統(tǒng)及其工作方法
【技術領域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種基于模式識別的家用電器智能集總檢測系統(tǒng)及其工作方法，屬于模式識別技術應用的技術領域。
【背景技術】
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[0002]隨著科學技術的迅猛發(fā)展，家用電器的種類和功能越來越多，家用電器正極大地改變著現(xiàn)代人的生活。毫無疑問，家電對家庭生活的重要性越來越高，而技術復雜度也變得越來越高，造成普通消費者對家電的技術原理了解越來越少，由此對不同種類的家用電器運行狀態(tài)的監(jiān)控、分析以及故障診斷預測變得越來越重要。
[0003]現(xiàn)有技術中，市電經過用戶進線開關進入，并連接η個家用電器(DQi?DQn)，主流的家用電器監(jiān)控系統(tǒng)(如圖1所示)通過在每個家用電器都內嵌或外置一個監(jiān)控模塊(PMi? PM n)，監(jiān)控模塊負責對應家用電器的監(jiān)控，并通過物聯(lián)網將對應家用電器的運行狀態(tài)上傳到高級處理單元CM，由CM進行數(shù)據(jù)存儲與進一步數(shù)據(jù)分析。
[0004]這種通過給每一個家用電器配置一個監(jiān)控模塊，并通過物聯(lián)網組成的分布式家電智能監(jiān)控系統(tǒng)可靠性差、結構復雜；目前這種系統(tǒng)中各家電大多無內置監(jiān)控模塊(即使有，通訊協(xié)議也往往互不兼容)，且生產廠家提供的內置監(jiān)控模塊提供的數(shù)據(jù)往往標準、格式不統(tǒng)一，準確性也無法保證，難以讓人信服；如果統(tǒng)一外置監(jiān)控模塊會顯著增加系統(tǒng)成本，尤其在每個低成本、低功耗的小家用電器上配置一個監(jiān)控模塊，顯然也是不現(xiàn)實和不科學的。
[0005]對分布式家電智能監(jiān)控系統(tǒng)更詳細論述見碩士論文《智能家居控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)》(唐榮霞山東大學2009)。
[0006]模式識別(英語:Pattern Recognit1n)，是通過計算機用數(shù)學技術方法來研究模式的自動處理和判讀。我們把環(huán)境與客體統(tǒng)稱為“模式”。模式識別是人類的一項基本智能，在日常生活中，人們經常在進行“模式識別”。隨著計算機的出現(xiàn)以及人工智能的興起，人們當然也希望能用計算機來代替或擴展人類的部分腦力勞動。(計算機)模式識別在20世紀60年代初迅速發(fā)展并成為一門新學科。模式識別是指對表征事物或現(xiàn)象的各種形式的(數(shù)值的、文字的和邏輯關系的)信息進行處理和分析，以對事物或現(xiàn)象進行描述、辨認、分類和解釋的過程，是信息科學和人工智能的重要組成部分。
[0007]邊沿檢測和時域分析技術是數(shù)字信號處理技術的重要分支。
[0008]時域分析是指控制系統(tǒng)在一定的輸入下，根據(jù)輸出量的時域表達式，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。由于時域分析是直接在時間域中對系統(tǒng)進行分析的方法，所以時域分析具有直觀和準確的優(yōu)點。
[0009]測試信號的頻域分析是把信號的幅值、相位或能量變換以頻率坐標軸表示，進而分析其頻率特性的一種分析方法，又稱為頻譜分析。對信號進行頻譜分析可以獲得更多有用信息，如求得動態(tài)信號中的各個頻率成分和頻率分布范圍，求出各個頻率成分的幅值分布和能量分布，從而得到主要幅度和能量分布的頻率值。
[0010]中國專利CN100495918公開了一種同步信號檢測裝置，該裝置根據(jù)從所述脈沖信號檢測單元所輸出的信號選擇性輸出所述邊沿檢測單元產生的脈沖信號或所述時鐘發(fā)生器產生的內部時鐘信號。

【發(fā)明內容】

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[0011]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種基于模式識別的家用電器智能集總檢測系統(tǒng)。
[0012]本發(fā)明還提供一種上述家用電器智能集總檢測系統(tǒng)的工作方法。
[0013]發(fā)明概述:
[0014]本發(fā)明所述基于模式識別的家用電器智能集總檢測系統(tǒng)通過對家庭用戶進線電壓/電流進行采樣、計算和分析，實現(xiàn)對不同種類家用電器集總智能識別、運行狀態(tài)分析及故障診斷與預測。該系統(tǒng)通過對進戶線電流和電壓進行采樣，并通過計算采樣信號的有效值、有功/無功功率、功率因數(shù)、諧波等電量信息，以及電器啟動、停止等事件信息，然后采用模式識別算法智能識別用戶在用電器的類別/型號、數(shù)量、功率、及運行狀態(tài)、運行規(guī)律等參數(shù)，并預估設備存在的潛在風險與故障。
[0015]本發(fā)明的技術方案如下:
[0016]一種基于模式識別的家用電器智能集總檢測系統(tǒng)，包括交流電壓互感器VT、交流電流互感器CT、初級處理單元PM和高級處理單元CM ;所述交流電壓互感器VT的初級線圈的兩端分別與進戶零線N和進戶火線L連接；所述交流電流互感器CT的初級線圈與進戶零線N或進戶火線L串聯(lián)；所述交流電壓互感器VT的次級線圈與交流電流互感器CT的次級線圈作為初級處理單元PM的輸入端；所述初級處理單元PM通過物聯(lián)網與高級處理單元CM連接。所述初級處理單元PM實時獲取在用電器的電量信息；并采用邊沿檢測技術和時域分析技術獲取在用電器的時序信息；同時采用頻譜分析技術獲取不同家用電器(例如，整流類電器、電機類電器和電加熱類電器)因其工作原理、結構和材料差異形成的獨有的特征頻譜。(頻譜分析技術frequency spectrum analysis, technology of是在頻率域內揭不及分析信號和(或)系統(tǒng)特性的一種技術方法)
[0017]所述電量信息包括，進戶電壓、電流的有效值、有功/無功功率、功率因數(shù)及諧波等；所述時序信息包括，啟/停時刻、啟/停時長和啟/停電流等信息。
[0018]優(yōu)選的，所述初級處理單元PM包括數(shù)字信號處理芯片(DSP)。數(shù)字信號處理芯片對進戶電壓/電流的采樣值進行計算處理，獲取在用家用電器的電量信息、時序信息以及其特征頻譜，然后采用模式識別算法智能識別在用電器的類別、型號、數(shù)量及運行狀態(tài)、運行規(guī)律等信息。在現(xiàn)有技術中，針對不同類別、型號、數(shù)量及運行狀態(tài)、運行規(guī)律的電器對應的電量信息、時序信息及特征頻譜建立數(shù)據(jù)庫，以使得本領域技術人員在獲得“電量信息、時序信息及特征頻譜”時即可通過模式識別算法獲得對應的在用電器的類別、型號、數(shù)量及運行狀態(tài)、運行規(guī)律等信息。
[0019]優(yōu)選的，所述高級處理單元CM包括存儲單元，所述存儲單元對初級處理單元PM上傳的數(shù)據(jù)進行分類存儲。高級處理單元CM根據(jù)存儲的長期歷史數(shù)據(jù)，對不同家用電器的在更長周期尺度下進行數(shù)據(jù)分析處理，更進一步挖掘出用戶不同家用電器長期運行規(guī)律、運行狀態(tài)(如某家用電器的使用頻率/效率/負載率的長周期變化規(guī)律)，進而推斷出家電的“健康”狀況，以及潛在運行風險與故障等深層信息；并進一步統(tǒng)計出來自不同生產廠家，同種類家用電器之間的性能差異。在現(xiàn)有技術中，針對來自初級處理單元PM上傳的數(shù)據(jù)進行存儲并建立另一個數(shù)據(jù)庫，以使得本領域技術人員在獲得“一定時長內的電量信息、時序信息及特征頻譜”后即可通過模式識別算法估計出對應的在用電器的“健康”狀況、潛在運行風險與故障等深層信息；并進一步統(tǒng)計出來自不同生產廠家，同種類家用電器之間的性能差異。
[0020]進一步優(yōu)選的，所述高級處理單元CM為電腦、工作站或服務器。
[0021]優(yōu)選的，所述交流電流互感器CT為寬頻線性互感器。寬頻線性互感器能在幾十赫茲到幾百千赫茲的頻率范圍內低失真地變送電流信號。
[0022]一種上述基于模式識別的家用電器智能集總檢測系統(tǒng)的工作方法，包括步驟如下，
[0023]1)電壓互感器VT、交流電流互感器CT對進戶電壓和進戶電流進行隔離和比例變換；
[0024]2)初級處理單元PM對經隔離和比例變換后的進戶電壓和進戶電流進行采樣，并對采樣值進行計算處理，獲取不同在用家用電器的數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)包括電量信息、時序信息及特征頻譜；并進一步獲得在用家用電器的類別、型號、數(shù)量、運行狀態(tài)和運行規(guī)律信息；
[0025]3)初級處理單元PM定期通過物聯(lián)網將數(shù)據(jù)傳遞給高級處理單元CM ；
[0026]4)高級處理單元CM對數(shù)據(jù)進行分類存儲和進一步處理；通過統(tǒng)計各個家用電器的使用頻率、工作效率和負載率，估計各個家用電器潛在的運行風險和潛在的故障信息。
[0027]優(yōu)選的，所述步驟2)中獲取不同在用家用電器的時序信息及特征頻譜的具體方法為，采用邊沿檢測技術和時域分析技術獲取在用電器的時序信息；采用頻譜分析技術獲取不同家用電器的特征頻譜；估計在用家用電器的類別、型號、數(shù)量、運行狀態(tài)和運行規(guī)律信息的具體方法為模式識別算法。
[0028]優(yōu)選的，所述步驟4)中高級處理單元CM對數(shù)據(jù)進行進一步處理的過程還包括，對比不同生產廠家，同種類家用電器之間的使用頻率、工作效率和負載率數(shù)據(jù)，得到不同生產廠家，同種類家用電器之間的性能差異。
[0029]優(yōu)選的，所述步驟4)中高級處理單元CM對數(shù)據(jù)進行分類存儲的具體方法為，將家用電器的電量信息、時序信息以及特征頻譜分別進行存儲。
[0030]本發(fā)明的優(yōu)勢在于:
[0031]1.本發(fā)明所述基于模式識別的家用電器智能檢測系統(tǒng)是一種智能集總檢測系統(tǒng)，即只通過對進戶線處的電壓、電流進行采樣，無需對每一個家用電器的電壓、電流進行采樣；從而降低了系統(tǒng)硬件成本，簡化了物聯(lián)網拓撲結構，提高了采樣數(shù)據(jù)的客觀性；
[0032]2.本發(fā)明所述基于模式識別的家用電器智能集總檢測系統(tǒng)，所述初級處理單元PM利用模式識別算法對用戶進線電壓/電流的電量信息、時域信息、特征頻譜信息進行分析處理，進一步獲取在用電器的類別、型號、數(shù)量及運行狀態(tài)、運行規(guī)律等信息；
[0033]3.本發(fā)明所述基于模式識別的家用電器智能集總檢測系統(tǒng)，通過高級處理單元CM對家用電器的長周期運行數(shù)據(jù)進