本發(fā)明涉及電量計量領域，并且更具體地，涉及一種非侵入式家用電器分類裝置及方法。

背景技術：

智能電網(wǎng)強調(diào)電網(wǎng)與用戶雙方的互動并為用戶提供更好的用電管理和用電服務。這需要電網(wǎng)與用戶之間有著良好、全面的信息互動機制：一方面，用戶需要提前了解電網(wǎng)的供電情況，如實時電價、激勵政策、斷電信息等來調(diào)整自己的用電行為；另一方面，電網(wǎng)或第三方能源服務企業(yè)需要了解用戶的詳細用電信息及用電習慣，而用戶也要了解自身量化的用電信息，雙方互相協(xié)調(diào)，共同實現(xiàn)需求側管理，既可增加電網(wǎng)的經(jīng)濟性和穩(wěn)定性、削峰填谷，又可為用戶節(jié)約能源和電費。

因此，作為智能電網(wǎng)的終端核心設備一智能電表需要比傳統(tǒng)電表具有更強大的功能，可以實現(xiàn)更加可靠、精確的電能量管理。區(qū)別于傳統(tǒng)計量方式，智能電表在微控制單元(MCU)的支持下不但能實現(xiàn)分時計量，還可以按耗電的負荷種類分別計量電費和電能使用情況。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種一種非侵入式家用電器分類裝置，包括：

電流傳感器，用于檢測家庭用電中電流的模擬信號輸出至A/D轉換器；

電壓傳感器，用于檢測家庭用電中電壓的模擬信號輸出至A/D轉換器；

A/D轉換器，用于將所述電流的模擬信號和電壓的模擬信號轉換為電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號輸出至ARM嵌入式處理系統(tǒng)；

ARM嵌入式處理系統(tǒng)，用于對所述電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號進行處理，得到電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號的信號特征，并輸出至識別模塊；

識別模塊，根據(jù)所述電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號的信號特征，對家用電器進行分類識別；以及

數(shù)據(jù)庫，用于存儲識別模塊的分類結果。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，提出了一種非侵入式家用電器分類裝置，包括：

電流傳感器，用于檢測家庭用電中電流的模擬信號輸出至低通濾波器；

電壓傳感器，用于檢測家庭用電中電壓的模擬信號輸出至低通濾波器；

低通濾波器，用于對所述電流模擬信號和電壓模擬信號進行濾波處理，以除去電流模擬信號和電壓模擬信號中的高頻噪聲；

A/D轉換器，用于將所述電流的模擬信號和電壓的模擬信號轉換為電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號輸出至ARM嵌入式處理系統(tǒng)；

存儲模塊，用于對所述電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號進行暫存，以便于ARM嵌入式處理系統(tǒng)進行處理；

ARM嵌入式處理系統(tǒng)，用于對所述電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號進行處理，得到電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號的信號特征，并輸出至識別模塊；

通信模塊，將ARM嵌入式處理系統(tǒng)處理得到的信號特征通過無線傳輸至識別模塊；

識別模塊，根據(jù)所述電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號的信號特征，對家用電器進行分類識別；以及

數(shù)據(jù)庫，用于存儲識別模塊的分類結果。

優(yōu)選地，所述電流傳感器串連在用戶家庭用電的火線上。

優(yōu)選地，所述電壓傳感器并聯(lián)在用戶家庭用電的總線上。

優(yōu)選地，所述A/D轉換器的采樣率為7kHz

優(yōu)選地，所述電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號的信號特征包括：電流最大值、電流平均值、電流均方根、暫態(tài)周期、暫態(tài)能量、峰值因數(shù)、波形系數(shù)、峰-峰值以及諧波含有率。

優(yōu)選地，所述識別模塊對家用電器的分類為：

步驟1，利用電流最大值、電流平均值以及電流均方根等特征參數(shù)，采用K近鄰算法對電器進行分類識別，從而識別出具有電阻特性的電器，并將識別出的具有電阻特性的電器作為阻性電器類型進行存儲；

步驟2，對步驟1中未正確分類識別的電器，利用暫態(tài)周期、暫態(tài)能量、峰值因數(shù)、波形系數(shù)以及峰-峰值等特征參數(shù)，采用支持向量機算法進行分類識別，從而識別出具有電感特性的電器，并將識別具有電感特性的電器作為感性電器類型進行存儲；

步驟3，對步驟2中未正確分類識別的電器，采用波形匹配的方法進行分類識別，將采集到的電流波形與數(shù)據(jù)庫中已有電器的電流波形進行分別進行相關性分析，得到相關性系數(shù)，并將最大相關性系數(shù)對應的已有電器的電器類型作為分類結果進行存儲。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出一種非侵入式家用電器分類方法，包括：

采集用戶家庭用電的電流模擬信號和電壓模擬信號；

將所述電流模擬信號和電壓模擬信號轉換為電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號；

對所述電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號進行處理，得到電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號的信號特征；

根據(jù)所述電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號的信號特征，對家用電器進行分類。

優(yōu)選地，所述電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號的信號特征包括：電流最大值、電流平均值、電流均方根、暫態(tài)周期、暫態(tài)能量、峰值因數(shù)、波形系數(shù)、峰-峰值以及諧波含有率。

優(yōu)選地，所述對家用電器的分類為：

步驟1，利用電流最大值、電流平均值以及電流均方根等特征參數(shù)，采用K近鄰算法對電器進行分類識別，從而識別出具有電阻特性的電器，并將識別出的具有電阻特性的電器作為阻性電器類型進行存儲；

步驟2，對步驟1中未正確分類識別的電器，利用暫態(tài)周期、暫態(tài)能量、峰值因數(shù)、波形系數(shù)以及峰-峰值等特征參數(shù)，采用支持向量機算法進行分類識別，從而識別出具有電感特性的電器，并將識別具有電感特性的電器作為感性電器類型進行存儲；

步驟3，對步驟2中未正確分類識別的電器，采用波形匹配的方法進行分類識別，將采集到的電流波形與數(shù)據(jù)庫中已有電器的電流波形進行分別進行相關性分析，得到相關性系數(shù)，并將最大相關性系數(shù)對應的已有電器的電器類型作為分類結果進行存儲。

本發(fā)明設計實現(xiàn)了一種非侵入式家用電器分類裝置，通過連接在用戶家庭用電上的電流傳感器和電壓傳感器，測量電流信號和電壓信號，并計算出電流信號和電壓信號的信號特征，最后通過信號特征分類識別出電流信號中各類型的家用電器進行保存。本發(fā)明通過建立簡單、快速的識別算法實現(xiàn)了識別家庭用電的耗電負荷種類，為下一步實現(xiàn)按耗電的負荷種類分別計量電費和電能使用情況打下基礎。

附圖說明

通過參考下面的附圖，可以更為完整地理解本發(fā)明的示例性實施方式：

圖1為根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實施方式的非侵入式家用電器分類裝置的結構圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明又一優(yōu)選實施方式的非侵入式家用電器分類裝置的結構圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的非侵入式家用電器分類方法的流程圖；以及

圖4為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的家用電器的分類方法的流程圖。

具體實施方式

現(xiàn)在參考附圖介紹本發(fā)明的示例性實施方式，然而，本發(fā)明可以用許多不同的形式來實施，并且不局限于此處描述的實施例，提供這些實施例是為了詳盡地且完全地公開本發(fā)明，并且向所屬技術領域的技術人員充分傳達本發(fā)明的范圍。對于表示在附圖中的示例性實施方式中的術語并不是對本發(fā)明的限定。在附圖中，相同的單元/元件使用相同的附圖標記。

除非另有說明，此處使用的術語(包括科技術語)對所屬技術領域的技術人員具有通常的理解含義。另外，可以理解的是，以通常使用的詞典限定的術語，應當被理解為與其相關領域的語境具有一致的含義，而不應該被理解為理想化的或過于正式的意義。

圖1為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的非侵入式家用電器分類裝置的結構圖。如圖1所示，本發(fā)明優(yōu)選實施方式的非侵入式家用電器分類裝置100通過連接在用戶家庭用電上的電流傳感器和電壓傳感器，測量電流信號和電壓信號，并計算出電流信號和電壓信號的信號特征，最后通過信號特征分類識別出電流信號中各類型的家用電器進行保存。裝置100包括電流傳感器101、電壓傳感器102、A/D轉換器103、ARM嵌入式處理系統(tǒng)104、識別模塊105以及數(shù)據(jù)庫106。

優(yōu)選地，電流傳感器101串聯(lián)在用戶家庭用電的火線上，用于檢測家庭用電中電流的模擬信號，并輸出至A/D轉換器103。電流傳感器101利用霍爾效應，檢測火線上通過的電流，并產(chǎn)生對應的模擬信號。優(yōu)選地，所述電流傳感器101可以使用但不僅限于ACS756電流傳感器，所有能達到相同效果的電流傳感器均可以作為本發(fā)明中電流傳感器使用。

優(yōu)選地，電壓傳感器102并聯(lián)在用戶家庭用電的總線上，用于檢測家庭用電中電壓的模擬信號，并輸出至A/D轉換器103。電壓傳感器102利用霍爾效應，檢測總線的電壓，并產(chǎn)生對應的模擬信號。優(yōu)選地，所述電壓傳感器102可以使用但不僅限于CHV-25P/400電流傳感器，所有能達到相同效果的電壓傳感器均可以作為本發(fā)明中電壓傳感器使用。

優(yōu)選地，A/D轉換器103接收電流傳感器101和電壓傳感器102輸出的電流模擬信號和電壓模擬信號，并將所述電流模擬信號和電壓模擬信號轉換為電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號。優(yōu)選地，A/D轉換器103的采樣率為每秒7000個數(shù)值，即7kHz。優(yōu)選地，所述A/D轉換器204可以為AD125624位轉換器，在保證采樣率的前提下提高采樣精度，但應當了解的是，本發(fā)明中使用的A/D轉換器并不僅限于AD1256 24位轉換器，一切可以達到相同效果的A/D轉換器均可以在本發(fā)明中使用。

優(yōu)選地，ARM嵌入式處理系統(tǒng)104用于對電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號進行處理，得到電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號的信號特征，并將信號特征輸出至識別模塊105。優(yōu)選地，電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號的信號特征包括電流最大值、電流平均值、電流均方根、暫態(tài)周期、暫態(tài)能量、峰值因數(shù)、波形系數(shù)、峰-峰值以及諧波含有率等特征。應當了解的是，ARM嵌入式處理系統(tǒng)104計算信號特征的方式可以為目前手段可以實現(xiàn)的任何方式。

優(yōu)選地，識別模塊105根據(jù)ARM嵌入式處理系統(tǒng)104處理得到的信號特征，對家用電器的類型進行識別。優(yōu)選地，識別模塊105對家用電器的分類為：

步驟1，利用電流最大值、電流平均值以及電流均方根等特征參數(shù)，采用K近鄰算法對電器進行分類識別，從而識別出具有電阻特性的電器，并將識別出的具有電阻特性的電器作為阻性電器類型進行存儲；

步驟2，對步驟1中未正確分類識別的電器，利用暫態(tài)周期、暫態(tài)能量、峰值因數(shù)、波形系數(shù)以及峰-峰值等特征參數(shù)，采用支持向量機算法進行分類識別，從而識別出具有電感特性的電器，并將識別具有電感特性的電器作為感性電器類型進行存儲；

步驟3，對步驟2中未正確分類識別的電器，采用波形匹配的方法進行分類識別，將采集到的電流波形與數(shù)據(jù)庫中已有電器的電流波形進行分別進行相關性分析，得到相關性系數(shù)，并將最大相關性系數(shù)對應的已有電器的電器類型作為分類結果進行存儲。

優(yōu)選地，數(shù)據(jù)庫106用于存儲識別模塊的分類結果。優(yōu)選地，數(shù)據(jù)庫106可以為oracle數(shù)據(jù)庫、SQL數(shù)據(jù)庫或能實現(xiàn)分類結果存儲的其他數(shù)據(jù)庫。

圖2為為根據(jù)本發(fā)明又一優(yōu)選實施方式的非侵入式家用電器分類裝置的結構圖。如圖2所示，本發(fā)明優(yōu)選實施方式的非侵入式家用電器分類裝置200由電流傳感器201、電壓傳感器202、低通濾波器203、A/D轉換器204、存儲模塊205、ARM嵌入式處理系統(tǒng)206、識別模塊207、通信模塊208以及數(shù)據(jù)庫209組成。

優(yōu)選地，電流傳感器201串聯(lián)在用戶家庭用電的火線上，用于檢測家庭用電中電流的模擬信號，并輸出至低通濾波器203。電流傳感器201利用霍爾效應，檢測火線上通過的電流，并產(chǎn)生對應的模擬信號。優(yōu)選地，所述電流傳感器201可以使用但不僅限于ACS756電流傳感器，所有能達到相同效果的電流傳感器均可以作為本發(fā)明中電流傳感器使用。

優(yōu)選地，電壓傳感器202并聯(lián)在用戶家庭用電的總線上，用于檢測家庭用電中電壓的模擬信號，并輸出至低通濾波器203。電壓傳感器102利用霍爾效應，檢測總線的電壓，并產(chǎn)生對應的模擬信號。優(yōu)選地，所述電壓傳感器202可以使用但不僅限于CHV-25P/400電流傳感器，所有能達到相同效果的電壓傳感器均可以作為本發(fā)明中電壓傳感器使用。

優(yōu)選地，低通濾波器203用于對電流模擬信號和電壓模擬信號進行濾波處理，以除去電流模擬信號和電壓模擬信號中的高頻噪聲。優(yōu)選地，家庭用電的電力線中存在很多噪聲和干擾，在進行模擬信號和數(shù)字信號轉換之前，首先利用低通濾波器對模擬信號進行濾波處理，除去模擬信號中的高頻噪音，使處理后的信號更有利于轉換或處理。應當了解的是，本發(fā)明中的低通濾波器可以為四階巴特沃斯低通濾波器，但不僅限于四階巴特沃斯低通濾波器，所有可以實現(xiàn)相同效果的低通濾波器均可以。

優(yōu)選地，A/D轉換器204接收低通濾波器203過濾后的電流模擬信號和電壓模擬信號，并將所述電流模擬信號和電壓模擬信號轉換為電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號。優(yōu)選地，A/D轉換器204的采樣率為每秒7000個數(shù)值，即7kHz。優(yōu)選地，所述A/D轉換器204可以為AD1256 24位轉換器，在保證采樣率的前提下提高采樣精度，但應當了解的是，本發(fā)明中使用的A/D轉換器并不僅限于AD1256 24位轉換器，一切可以達到相同效果的A/D轉換器均可以在本發(fā)明中使用。

優(yōu)選地，存儲模塊205用于對電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號進行暫存，以便于ARM嵌入式處理系統(tǒng)206進行處理。優(yōu)選地，存儲模塊205可以為讀取速率較高的內(nèi)存設備，以滿足實時對數(shù)字信號進行暫存讀取。

優(yōu)選地，ARM嵌入式處理系統(tǒng)206用于對電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號進行處理，得到電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號的信號特征，并將信號特征輸出至通信模塊207。優(yōu)選地，電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號的信號特征包括電流最大值、電流平均值、電流均方根、暫態(tài)周期、暫態(tài)能量、峰值因數(shù)、波形系數(shù)、峰-峰值以及諧波含有率等特征。應當了解的是，ARM嵌入式處理系統(tǒng)206計算信號特征的方式可以為目前手段可以實現(xiàn)的任何方式。

優(yōu)選地，通信模塊207將ARM嵌入式處理系統(tǒng)206處理得到的信號特征通過無線傳輸至識別模塊208。優(yōu)選地，通信模塊207使用的無線通信技術可以為Zigbee技術、WiFi技術或藍牙技術等達到相同效果的其他無線傳輸技術。

優(yōu)選地，識別模塊208根據(jù)ARM嵌入式處理系統(tǒng)206處理得到的信號特征，對家用電器的類型進行識別。優(yōu)選地，識別模塊208對家用電器的分類為：

步驟1，利用電流最大值、電流平均值以及電流均方根等特征參數(shù)，采用K近鄰算法對電器進行分類識別，從而識別出具有電阻特性的電器，并將識別出的具有電阻特性的電器作為阻性電器類型進行存儲；

步驟2，對步驟1中未正確分類識別的電器，利用暫態(tài)周期、暫態(tài)能量、峰值因數(shù)、波形系數(shù)以及峰-峰值等特征參數(shù)，采用支持向量機算法進行分類識別，從而識別出具有電感特性的電器，并將識別具有電感特性的電器作為感性電器類型進行存儲；

步驟3，對步驟2中未正確分類識別的電器，采用波形匹配的方法進行分類識別，將采集到的電流波形與數(shù)據(jù)庫中已有電器的電流波形進行分別進行相關性分析，得到相關性系數(shù)，并將最大相關性系數(shù)對應的已有電器的電器類型作為分類結果進行存儲。

優(yōu)選地，數(shù)據(jù)庫209用于存儲識別模塊的分類結果。優(yōu)選地，數(shù)據(jù)庫209可以為Oracle數(shù)據(jù)庫、SQL數(shù)據(jù)庫或能實現(xiàn)分類結果存儲的其他數(shù)據(jù)庫。

圖3為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的非侵入式家用電器分類方法的流程圖。如圖3所示，非侵入式家用電器分類方法從步驟301開始。在步驟301中，首先采集用戶家庭用電的電流模擬信號和電壓模擬信號。

在步驟302中，將電流模擬信號和電壓模擬信號轉換為電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號以方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

在步驟303中，對電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號進行處理，得到電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號的信號特征。優(yōu)選地，電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號的信號特征包括：電流最大值、電流平均值、電流均方根、暫態(tài)周期、暫態(tài)能量、峰值因數(shù)、波形系數(shù)、峰-峰值以及諧波含有率。

在步驟304中，根據(jù)電流數(shù)字信號和電壓數(shù)字信號的信號特征，對家用電器進行分類。

本發(fā)明的優(yōu)選實施方式非侵入式家用電器分類方法300與本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方式非侵入式家用電器分類裝置100相對應，在此不再進行贅述。

圖4為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施方式的家用電器的分類方法的流程圖。如圖4所示，家用電器的分類方法400從步驟401開始。在步驟401中，首先利用電流最大值、電流平均值以及電流均方根等特征參數(shù)，采用K近鄰算法對電器進行分類識別，從而識別出具有電阻特性的電器，并將識別出的具有電阻特性的電器作為阻性電器類型進行存儲。應當了解的是，具有電阻特性的電器主要包括電燈、電水壺等家用電器。

在步驟402中，對步驟401中未正確分類識別的電器，利用暫態(tài)周期、暫態(tài)能量、峰值因數(shù)、波形系數(shù)以及峰-峰值等特征參數(shù)，采用支持向量機算法進行分類識別，從而識別出具有電感特性的電器，并將識別具有電感特性的電器作為感性電器類型進行存儲。應當了解的是，具有電感特性的電器主要包括冰箱、空調(diào)等家用電器。

在步驟403中，對步驟402中未正確分類識別的電器，采用波形匹配的方法進行分類識別，將采集到的電流波形與數(shù)據(jù)庫中已有電器的電流波形進行分別進行相關性分析，得到相關性系數(shù)，并將最大相關性系數(shù)對應的已有電器的電器類型作為分類結果進行存儲。

已經(jīng)通過參考少量實施方式描述了本發(fā)明。然而，本領域技術人員所公知的，正如附帶的專利權利要求所限定的，除了本發(fā)明以上公開的其他的實施例等同地落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

通常地，在權利要求中使用的所有術語都根據(jù)他們在技術領域的通常含義被解釋，除非在其中被另外明確地定義。所有的參考“一個/所述/該[裝置、組件等]”都被開放地解釋為所述裝置、組件等中的至少一個實例，除非另外明確地說明。這里公開的任何方法的步驟都沒必要以公開的準確的順序運行，除非明確地說明。