摘要：由于用电器种类和数量的急剧增加，人们在使用时往往会轻视用电的安全性，带来较大的安全隐患，为了解决这一问题，设计了一种用电器监测装置，使用E SP32-S3作为主控单元，CS5463作为用电器电能参数的采集芯片。ZMPT107-1电压互感器、ZHTM104F电流互感器和外围采样电路将大电压和大电流处理成小电流和小电压，处理后小电流和小电压再传送到CS5463,在CS5463中经过增益放大器进行放大、调制器进行采样、数字滤波器进行滤波、功率计算引擎计算，最后将处理完成的电能参数通过串行口发送到ESP32-S3中，ESP32-S3对电能参数再进行读取和存储，最后通过天线发射器或者串口转以太网模块将处理完成的电能参数发送给服务器。系统测试时，使用D H18615可调电源来模拟市电，DH28603可调负载来模拟各种类型的负载，CA8230电能质量分析来校正和检验电路板测量的电能参数。校正完成后检验电能参数测量准确度，结果表明电压、电流、功率3个参数的误差值在±2%以内，功率因数的误差值在±3%以内，并且系统能够稳定运行，说明设计的用电器监测装置安全可靠，精度高，可应用于现阶段的大部分用电器监测的场景中。

　　关键词：用电器监测，CS5463，电能参数，ESP32-S3

　　0引言

　　随着时代的高速发展，用户用电器的急剧增加，伴随着用电不规范、用电器使用异常等情况的发生，引发了诸如电动车楼道充电爆炸、学生宿舍违规电器使用引发的失火、实验室危险用电与最常见的家庭用电不规范导致的各种安全事故[1-2]。为了保障用电器的使用安全，用电器监测装置的研发如雨后春笋般出现。目前，国内外学者对用户用电安全的监测研究有些成果，大多数集中在短路、过载等即时性的安全隐患的监测。如上海交通大学的王亮等[3]针对家庭用户设计出了一种电能信息的监测系统，通过能效管理相关算法，可结合实时电价提供用电优化建议；杭州电子科技大学的孙淑强等[4]设计了一种为保障实验室安全的负荷检测系统，其主要基于物联网与大数据等信息技术完成机防与人防相辅，实现线路老化检测与用电器的精细化管理。英国的Y Han等[5]主要对发电厂的变压器、发电机和感应电动机的状态监控(CM)的研究进行了较为详尽的介绍，其中对当时主要监测方法与智能技术进行了梳理，随着新技术的不断涌现，有更多新技术可应用于用电器的投切监测研究之中。

　　本文设计一款安全可靠，精度高的用电器监测装置，采用ESP32-S3作为核心控制单元，CS5463作为用电器电能参数的采集芯片，利用电压互感器和电流互感器和外围采样电路将大电压和大电流转换为小电压和小电流，ESP32-S3对电能参数再进行读取和存储，最后经过通信电路将采集到用电器的电能参数发送给服务器。该装置能够实时监测用电器的电能参数，提高用电的安全型。

　　1系统的总体方案

　　该系统主要包括电源电路、电能参数采集电路、主控电路和通信电路，系统总体方案设计如图1所示。电源电路是把220 V的交流电经过降压隔离模块转换为5V的直流电，5 V的直流电经过线性稳压器变换为3.3 V,这样就可以使用5V和3.3 V给系统供电。电能参数采集电路使用电压互感器和电流互感器将大电压和大电流转换为毫伏级别的电压信号，然后通过采样电路将转换后的电压信号传输到CS5463上，CS5463将读取到的模拟信号经过自身的放大器、调制器、滤波器、计算引擎进行处理，处理完成的电能参数经过串行口传送到单片机。

　　主控电路将采集到的电压、电流、功率、功率因数等电能参数进行读取和存储最后发送给服务器。通信电路包含两种工作方式，一种是使用外接的天线发射器通过Wi-Fi将数据传送到网络交换机，交换机再传送到服务器；另一种就是将单片机的串口转换为以太网接口，通过网线来传输数据到网络交换机。两种工作模式是为了适应不同场景，满足工作需求。

　　2硬件电路的设计

　　2.1电能参数采集电路

　　该系统使用ZMPT107-1电压互感器、ZHTM104F电流互感器和外围电路来对大电压和大电流进行处理和采集。ZMPT107-1是一款体积小，精度高的电流型电压互感器，变比为1000∶1 000[6]。ZHTM104F是一款体积小，精度高的电流型电流互感器，额定输入电流30 A,变比为2000∶1[7]。

　　电能参数采集电路原理如图2所示，大电压通过电压互感器变为小电压，小电压通过高精度的采样电阻进一步提高小电压的精度，然后小电压再经过电容和电阻的去耦来抑制其他信号的干扰，提高电压信号的稳定性，最后将处理后的电压信号输送到CS5463中，同理大电流也经过同样的处理传送到CS5463中去。此外在采集电路和CS5463的输入部分进行了模拟信号和数字信号的隔离，进一步提高了抗干扰的能力。

　　CS5463是一个集成电能参数测量装置，在单个芯片上结合了两个Δ-Σ模数转换器、功率计算引擎、能量-频率转换器和串行接口[8]。它能够精确测量瞬时电流和电压，并计算VRMS、IRMS、瞬时功率、视在功率、有功功率和无功功率[9]。

　　CS5463的工作原理如图3所示，小电压信号经过10倍增益放大器进行放大，放大后的信号进入二阶Δ-Σ调制器进行采样[10],采样后的信号进入数字滤波器进行滤波得到数字信号；小电流信号送入PGA进行放大，放大后的信号进入四阶Δ-Σ调制器进行采样[11],采样后的结果进入数字滤波器进行滤波得到数字信号，然后将经过处理的电压和电流的数字送到功率计算引擎中，经过计算的各种电能参数再通过串行口送到单片机中[12]。

　　2.2通信电路

　　该装置使用NS8/NS8-TB来实现串口数据和以太网数据转换功能，NS8/NS8-TB工作原理如图4所示，NS8/NS8-TB具有多种Modbus网关模式以及TCP/DUP/MQTT/HTTP物联网网关模式，可满足各类串口设备/PLC的联网功能。模组采用LCC封装，便于用户设备集成在PCB板上[13]。RJ45内置2 kV电磁隔离网络变压器。NS1模块的对应的网络数据接收引脚与以太网物理接口的数据接收引脚直接交流耦合连接，做系统内数据传输通道。RX+、RX-、TX+和TX-走差分线[14]。

　　该设计可以通过以太网接口和服务器进行数据的传递，同时也可以采用外接天线发射器来进行信息的交互。

　　3程序设计

　　本文设计的程序使用C语言编写，用主函数main调用已经编好的电压处理函数、电流处理函数、功率处理函数和功率因数处理函数等功能函数实现基本功能。测试装置上电后，首先要对ESP32-S3主控单元和CS5463采集芯片进行初始化完成相关的配置，接着是CS5463对用电器电能参数进行采集和计算并通过串口将计算完成的电能参数传送到ESP32-S3中，然后ESP32-S3将采集的数据进行读取和存储，最后主控单元通过通信电路将数据传送至服务器，程序流程图如图5所示。

　　4系统测试

　　4.1测试方案

　　系统测试时，采用DH18615可调电源模拟市电给电路板和DH28603可调负载供电，DH28603可调负载模拟各种类型的负载，使用CA8230电能质量分析来验证电路板测量出来的电能数据的准确度，实物测试框图，如图6所示。

　　DH18615是一款单相高性能可编程交流稳压电源，采用PWM变频方式，具有高水平高效率、体积小重量轻等特点[15]。可提供稳定的输出电压，并可测量电压、电流、功率、功率因数、峰值系数等多种数据，具有AC/DC/AC+DC三种输出模式，功能强大，同时还具有存储功能和完善的保护功能[16]。DH28605是一款可进行各种仿真负载编程的高性能交流电子负载，功率最大可达5000 W,具有CC/CR/CW/AC+DC四种输入模式，具有可编辑的峰值因数功能，高次谐波电流模拟功能，可方便测试波峰电流[17]。CA8230是一款单相电能质量分析仪，可实时显示输入电压、电流的波形图、谐波分析图形，并具有电量参数测量与显示、趋势图记录及告警监测等功能[18-20]。

　　测试时，先检验电路板测量电压的准确度，此时只改变DH18615可调电源输出电压的大小，电压大小的变化在20~300 V,对比电路板采集到的电压和CA8230电能质量分析仪测量出来电压大小的大小。接着检验电路板测量电流、功率、功率因数的准确度，DH18615可调电源的输出电压调整至230 V不变的情况下，只改变DH28603可调负载的输出，检验时可调负载的工作模式为CR,调整输出电流和CF的大小从而改变电流、功率、功率因数的大小，电流大小的变化在1~30 A,功率大小的变化在85~4 200 W,功率因数大小的变化在0.3~1。

　　测试结果由表1可知，电路板采集到的电压、电流、功率，这3个电能参数和电能质量分析仪读取的实际电能参数误差较大，功率因数的误差较小，下面需要将这4个电能参数同时进行校正。

　　4.2测试分析

　　校正时将校正前的数据输入到excel中进行数据拟合，数据拟合时发现使用单一函数进行数据拟合会出现较大偏差，故本系统使用分段式的数据拟合。

　　电压的数据拟合如图7所示，对电压数据进行数据拟合时，经过反复比对，以180 V为分界点，当测量电压小于180 V时，采用式(1)进行数据拟合，当测量电压大于180 V时，采用式(2)进行数据拟合。

　　电流的数据拟合如图8所示，对电流数据进行数据拟合时，经过反复比对，以8A为分界点，当测量电流小于8A时，采用式(3)进行数据拟合，当测量电流大于8A时，采用式(4)进行数据拟合。

　　功率的数据拟合如图9所示，对功率数据进行数据拟合时，发现1400 W为分界点，当测量功率小于1400 W时，采用式(5)进行数据拟合，当测量功率大于1400 W时，采用式(6)进行数据拟合。

　　功率因数的数据拟合如图10所示。由于校正前功率因数的测量值和实际值误差较小，对功率因数进行数据拟合时，无需采用分段式的数据拟合也可以达到较好的拟合效果，所以功率因数的数据拟合只使用式(7)即可。

　　现在将电压、电流、功率、功率因数数据拟合后的公式作为系数代入程序中，再重新进行数据采集。电能参数校正后的数据采集，是4种电能参数分别采集6组数据后，然后6组数据取平均值进行对比，以减小实验所带来的误差。

　　校正后的电能参数数据对比如表2所示，电压、电流、功率这3个电能参数的误差值在±2%以内，功率因数的误差值在±3%以内，充分说明本系统的设计满足现阶段大部分用电器监测装置的需求，具有广泛的应用场景。

　　5结束语

　　本文设计的用电器监测装置使用ESP32-S3作为主控单元，ZMPT107-1电压互感器、ZHTM104F电流互感器和外围电路对用电器的电能参数进行采集，ESP32-S3对电能参数进行读取和存储，最后通过通信电路将数据发送给服务器。

　　系统测试时，使用DH18615可调电源来模拟市电，DH28603可调负载来模拟各种类型的负载，使用CA8230电能质量分析来验证电路板测量出来的电能参数的准确度，经过测试发现电能参数存在一定的误差，然后通过数据拟合来进行校正，校正完成后再进行测试，对比校正后电路板采集到的电能参数和电能质量分析仪测量出来的实际电能参数发现，电压、电流、功率3个电能参数的误差值在±2%以内，功率因数的误差值在±3%以内，并且运行稳定，说明本次设计的用电器监测装置安全可靠，精度高，可应用于现阶段的大部分用电器监测的场景中。此外该装置还可以根据需求进一步改进和完善，如用电器识别，过载保护等。

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