基于无线传感器网络的接地电阻检测系统

唐慧强，葛黎黎，景 华

(南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京 210044)



基于无线传感器网络的接地电阻检测系统

唐慧强，葛黎黎，景 华

(南京信息工程大学信息与控制学院，江苏南京 210044)

针对接地电阻测量仪在实际使用中存在的使用不便、自动化程度不高等不足，以单片机C8051F020及ZigBee无线收发芯片CC2530为硬件核心，设计了钳形接地电阻检测系统，采用Visual Studio2005和SQL Server2005设计了管理软件。实现了接地网多节点数据同时进行采集和测量数据的网络化传输，并通过上位机实时监控、分析、存储及管理，提高了接地电阻检测的自动化程度，节省人力、物力。

接地电阻；ZigBee；CC2530；C8051F020；上位机

0 引言

目前，接地电阻测试主要采用2种方法。一种是三极法[1]，需要辅助地极，对于不同类型的建筑(包括大小、形状、用途等方面)，此方法需要严格按照操作规程分布地极，并且在测量时必须断开接地引下线，不适用于建筑物分布密集的区域，且操作繁琐。另一种是钳表法[2]，在测量有回路的接地系统时，不需断开接地引下线，不需辅助电极，具有较好的实用价值，广泛应用于传统三极法无法测量的场合。根据实际应用的需求，设计了一种接地电阻检测系统，采用ZigBee无线通信技术同时测量多节点数据，并通过上位机对数据进行实时监控、分析和存储。兼备测量精度高、成本低、抗干扰能力强、功耗低等特点的同时，实现了接地电阻测量的快速化、网络化。

1 接地电阻检测原理

接地电阻测试仪一般根据欧姆定律来设计，本文采用的钳表法基于法拉第电磁感应原理工作：激励钳口对接地回路进行交流激励，检测钳口对回路电流进行检测，从而提取接地电阻信息，测量原理如图1(a)所示。图中U和I分别为测量仪的电压钳口输入电压和电流钳口感应输出电流，Rx为被测接地体的接地电阻，R1、R2、…、Rn为多点接地系统中其他接地点的接地电阻。通常Rx远大于R1、R2、…、Rn并联后的总电阻，因此图1(a)可简化为图1(b)。

(a) 多点接地系统

(b) 简化图图1 钳形接地电阻仪测量原理

图1(b)中，NU为绕在电压钳口内的发生器线圈的匝数，NI为绕在电流钳口内的接收线圈的匝数[3-4]。两线圈之间具有良好的电磁屏蔽。测量时，电压线圈产生一个已知的恒定低频交流电压U，在被测接地引线回路中通过电磁感应产生电压u，u=U/NU，该电压在地线回路中会产生电流i，i=u/Rx.该电流被电流接收线圈转换为电流I，I=i/NI，由此可得接地电阻：

(1)

式中k=1/i(NUNI)。

2 系统整体结构

接地电阻检测系统主要由无线传感器网络检测节点、协调器、数据终端组成，实现数据的采集、处理、传输和存储等功能。如图2所示，数据的采集基于CC2530无线传感器网络，传感器节点将采集的接地电阻值发送给协调器，再由协调器将数据通过RS232接口传给数据终端，数据终端按接地电阻规范对接收的数据进行处理，产生检测结果。

图2 检测系统结构图

3 检测节点硬件设计

检测节点主要由信号激励模块、数据采集模块、数据通信模块及外围电路构成，系统硬件框图如图3所示。

图3 无线传感网络节点硬件框图

其中，信号激励模块由DDS芯片AD9850及其外围电路构成，产生1 kHz的正弦波；数据采集模块由A/D转换芯片ADS8345及单片机C8051F020构成，用来采集回路中电压和电流值并计算电阻值；通信模块主要由CC2530构成，用于与PC机的通信，完成数据的无线传输。

3.1 信号激励模块

为提高抗干扰能力，电压钳口产生的交流电压的频率要求不同于工频的某一频率，现选择1kHz。AD9850是高稳定度的直接数字频率合成器件[5]，内部包含数据输入寄存器、频率相位数据寄存器、可编程DDS系统、高性能数/模转换器及高速比较器。接上精密时钟源，AD9850可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的正弦波信号。AD9850有40位的控制字，32位用于频率控制，5位用于相位控制，1位用于电源休眠，2位用于工作方式选择。这40位控制字进入AD9850的40位数据输入寄存器，控制字的低32位进入频率相位数据寄存器进行频率控制，高5位进入频率相位数据寄存器进行相位控制。

硬件连接如图4所示。时钟源选择125 MHz有源晶振，采用并行装入方式，全部40位数据需重复5次装入。AD9850的数据线D0～D7与P2口相连，FQ_UD和W_CLK分别与P3.0和P3.1相连，FQ_UD和W_CLK均为上升沿有效，所有时序关系均通过软件控制实现。程序中，首先进行初始化，将FQ_UD和W_CLK均置低，reset进行复位。每将1字节的数据送到P1口后，将P3.1(W_CLK)置高，在其上升沿，AD9850接收与P1口相连的数据线上的数据，然后将P3.1置低，准备下一字节的发送，连续发送5个字节后，将P3.0(FQ_UD)置高，以使AD9850根据输入的控制字更新频率和相位输出，随后再置P3.0为低。

图4 AD9850接线图

AD9850芯片内部不含低通滤波器，所产生的信号直接由余弦DAC输出，不可避免地含有高频噪声，因此必须经过低通滤波器进行滤波处理后才能产生质量好的正弦波。AD9850最大输出电压为0.5 V，为了能够驱动后级电路所带负载，需将AD9850输出的正弦波进行放大后，再输入到电压钳口。根据实际需要，选用具有高驱动能力的运放AD842将信号放大4倍，即输入的电压达到2 V即可满足要求。

3.2 数据采集模块

ADS8345是一个高速、低功耗、16位的模数转换器，包含8个单端模拟输入通道(也可合成为4个差分输入)，采样速率为500 KSPS，串行输出接口。

从电流钳口输出的交流电流I经过量程选择的电阻R0后，转变为交流电压U0=I·R0，用ADS8345的输入通道0测量该交流电压值，同时用其输入通道1测量电压钳口的交流电压输出值。由于采样速度较快，每次测量时，通道0和通道1交替采集交流信号16次，就可以较好地取得式(1)中的U与I的有效值之比，从而求出接地电阻。计算交流电压有效值如式(2)所示。采样频率由单片机内部定时器控制。

(2)

式中：u1为交流电压有效值；uj为每个采样点的电压值；j为采样次数。

ADS8345由5 V电源供电，基准芯片TL431提供2.5 V的参考电压。DCLK、CS、DIN与DOUT分别与C8051F020的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3连接，连接如图5所示。开始转换时，将CS、DCLK、DIN置低，ADS8345在DCLK的上升沿通过DIN引脚接收由C8051F020引脚发送过来的串行数据，并写入A/D芯片的控制寄存器，完成通道选择等设置，然后通过DOUT将转换完成的数据发送给单片机，完成一次转换需要32个时钟。

图5 ADS8345接线图

3.3 数据通信模块

通信模块利用ZigBee无线传感器网络，采用CC2530作为无线处理器，其成本低，网络节点功能强大。CC2530支持IEEE802.15.4标准以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBee RF4CE标准，具有高接收灵敏度和强抗干扰性，非常适合WSN的需要，只需要配合少数的外围元器件就可以实现信号的收发功能。同时具有低功耗、低成本、时延短、高安全等特点[6]。

CC2530与C8051F020之间采用串口通信，其连接如图6所示。CC2530的串行数据发送端P0_3、接收端P0_2分别与C8051F020的串行数据接收端RXD0(P0.1)、发送端TXD0(P0.0)相连。

图6 CC2530接线图

4 系统软件设计

4.1 单片机软件流程

单片机软件流程如图7所示。上电复位后，单片机对各项参数进行设置，完成A/D转换、定时器、串行通信等的初始化，然后判断上位机是否有通信命令，若有则开始测量。给DDS模块写频率控制字和相位控制字，生成正弦波激励，接下来通过ADS8345采集电流钳口的输出值，并计算有效值，判断其是否需要量程转换，若需要则切换量程，重新采集电流值。否则采集电压钳口的电压值并计算其有效值，单片机计算出电阻值之后，通过无线传感器网络发送给上位机。

图7 单片机软件流程图

4.2 上位机软件

上位机软件以Visual Studio 2005作为开发平台、SQL Server 2005作为数据库支持。Visual Studio 2005界面设计简单快捷[7]，功能丰富，代码执行效率高，运行稳定；SQL Server 2005作为数据平台，具有强大的数据存储及处理能力。该软件用于实时采集各个终端测试节点的数据，主要功能包括控制管理、统计分析、用户管理、结果查询、提交报告等。监控界面如图8所示。

图8 接地电阻检测监控界面

测量时首先录入被检测点的相关信息，待数据采集部分接收到测量指令后开始采集数据，通过CC2530模块将数据上传至上位机系统。在数据存储之前对接地电阻进行季节系数修正，根据建筑物种类等规范要求判断测量数值是否超出标准值，接地电阻是否合格，最后存入数据库内，完成一次接地电阻检测，并生成检测报告。

5 结论

在实验室条件下，利用本系统测量闭合电阻环。将测量结果与作为标准的VICTOR6412+型钳形接地电阻测试仪所测结果进行比对。测试结果及误差如表1所示。

表1 检测结果及误差 Ω

通过表1可以看出，当待测电阻较小时，实际测量值具有较小的检测误差。

基于ZigBee的无线接地电阻检测系统针对当前防雷接地电阻检测存在的问题而设计，具有低成本、低功耗、网络化等特点，适用于传统方法无法测量的场所。最终将检测数据生成检测报告，实现对检测数据的监控分析和管理，提高了接地电阻检测工作的自动化程度。

[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] 严有琪，袁军，姜银方，等．关于接地电阻检测仪在实际应用中的研究．现代仪器，2012，18(6)：88-90．

[3] 杨仲江．防雷装置检测审核与验收．北京：气象出版社，2009：192-193．

[4] 李立伟，邹积岩．新型双钳口接地电阻在线测量仪．电力系统自动化，2003，27(14)：83-86．

[5] 潘宇倩．DDS频率合成器AD9850原理及应用．航天器工程，2007，16(5)：85-88．

[6] 唐慧强，王昱文．基于ZigBee和S3C2440的手持式校准仪研制．现代电子技术，2012，35(15)：43-45．

[7] 孙景瑞．从零开始学C#．北京：中国铁道出版社，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

国家重大仪器设备开发专项任务(2012YQ170003-5)

2014-01-06 收修改稿日期：2014-11-03

TH765

A

1002-1841(2015)02-0054-03

唐慧强(1965—)，博士，博士生导师，主要研究方向为智能仪器、物联网工程。 葛黎黎(1987—)，硕士研究生，主要研究方向为智能仪器与系统集成。