基于ZigBee的工頻微小電流快速檢測(cè)系統(tǒng)研究

摘 要：基于ZigBee的工頻微小電流快速檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵是微控制器，該檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)采取借助電流互感器完成，由于采集到的信號(hào)為電流形式，所以還需要進(jìn)行諸如變換、濾波及放大等的處理，最后再送至微控制器進(jìn)行電流峰值的快速檢測(cè)；檢測(cè)工頻電流的速度為10毫秒、微小電流測(cè)量精度為0.2%；基于ZigBee的工頻微小電流快速檢測(cè)系統(tǒng)也是供配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速繼電保護(hù)、智能觸電保護(hù)以及無(wú)功補(bǔ)償功能的關(guān)鍵性技術(shù)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；工頻微小電流；無(wú)線傳感器；快速檢測(cè)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.107

0 引言

當(dāng)前我國(guó)的工業(yè)電流檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)主要是以有線傳輸為主，因而會(huì)導(dǎo)致建筑內(nèi)布線較多。與此同時(shí)，由于部分工程對(duì)于建筑的實(shí)際有線傳輸有一定限制，導(dǎo)致目前國(guó)內(nèi)所習(xí)慣使用的傳統(tǒng)有線傳輸面臨較大的挑戰(zhàn)。

Zigbee以IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)作為系統(tǒng)構(gòu)建基礎(chǔ)進(jìn)行低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議的構(gòu)建，該協(xié)議具有功耗低、自組織、成本低及可進(jìn)行各種設(shè)備嵌入等特點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)的自動(dòng)控制領(lǐng)域及遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域頗受歡迎?；赯igBee無(wú)線技術(shù)的工頻微小電流快速檢測(cè)傳感器研制，攻克了布線受限難題，且能隨時(shí)隨地進(jìn)行移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，極大地提高了監(jiān)控效益。

1 微小電流快速檢測(cè)系統(tǒng)

眾多的智能傳感器節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成微小電流快速檢測(cè)系統(tǒng)，該檢測(cè)系統(tǒng)有網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)、工頻微小電流快速檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)以及上位機(jī)。工頻微小電流快速檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的電流通過互感器進(jìn)行電流信號(hào)的采集，然后將采集到的信息以無(wú)線方式傳輸?shù)轿⒖刂茊卧瑥亩瓿蓪?duì)信息的快速檢測(cè)以及系統(tǒng)的良好控制。

2 基于ZigBee的微小電流快速檢測(cè)傳感器

以ZigBee為基礎(chǔ)的微小電流快速檢測(cè)傳感器的中心為微控制器，電流互感器主要負(fù)責(zé)進(jìn)行電流信號(hào)的收集，收集到信息需要進(jìn)行信號(hào)的變換、有源濾波以及放大的處理，然后再借助微控制器進(jìn)行快速A/D的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)可以一個(gè)節(jié)點(diǎn)的形式獨(dú)立的完成檢測(cè)與控制等任務(wù)，也以與上位機(jī)或其他微小電流快速檢測(cè)智能傳感器節(jié)點(diǎn)完成傳感控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

3 電流檢測(cè)與波形變換電路

電流互感器、I/V變換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器再加上三階有源低通濾波器共同構(gòu)成電流檢測(cè)單元。而模數(shù)轉(zhuǎn)換器一般選擇型號(hào)為STC12C516AD的微控制器模塊。

運(yùn)算放大器A1的輸出電壓U與被測(cè)量的工頻電流I的關(guān)系是：

I=KUo/（R1（1+R4/R3））

其中K是電流互感器L的初級(jí)電流與次級(jí)電流的比值，Uo是運(yùn)算放大器A1的輸出電壓值。測(cè)量電壓Uo的值，就可以獲得被測(cè)量的工頻電流值I。

4 檢測(cè)算法研究

由于電網(wǎng)工頻交流中有各種頻率的干擾信號(hào)，直接進(jìn)行電流檢測(cè)的誤差較大而且不穩(wěn)定，通過濾波后能穩(wěn)定的進(jìn)行相位與幅度檢測(cè)。經(jīng)過電流互感器將電路的電流信號(hào)取出，濾波后經(jīng)過放大電路，獲取電流峰值，經(jīng)過嵌入式微控制器的高速計(jì)算，在半個(gè)工頻周期內(nèi)就能快速測(cè)量電流值。

電路電流影響的分析以及計(jì)算需要在工頻交流的電小電流負(fù)載情況下進(jìn)行，按計(jì)算出的結(jié)果構(gòu)建濾波模型，同時(shí)確定傳輸函數(shù)，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行電路結(jié)構(gòu)及電路路線的設(shè)計(jì)并完成對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算。根據(jù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)完成設(shè)計(jì)控制程序的設(shè)計(jì)。

5 測(cè)試與結(jié)論

進(jìn)行電路以及控制程序的設(shè)計(jì)與制作并完成相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量，測(cè)量所得的數(shù)據(jù)即為實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)來(lái)源。實(shí)驗(yàn)測(cè)試需要對(duì)工頻交流進(jìn)行10mA至1000mA變化范圍的電流實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容涉及有精度檢測(cè)、電流速度檢測(cè)、可靠性以及穩(wěn)定性等。測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

測(cè)試數(shù)據(jù)表明，電流為10mA時(shí)，測(cè)量誤差為2.50%，電流為500到1000mA時(shí)，誤差只有0.2%以內(nèi)，測(cè)量精度高。10ms內(nèi)就能夠測(cè)量出電流的值，速度快。在實(shí)驗(yàn)室條件下，傳輸誤碼率為0。

進(jìn)行速度檢測(cè)時(shí)針對(duì)以毫秒為單位或者工頻交流電流值單位為毫安級(jí)的微小電流進(jìn)行快速檢測(cè)，其是供配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良好的無(wú)功補(bǔ)償、快速繼電保護(hù)以及智能觸電保護(hù)等功能的關(guān)鍵技術(shù)，除此之外，還為具備控制功能及無(wú)線通信功能的工頻小電流快速檢測(cè)智能傳感器積極進(jìn)行了應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，目前在電流檢測(cè)以及控制技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

參考文獻(xiàn)：

[1]蒲泓全等.ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究綜述[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2013

（09）.

[2]ZigBeeAllianee.NetworkSpeeifieation，Version2006.ZigBeeDoeument05347rl3，Deeemberlth，2006.

[3]董建懷.基于CC2530的電流及溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].廈門理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（09）.

[4]國(guó)家工業(yè)和信息化部.物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃DB/OL].國(guó)家工業(yè)和信息化部官網(wǎng)：http：//www.miit.gov.cn.

[5]李理.基于ZigBee的電纜局部放電檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[S].CN203012076U

，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局，2013，06（19）.

[6]Murty R，Chandra R，Moscibroda T，et al.2010.SenseLess：Driven White Spaces Network.Microsoft Research Technical Report Roport MSR-TR-2010-127.

2014年度湖南省高校科研項(xiàng)目“基于ZigBee的工頻微小電流快速檢測(cè)智能傳感器研究”（14C0066）

作者簡(jiǎn)介：郭淳芳（1976-），女，湖南永興人，碩士，講師，主要從事自動(dòng)控制研究。