基于ZigBee的工頻微小電流快速檢測系統研究

摘 要：基于ZigBee的工頻微小電流快速檢測系統的關鍵是微控制器，該檢測系統的信號采取借助電流互感器完成，由于采集到的信號為電流形式，所以還需要進行諸如變換、濾波及放大等的處理，最后再送至微控制器進行電流峰值的快速檢測；檢測工頻電流的速度為10毫秒、微小電流測量精度為0.2%；基于ZigBee的工頻微小電流快速檢測系統也是供配電系統實現快速繼電保護、智能觸電保護以及無功補償功能的關鍵性技術。

關鍵詞：ZigBee；工頻微小電流；無線傳感器；快速檢測

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

0 引言

當前我國的工業電流檢測監控系統主要是以有線傳輸為主，因而會導致建筑內布線較多。與此同時，由于部分工程對于建筑的實際有線傳輸有一定限制，導致目前國內所習慣使用的傳統有線傳輸面臨較大的挑戰。

Zigbee以IEEE802.15.4標準作為系統構建基礎進行低功耗個域網協議的構建，該協議具有功耗低、自組織、成本低及可進行各種設備嵌入等特點，目前在國內的自動控制領域及遠程控制領域頗受歡迎。基于ZigBee無線技術的工頻微小電流快速檢測傳感器研制，攻克了布線受限難題，且能隨時隨地進行移動通信網絡的構建，極大地提高了監控效益。

1 微小電流快速檢測系統

眾多的智能傳感器節點共同構成微小電流快速檢測系統，該檢測系統有網絡匯聚節點、工頻微小電流快速檢測傳感器節點以及上位機。工頻微小電流快速檢測傳感器節點的電流通過互感器進行電流信號的采集，然后將采集到的信息以無線方式傳輸到微控制單元，從而完成對信息的快速檢測以及系統的良好控制。

2 基于ZigBee的微小電流快速檢測傳感器

以ZigBee為基礎的微小電流快速檢測傳感器的中心為微控制器，電流互感器主要負責進行電流信號的收集，收集到信息需要進行信號的變換、有源濾波以及放大的處理，然后再借助微控制器進行快速A/D的轉換。系統可以一個節點的形式獨立的完成檢測與控制等任務，也以與上位機或其他微小電流快速檢測智能傳感器節點完成傳感控制網絡的構建。

3 電流檢測與波形變換電路

電流互感器、I/V變換器、模數轉換器再加上三階有源低通濾波器共同構成電流檢測單元。而模數轉換器一般選擇型號為STC12C516AD的微控制器模塊。

運算放大器A1的輸出電壓U與被測量的工頻電流I的關系是：

I=KUo/（R1（1+R4/R3））

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

4 檢測算法研究

由于電網工頻交流中有各種頻率的干擾信號，直接進行電流檢測的誤差較大而且不穩定，通過濾波后能穩定的進行相位與幅度檢測。經過電流互感器將電路的電流信號取出，濾波后經過放大電路，獲取電流峰值，經過嵌入式微控制器的高速計算，在半個工頻周期內就能快速測量電流值。

電路電流影響的分析以及計算需要在工頻交流的電小電流負載情況下進行，按計算出的結果構建濾波模型，同時確定傳輸函數，在此基礎上再進行電路結構及電路路線的設計并完成對設計參數的計算。根據各項數據完成設計控制程序的設計。

5 測試與結論

進行電路以及控制程序的設計與制作并完成相關數據的測量，測量所得的數據即為實驗測試的數據來源。實驗測試需要對工頻交流進行10mA至1000mA變化范圍的電流實驗，內容涉及有精度檢測、電流速度檢測、可靠性以及穩定性等。測試數據見表1。

測試數據表明，電流為10mA時，測量誤差為2.50%，電流為500到1000mA時，誤差只有0.2%以內，測量精度高。10ms內就能夠測量出電流的值，速度快。在實驗室條件下，傳輸誤碼率為0。

進行速度檢測時針對以毫秒為單位或者工頻交流電流值單位為毫安級的微小電流進行快速檢測，其是供配電系統實現良好的無功補償、快速繼電保護以及智能觸電保護等功能的關鍵技術，除此之外，還為具備控制功能及無線通信功能的工頻小電流快速檢測智能傳感器積極進行了應用領域的擴展，目前在電流檢測以及控制技術領域應用廣泛。

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

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