唐慧強(qiáng)，葛黎黎，景 華

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，江蘇南京 210044)

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基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的接地電阻檢測系統(tǒng)

唐慧強(qiáng)，葛黎黎，景 華

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，江蘇南京 210044)

針對接地電阻測量儀在實(shí)際使用中存在的使用不便、自動(dòng)化程度不高等不足，以單片機(jī)C8051F020及ZigBee無線收發(fā)芯片CC2530為硬件核心，設(shè)計(jì)了鉗形接地電阻檢測系統(tǒng)，采用Visual Studio2005和SQL Server2005設(shè)計(jì)了管理軟件。實(shí)現(xiàn)了接地網(wǎng)多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行采集和測量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化傳輸，并通過上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析、存儲(chǔ)及管理，提高了接地電阻檢測的自動(dòng)化程度，節(jié)省人力、物力。

接地電阻；ZigBee；CC2530；C8051F020；上位機(jī)

0 引言

目前，接地電阻測試主要采用2種方法。一種是三極法[1]，需要輔助地極，對于不同類型的建筑(包括大小、形狀、用途等方面)，此方法需要嚴(yán)格按照操作規(guī)程分布地極，并且在測量時(shí)必須斷開接地引下線，不適用于建筑物分布密集的區(qū)域，且操作繁瑣。另一種是鉗表法[2]，在測量有回路的接地系統(tǒng)時(shí)，不需斷開接地引下線，不需輔助電極，具有較好的實(shí)用價(jià)值，廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)三極法無法測量的場合。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)了一種接地電阻檢測系統(tǒng)，采用ZigBee無線通信技術(shù)同時(shí)測量多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并通過上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析和存儲(chǔ)。兼?zhèn)錅y量精度高、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等特點(diǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了接地電阻測量的快速化、網(wǎng)絡(luò)化。

1 接地電阻檢測原理

接地電阻測試儀一般根據(jù)歐姆定律來設(shè)計(jì)，本文采用的鉗表法基于法拉第電磁感應(yīng)原理工作：激勵(lì)鉗口對接地回路進(jìn)行交流激勵(lì)，檢測鉗口對回路電流進(jìn)行檢測，從而提取接地電阻信息，測量原理如圖1(a)所示。圖中U和I分別為測量儀的電壓鉗口輸入電壓和電流鉗口感應(yīng)輸出電流，Rx為被測接地體的接地電阻，R1、R2、…、Rn為多點(diǎn)接地系統(tǒng)中其他接地點(diǎn)的接地電阻。通常Rx遠(yuǎn)大于R1、R2、…、Rn并聯(lián)后的總電阻，因此圖1(a)可簡化為圖1(b)。

(a) 多點(diǎn)接地系統(tǒng)

(b) 簡化圖圖1 鉗形接地電阻儀測量原理

圖1(b)中，NU為繞在電壓鉗口內(nèi)的發(fā)生器線圈的匝數(shù)，NI為繞在電流鉗口內(nèi)的接收線圈的匝數(shù)[3-4]。兩線圈之間具有良好的電磁屏蔽。測量時(shí)，電壓線圈產(chǎn)生一個(gè)已知的恒定低頻交流電壓U，在被測接地引線回路中通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生電壓u，u=U/NU，該電壓在地線回路中會(huì)產(chǎn)生電流i，i=u/Rx.該電流被電流接收線圈轉(zhuǎn)換為電流I，I=i/NI，由此可得接地電阻：

(1)

式中k=1/i(NUNI)。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

接地電阻檢測系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)終端組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸和存儲(chǔ)等功能。如圖2所示，數(shù)據(jù)的采集基于CC2530無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的接地電阻值發(fā)送給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過RS232接口傳給數(shù)據(jù)終端，數(shù)據(jù)終端按接地電阻規(guī)范對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，產(chǎn)生檢測結(jié)果。

圖2 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 檢測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

檢測節(jié)點(diǎn)主要由信號激勵(lì)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊及外圍電路構(gòu)成，系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件框圖

其中，信號激勵(lì)模塊由DDS芯片AD9850及其外圍電路構(gòu)成，產(chǎn)生1 kHz的正弦波；數(shù)據(jù)采集模塊由A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8345及單片機(jī)C8051F020構(gòu)成，用來采集回路中電壓和電流值并計(jì)算電阻值；通信模塊主要由CC2530構(gòu)成，用于與PC機(jī)的通信，完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。

3.1 信號激勵(lì)模塊

為提高抗干擾能力，電壓鉗口產(chǎn)生的交流電壓的頻率要求不同于工頻的某一頻率，現(xiàn)選擇1kHz。AD9850是高穩(wěn)定度的直接數(shù)字頻率合成器件[5]，內(nèi)部包含數(shù)據(jù)輸入寄存器、頻率相位數(shù)據(jù)寄存器、可編程DDS系統(tǒng)、高性能數(shù)/模轉(zhuǎn)換器及高速比較器。接上精密時(shí)鐘源，AD9850可產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制的正弦波信號。AD9850有40位的控制字，32位用于頻率控制，5位用于相位控制，1位用于電源休眠，2位用于工作方式選擇。這40位控制字進(jìn)入AD9850的40位數(shù)據(jù)輸入寄存器，控制字的低32位進(jìn)入頻率相位數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行頻率控制，高5位進(jìn)入頻率相位數(shù)據(jù)寄存器進(jìn)行相位控制。

硬件連接如圖4所示。時(shí)鐘源選擇125 MHz有源晶振，采用并行裝入方式，全部40位數(shù)據(jù)需重復(fù)5次裝入。AD9850的數(shù)據(jù)線D0～D7與P2口相連，F(xiàn)Q_UD和W_CLK分別與P3.0和P3.1相連，F(xiàn)Q_UD和W_CLK均為上升沿有效，所有時(shí)序關(guān)系均通過軟件控制實(shí)現(xiàn)。程序中，首先進(jìn)行初始化，將FQ_UD和W_CLK均置低，reset進(jìn)行復(fù)位。每將1字節(jié)的數(shù)據(jù)送到P1口后，將P3.1(W_CLK)置高，在其上升沿，AD9850接收與P1口相連的數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)，然后將P3.1置低，準(zhǔn)備下一字節(jié)的發(fā)送，連續(xù)發(fā)送5個(gè)字節(jié)后，將P3.0(FQ_UD)置高，以使AD9850根據(jù)輸入的控制字更新頻率和相位輸出，隨后再置P3.0為低。

圖4 AD9850接線圖

AD9850芯片內(nèi)部不含低通濾波器，所產(chǎn)生的信號直接由余弦DAC輸出，不可避免地含有高頻噪聲，因此必須經(jīng)過低通濾波器進(jìn)行濾波處理后才能產(chǎn)生質(zhì)量好的正弦波。AD9850最大輸出電壓為0.5 V，為了能夠驅(qū)動(dòng)后級電路所帶負(fù)載，需將AD9850輸出的正弦波進(jìn)行放大后，再輸入到電壓鉗口。根據(jù)實(shí)際需要，選用具有高驅(qū)動(dòng)能力的運(yùn)放AD842將信號放大4倍，即輸入的電壓達(dá)到2 V即可滿足要求。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

ADS8345是一個(gè)高速、低功耗、16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包含8個(gè)單端模擬輸入通道(也可合成為4個(gè)差分輸入)，采樣速率為500 KSPS，串行輸出接口。

從電流鉗口輸出的交流電流I經(jīng)過量程選擇的電阻R0后，轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟妷篣0=I·R0，用ADS8345的輸入通道0測量該交流電壓值，同時(shí)用其輸入通道1測量電壓鉗口的交流電壓輸出值。由于采樣速度較快，每次測量時(shí)，通道0和通道1交替采集交流信號16次，就可以較好地取得式(1)中的U與I的有效值之比，從而求出接地電阻。計(jì)算交流電壓有效值如式(2)所示。采樣頻率由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器控制。

(2)

式中：u1為交流電壓有效值；uj為每個(gè)采樣點(diǎn)的電壓值；j為采樣次數(shù)。

ADS8345由5 V電源供電，基準(zhǔn)芯片TL431提供2.5 V的參考電壓。DCLK、CS、DIN與DOUT分別與C8051F020的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3連接，連接如圖5所示。開始轉(zhuǎn)換時(shí)，將CS、DCLK、DIN置低，ADS8345在DCLK的上升沿通過DIN引腳接收由C8051F020引腳發(fā)送過來的串行數(shù)據(jù)，并寫入A/D芯片的控制寄存器，完成通道選擇等設(shè)置，然后通過DOUT將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，完成一次轉(zhuǎn)換需要32個(gè)時(shí)鐘。

圖5 ADS8345接線圖

3.3 數(shù)據(jù)通信模塊

通信模塊利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用CC2530作為無線處理器，其成本低，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能強(qiáng)大。CC2530支持IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBee RF4CE標(biāo)準(zhǔn)，具有高接收靈敏度和強(qiáng)抗干擾性，非常適合WSN的需要，只需要配合少數(shù)的外圍元器件就可以實(shí)現(xiàn)信號的收發(fā)功能。同時(shí)具有低功耗、低成本、時(shí)延短、高安全等特點(diǎn)[6]。

CC2530與C8051F020之間采用串口通信，其連接如圖6所示。CC2530的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端P0_3、接收端P0_2分別與C8051F020的串行數(shù)據(jù)接收端RXD0(P0.1)、發(fā)送端TXD0(P0.0)相連。

圖6 CC2530接線圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)軟件流程

單片機(jī)軟件流程如圖7所示。上電復(fù)位后，單片機(jī)對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，完成A/D轉(zhuǎn)換、定時(shí)器、串行通信等的初始化，然后判斷上位機(jī)是否有通信命令，若有則開始測量。給DDS模塊寫頻率控制字和相位控制字，生成正弦波激勵(lì)，接下來通過ADS8345采集電流鉗口的輸出值，并計(jì)算有效值，判斷其是否需要量程轉(zhuǎn)換，若需要?jiǎng)t切換量程，重新采集電流值。否則采集電壓鉗口的電壓值并計(jì)算其有效值，單片機(jī)計(jì)算出電阻值之后，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)。

圖7 單片機(jī)軟件流程圖

4.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件以Visual Studio 2005作為開發(fā)平臺(tái)、SQL Server 2005作為數(shù)據(jù)庫支持。Visual Studio 2005界面設(shè)計(jì)簡單快捷[7]，功能豐富，代碼執(zhí)行效率高，運(yùn)行穩(wěn)定；SQL Server 2005作為數(shù)據(jù)平臺(tái)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理能力。該軟件用于實(shí)時(shí)采集各個(gè)終端測試節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，主要功能包括控制管理、統(tǒng)計(jì)分析、用戶管理、結(jié)果查詢、提交報(bào)告等。監(jiān)控界面如圖8所示。

圖8 接地電阻檢測監(jiān)控界面

測量時(shí)首先錄入被檢測點(diǎn)的相關(guān)信息，待數(shù)據(jù)采集部分接收到測量指令后開始采集數(shù)據(jù)，通過CC2530模塊將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之前對接地電阻進(jìn)行季節(jié)系數(shù)修正，根據(jù)建筑物種類等規(guī)范要求判斷測量數(shù)值是否超出標(biāo)準(zhǔn)值，接地電阻是否合格，最后存入數(shù)據(jù)庫內(nèi)，完成一次接地電阻檢測，并生成檢測報(bào)告。

5 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室條件下，利用本系統(tǒng)測量閉合電阻環(huán)。將測量結(jié)果與作為標(biāo)準(zhǔn)的VICTOR6412+型鉗形接地電阻測試儀所測結(jié)果進(jìn)行比對。測試結(jié)果及誤差如表1所示。

表1 檢測結(jié)果及誤差 Ω

通過表1可以看出，當(dāng)待測電阻較小時(shí)，實(shí)際測量值具有較小的檢測誤差。

基于ZigBee的無線接地電阻檢測系統(tǒng)針對當(dāng)前防雷接地電阻檢測存在的問題而設(shè)計(jì)，具有低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)，適用于傳統(tǒng)方法無法測量的場所。最終將檢測數(shù)據(jù)生成檢測報(bào)告，實(shí)現(xiàn)對檢測數(shù)據(jù)的監(jiān)控分析和管理，提高了接地電阻檢測工作的自動(dòng)化程度。

[1] LI M T ，LI J．A new type of grounding resistance measurement method ．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement．1999，48(5)：899-902．

[2] 嚴(yán)有琪，袁軍，姜銀方，等．關(guān)于接地電阻檢測儀在實(shí)際應(yīng)用中的研究．現(xiàn)代儀器，2012，18(6)：88-90．

[3] 楊仲江．防雷裝置檢測審核與驗(yàn)收．北京：氣象出版社，2009：192-193．

[4] 李立偉，鄒積巖．新型雙鉗口接地電阻在線測量儀．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27(14)：83-86．

[5] 潘宇倩．DDS頻率合成器AD9850原理及應(yīng)用．航天器工程，2007，16(5)：85-88．

[6] 唐慧強(qiáng)，王昱文．基于ZigBee和S3C2440的手持式校準(zhǔn)儀研制．現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(15)：43-45．

[7] 孫景瑞．從零開始學(xué)C#．北京：中國鐵道出版社，2010：13-209．

Grounding Resistance Detecting System Based on Wireless Sensor Network

TANG Hui-qiang，GE Li-li，JING Hua

(Information and Control College，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China)

The grounding resistance measurement instruments mainly exist problems of inconvenience and low automaticity. Based on the ZigBee wireless transceiver chip CC2530 and the MCU core chip C8051F020, a grounding resistance detecting system of clamp meter was designed, and the management software was designed with Visual Studio2005 and SQL Server2005. The data of several nodes can be taken simultaneously and transmitted by networks, and they can be monitored, analyzed, stored and managed through the upper computer. The automaticity and convenience are improved and the human resources are saved.

grounding resistance; ZigBee; CC2530; C8051F020; upper computer

國家重大儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)任務(wù)(2012YQ170003-5)

2014-01-06 收修改稿日期：2014-11-03

TH765

A

1002-1841(2015)02-0054-03

唐慧強(qiáng)(1965—)，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橹悄軆x器、物聯(lián)網(wǎng)工程。 葛黎黎(1987—)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄軆x器與系統(tǒng)集成。