非侵入式负荷检测（Non-Intrusive Load Monitoring，NILM）是一种通过分析电力负荷数据来识别和分类不同电器的技术，而无需对电器进行物理安装或修改。非侵入式负荷检测技术通过在电力系统的总线或主电表处安装传感器，监测整个建筑或设施的总电力消耗，然后使用算法将这些总电力消耗分解为各个电器的消耗情况。非侵入式负荷检测通过了解每个电器的用电情况，可以帮助用户识别高能耗设备，优化用电习惯，从而达到节能减排的目的。此外，它还可以为电网公司提供详细的负荷数据，帮助优化电网运行。通过监测电器的用电模式，非侵入式负荷检测可以早期发现设备的异常行为，预防潜在的故障，延长设备使用寿命。非侵入式负荷检测收集的数据可以用于市场分析，帮助电器制造商了解用户的使用习惯，从而改进产品设计。

为了实现非侵入式负荷检测，需要能够以非侵入式方式检测三相电能并进行记录的传感器。为了实现自定义的功能以及节约成本，我们设计了自己的三相电能传感器。该传感器在使用时只需要将三相电压采集端口并联在入户电源的两端用于采集电压，使用电流互感器外置于入户电源线用于采集电流，无需改造线路也无需将设备接入室内电路中，即可采集记录电能数据并通过上位机软件上传至电脑。在此之后便可以通过非侵入式负荷检测算法对记录的数据进行处理和研究。

二、方案描述

本节分为4个部分进行叙述，分别为系统总体方案、硬件设计、固件设计和软件设计。

2.1 系统总体方案

本设计的总体方案如图2-1所示，传感器装置负责采集待测电路的三相电流和三相电压，通过内部电流进行量化和计算后，得到三相瞬时电流和电压采样值，以及三相有功功率、无功功率、视在功率。所有数据通过WIFI接口经过无线路由器传输到电脑，并通过电脑端的上位机软件进行记录。同时电脑端的上位机软件可以通过USB接口向传感器下发配置参数。当传感器接收到配置参数并成功和电脑建立WIFI连接后，则可以断开USB连接，后续数据全部使用WIFI进行传输。也就是说USB只用于设置连接参数。

图2-1 系统总体方案框图

2.2 硬件设计

如图2-2所示为三相电能传感器的硬件方案设计总体系统框图。由于需要对高压交流电路进行采样，电路分为高压电路部分和低压部分两部分，在PCB上通过不同的地平面进行分割。两部分之间的通讯通过数字隔离芯片进行，而高压部分三相电流计量芯片的供电通过DCDC隔离电源进行。在高压部分主要包括电流和电压的采样电路和三相电能计量芯片。在低压部分主要包括ESP32物联网芯片和USB转串口芯片。低压部分使用LDO进行供电。ESP32物联网模组内置WIFI，因此可以直接通过WIFI传输数据，无需额外的WIFI芯片。

图2-2 硬件设计框图

如图2-3所示为系统的电压和电流采样电路的原理图，电压采样部分端口首先通过磁珠防止电压脉冲，然后经过电阻分压后进入电能计量芯片的电压采样引脚。电流采样部分同样首先通过磁珠，每一路电流采样有两个端口用于连接电流互感器的两端，通过一个7.5欧姆电阻后，该电阻两端一端接地，另一端通入电能计量芯片的电流采样端口。其原理为测量7.5欧采样电阻两端电压，将采样电流转换为电压采样。

图2-3 电流与电压采样电路

如图2-4所示为系统电源部分，整个电路板通过外部5V供电，通过LDO转换为3.3V供 ESP32单片机部分和串口部分使用，而三相电能计量芯片则通过B0503S这款DCDC隔离电源模块得到3.3V电源供电。

图2-4 系统供电部分原理图

如图2-5所示为USB转串口电路部分，USB转串口电路部分负责将ESP32单片机的串口数据通过USB接口进行转发与电脑进行通讯。这里USB转串口芯片使用CH340K芯片，同时使用两个三极管和电阻搭建了ESP32自动下载电路。USB端口部分使用了TYPE-C接口。

图2-5 USB转串口部分原理图

如图2-6所示，为主控芯片模块ESP32及其外围电路原理图，包括复位电路、自动下载相关电路、RGB三色LED指示灯、I2C上拉电阻、以及一个I2C隔离芯片，通过I2C隔离芯片ESP32主控芯片可以发送指令给三相电能计量芯片。ESP32芯片内置WIFI控制器和蓝牙控制器，其中内置的WIFI可以用最高40Mbps的速率传输数据，而三相电能计量芯片在8K采样率模式下，每秒需要传输的数据量为512K byte，因此可以满足数据传输的需要。

图2-6 主控芯片ESP32部分原理图

如图2-7所示为三相电能计量芯片及其外围电路，本设计中使用了型号为ADE7878的三相电能计量芯片，ADE7878内置DSP和ADC模块，配合外围电路可以实现三相电流和三相电压的采集和量化，最高采样率达到8Khz。由于内置DSP可以实现在芯片内部解算视在功率、有功功率、无功功率、相位角等参数。ADE7878带有I2C和SPI等接口，在本设计中主控芯片通过I2C接口向ADE7878芯片传输指令。通过使用SPI接口，并且以ADE7878作为主机，ESP32作为从机，从而可以使用基于SPI的HSDC接口以8K个点每秒的速率向主控芯片传输数据，每个点的大小为64字节。图中的外围电路包括滤波电路、接口电路和晶振电路。

图2-7 三相电能计量芯片部分原理图

如图2-8所示为数字隔离器以及相关外围电路，ADUM161N为6通道的告诉数字隔离器芯片，其最大传输速率达到150Mbps，用于ESP32和ADE7878间HSDC接口的隔离通讯，可以完全满足HSDC接口最大通讯速率的传输要求。

图2-8 数字隔离器部分原理图

2.3 固件设计

如图2-9所示为传感器固件部分的系统框图，其中ESP32的SDK是由乐鑫官方提供的固件开发框架，包括了FreeRTOS的适配和相关的外设寄存器的操作函数。固件部分主要分为和上位机的通讯部分和WIFI上传数据部分，和上位机的通讯部分主要包括通过UART外设接收上位机发送的指令并将指令解析作为参数设置上传数据部分的参数。上传数据部分主要由建立TCP客户端的代码以及ADE7878的驱动构成。ADE7878的驱动负责向ADE7878发送初始化指令和设置寄存器，TCP部分负责建立客户端和上位机连接并将从ADE7878芯片读取到的数据发送回上位机。

图2-9 传感器固件系统框图

2.4 软件设计

如图2-10所示，上位机软件基于QT和windows操作系统SDK进行开发，串口向传感器发送指令的功能通过调用Windows串口相关的API实现，用户在界面上进行的操作转换成串口指令发送给传感器。QT的显示界面包括参数设置和实时数据显示和实时数据图表三个部分，都是基于QT进行开发。传感器上传的数据通过上位机软件建立的TCP服务器进行接收，经过解析后存储在缓冲区，如果开启记录功能会将缓冲区的数据写入硬盘，而实时数据的显示和图表也是通过读取缓冲区中经过解析的数据进行显示。

图2-10 上位机软件系统框图

三、成果展示

3.1 硬件设计图和实物展示：

如图3-1为硬件部分的原理图的总览，可以看到每个电路模块之间使用黑线划分，同一电路模块绘制于同一区域。

图3-1 原理图设计

图3-2所示为硬件部分PCB设计的总览，可以看出地平面将高压低压电路部分分为两个部分，中间跨分割的为DCDC隔离电源和数字隔离芯片，电源部分走线使用加粗处理，同时为了减少在回流焊的过程中产生弯曲，所以对PCB的铺铜采用了网格铺铜。

图3-2 PCB设计图

图3-3为打样焊接后的PCB实物图。

图3-3 PCB实物图

3.2外壳设计图和实物展示：

图3-4为使用CAD软件绘制的传感器外壳设计模型，图4-5为电路板加装外壳后的装置实物图。

图3-4 外壳设计图

图3-5 安装好后的实物图

3.3上位机软件界面设计：

上位机软件的界面布局和功能设计如图3-6所示，一共分为4个部分。最上面一部分用于设置WIFI热点的名称和密码，以及电脑的IP地址和准备用于创建TCP连接的端口，点击连接后这些参数将通过USB下发到传感器，并在电脑上创建TCP服务，传感器会自动按设置的参数连接WIFI并和上位机软件建立TCP连接，通过TCP连接将采样数据回传到上位机。第二部分为设置采样率等功能，点击记录按钮将开始将采集的数据记录到CSV文件中，通过后面的勾选框和折线图数据选择以及显示时长来设置要在图表里面实时显示的数据。下面的LCD显示控件用于实时显示采样数据数值。第三部分为图表。最下面第四部分用于显示连接状态以及已接收的数据量。

图3-6 上位机软件布局及功能