CN112180182A - 基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统 - Google Patents

Abstract

一种基于Wi‑Fi通信的工频电场测量系统，包括工频电场探头、电源、信号调理电路、处理器、Wi‑Fi通信模块、云服务器或带有Wi‑Fi功能的移动设备，所述的电源分别与所述的信号调理电路、处理器和Wi‑Fi通信模块相连接，所述的工频电场探头的输出端与所述的信号调理电路的输入端相连，所述的处理器通过I/O口采集所述的信号调理电路输出的数据，进行处理并通过Wi‑Fi通信模块与云服务器或者带有Wi‑Fi功能的移动设备相连接。本发明可避免因测量人员离测量点太近而带来的电场畸变影响；可以将采集的工频电场数据直接上传至云服务器，供后台工作人员进行实时监测和分析，实现人机分离以及数据的不间断监测。

Description

基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统

技术领域

本发明涉及电气测量领域，具体是一种基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统。

背景技术

电场测量在工程研究中有着广泛的应用，在航天、医疗、电力、生物等领域都是不可或缺的。在电力行业中，准确测量各种电力设备如高压输电线路、变电站等周围的工频电场强度对电力设备的制造、规划设计以及安全运行都有着重要的意义。在电力设施建成后，其附近的工频电场强度是环保验收的重要指标之一，因此准确测量输电设施周围的工频电场强度十分有必要。

电场测量技术目前主要分两大类：电学测量技术和光学测量技术。光学测量技术主要利用逆压电效应或电光效应。在测量幅值小、频率高的电场时，其精度较高。然而光学系统较为复杂，受温度影响较大，不适合推广。与之对比，电场的电学测量方法具有结构简单，成本较低的特点。其基本原理为，处于电场中的导体表面会产生感应电荷，根据电场频率的不同，设计不同的取样电路，将感应电荷转换为与电场强度相对应的电压信号。

目前市场上的电场测量仪大多采用电学测量方法。由于电场十分容易畸变，因此测量电场时，测量人员必须远离测量点，以免引起较大的误差。为此市面上的电场测量仪都选择用光纤作为数据的传输介质。然而光纤系统结构复杂，成本较高，测量时测量人员手持的终端与探头间连着光纤，无法实现人机分离，给测量带来不便。

发明内容

本发明提出一种基于Wi-Fi通信的工频电场的测量系统，其目的在于，解决目前市面上均采用光纤作为数据传输的电场测量装置所带来的电场测量系统结构复杂、成本较高，以及无法实现人机分离等问题。本发明可以实现电场测量数据的无线传输，同时还能将电场数据直接上传至云服务器，供后台工作人员实时监测以及处理，实现人机分离以及数据的不间断监测。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统，其测量数据可通过Wi-Fi通信实时上传至云服务器，也可在带有Wi-Fi功能的移动设备中进行显示。装置包括以下部分：工频电场探头；电源；信号调理电路；处理器；Wi-Fi通信模块；云服务器或带有Wi-Fi功能的移动设备。其中工频电场探头作为传感器。信号调理电路包括差分放大电路、有源滤波电路、AC-DC转换电路。差分放大电路用于放大探头两端输出的电压信号，同时用于抑制共模干扰；有源滤波电路用于对信号进行滤波，滤除中高频分量；AC-DC转换电路用于将测得的交流信号转化为等于其有效值的直流信号，便于后续AD转换。电源为信号调理电路、处理器以及Wi-Fi通信模块供电，其中还包含电源低压报警电路。处理器用于数据采集，AD转换以及后续数据处理，便于后续数据通信。电源与信号调理电路、处理器和Wi-Fi通信模块相连接，工频电场探头连接于信号调理电路，处理器通过I/O口采集调理电路输出的数据进行AD转换并通过Wi-Fi通信模块与云服务器或者带有Wi-Fi功能的移动设备相连接。

进一步的，所述工频电场探头采用方形三维电场探头。采用6块方形紫铜作为3维探头的6块极板，采用固体绝缘材料作为极板之间的绝缘与支撑。每一维的2块极板分别与之间采用一个聚丙烯电容的两端相连接，聚丙烯电容两端的电位差通过屏蔽线引出，供后续信号调理电路处理。

进一步的，所述信号调理电路包括差分放大电路、有源滤波电路、AC-DC转换电路。其中差分放大电路采用INA128芯片，在放大微弱电压信号的同时有效地抑制共模干扰；有源滤波电路采用LM324芯片作为运放构成四阶巴特沃思低通滤波器，滤除信号中的中高频干扰；AC-DC转换电路采用AD736芯片，将交流信号转化为等于其有效值的直流信号，便于后续数据的采集及AD转换。

进一步的，所述电源采用2节9V电池，通过LM7805、LM7905芯片产生±5V电压供信号调理电路、处理器以及Wi-Fi通信模块使用。

进一步的，所述电源低压报警电路采用LM358芯片作为电压比较器，当电源电压低于某一给定数值时，LED灯闪烁，提醒供电不足。

进一步的，所述处理器采用基于ARM Cortex-M4内核的CC3200应用MCU，其包含的外设ADC通过采样AC-DC转换电路输出的信号供处理器进行处理。

进一步的，所述Wi-Fi通信模块采用CC3100Wi-Fi网络处理器。

进一步的，所述基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统可以作为热点发出Wi-Fi信号，带有Wi-Fi功能的移动设备可通过Wi-Fi与之相连，并获取其采集的工频电场数据。所述基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统也可通过Wi-Fi连接外部无线网络，并将采集的工频电场数据直接上传至云服务器。

本发明的有益效果是：

本发明采用Wi-Fi无线连接方式实现工频电场测量数据的传输，可避免因测量人员离测量点太近而带来的电场畸变影响。现场测量人员可以通过带有Wi-Fi功能的移动设备获取工频电场测量值。此外，该装置可以将采集的工频电场数据直接上传至云服务器，供后台工作人员进行实时监测和分析，实现人机分离以及数据的不间断监测。

附图说明

图1是本发明基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统的结构框图；

图2是工频电场探头的外形示意图；

图3是信号调理电路的电路图；

图4是电源的电路图；

图5是电源低压报警电路的电路图；

图6是处理器与Wi-Fi通信模块硬件框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图1所示，本发明为一种基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统，其测量数据可通过Wi-Fi通信直接上传至云服务器，也可在带有Wi-Fi功能的移动设备中进行显示。系统包括以下部分：工频电场探头1、电源2、信号调理电路3、处理器4、Wi-Fi通信模块5、云服务器或带有Wi-Fi功能的移动设备6。其中工频电场探头作为传感器。信号调理电路包括差分放大电路8、有源滤波电路9和AC-DC转换电路10。差分放大电路用于放大探头两端输出的电压信号，同时用于抑制共模干扰；有源滤波电路用于对信号进行滤波，滤除中高频分量；AC-DC转换电路用于将测得的交流信号转化为等于其有效值的直流信号，便于后续ADC处理。电源2为信号调理电路、处理器以及Wi-Fi通信模块供电，其中还包含电源低压报警电路7。处理器用于数据采集、AD转换以及后续数据处理，便于后续数据通信。电源与信号调理电路、处理器和Wi-Fi通信模块相连接，工频电场探头连接于信号调理电路，处理器通过I/O口采集调理电路输出的数据进行AD转换并通过Wi-Fi通信模块与云服务器或者带有Wi-Fi功能的移动设备相连接。

工频电场探头：

本实施例中的工频电场探头采用方形三维电场探头。采用六块方形紫铜作为三维探头的六块极板11。六块极板两两相对，分别用于测量电场X、Y、Z轴的三个分量。采用光敏树脂作为极板之间的绝缘与支撑13。每一维的二块极板12之间接50nF聚丙烯电容，聚丙烯电容两端的电位差通过屏蔽线引出，供后续信号调理电路处理，如图2所示。

信号调理电路：

信号调理电路的电路如图3所示。其由3部分组成：差分放大电路8、有源滤波电路9、AC-DC转换电路10。差分放大电路连接于探头所引出的屏蔽线，差分放大电路的输出与有源滤波电路的输入相连，有源滤波电路的输出与AC-DC转换电路的输入相连，AC-DC转换电路的输出信号供处理器处理。

所述的差分放大电路采用INA128，INA128是低功耗高精度的通用仪表放大器。IN+和IN-两端分别与探头的两根引出线相连接，作为信号调理电路的输入信号。R12和R13为限流电阻，本实施例中R12＝R13＝10kΩ。R11决定了差分放大电路的放大倍数G，

R11可根据需要调节，本实施例中未接R11电阻，即放大倍数设置为1。本电路除了能放大电压信号之外，还能抑制共模干扰。

本实施例中，滤波电路采用LM324中的两路运放构成4阶巴特沃思有源低通滤波器。滤波器的拓扑结构设计为Sallen-key结构。其特点是高输入阻抗、增益容易被配置、运放被配置为电压跟随模式。因此LM324的1、7号引脚分别与2、6号引脚相连，构成电压跟随器。R21、R22、R23、R24和C21、C23构成两个二阶低通滤波器，其中R21＝8.2kΩ，R22＝22kΩ，R23＝2.7kΩ，R24＝10kΩ，C21＝150nF，C22＝C24＝100nF，C23＝1μF。

AC-DC转换电路采用AD736。滤波电路的输出信号为交流信号，与AD736的2号引脚相连。AD736的6号引脚输出直流信号，其值等于输入交流信号的有效值。其中C31为平均电容，C31＝33μF，C32为输出滤波电容，C32＝10μF。AC-DC转换电路输出的直流信号直接输入处理器进行AD转换。

电源：

本实施例中电源采用2节9V电池，通过LM7805、LM7905芯片产生±5V电压供信号调理电路、处理器以及Wi-Fi通信模块使用。其电路如图4所示。其中C1、C2、C5、C6用于稳定LM7805和LM7905内部放大器的工作状态，C1＝C5＝0.33μF，C2＝C6＝0.1μF；C3与C7为输出端滤波电容，C3＝C7＝2200μF。

电源中还包括了电源低压报警电路，如图5所示。其采用LM358芯片作为电压比较器，当电源电压低于某一给定数值时，LED灯闪烁，提醒供电不足。本实施例中稳压二极管D1为LM358的3号引脚提供稳定的参考电位3.3V，2号引脚接20kΩ滑动变阻器R3，通过调节R3的阻值确定门限电压。当3号引脚电压高于2号引脚电压时，比较器1号引脚输出高电平等于电源电压；当3号引脚电压低于2号引脚电压时，1号引脚输出低电平等于0V。1号引脚的输出经电阻R2＝6.2kΩ驱动三极管Q1放大驱动电流后流经LED1，使LED1发光或不发光，R4＝1kΩ为限流电阻。

处理器与Wi-Fi通信模块：

图6为处理器与Wi-Fi通信模块的框图。处理器采用基于ARM Cortex-M4内核的CC3200应用MCU，其包含GPIO、SPI、ADC等多种外设。ADC通过采样AC-DC转换电路输出的信号供处理器进行处理。Wi-Fi通信模块采用CC3100Wi-Fi网络处理器。

本实施例按本发明方法实现了基于Wi-Fi通信的工频电场测量，带有Wi-Fi功能的移动设备可通过Wi-Fi与之相连，并获取其采集的工频电场数据。实现的基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统也可通过Wi-Fi连接外部无线网络，采集的电场数据也可直接上传至云服务器，实现人机分离和数据不间断监测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统，其特征在于，包括工频电场探头、电源、信号调理电路、处理器、Wi-Fi通信模块、云服务器或带有Wi-Fi功能的移动设备，所述的电源分别与所述的信号调理电路、处理器和Wi-Fi通信模块相连接，所述的工频电场探头的输出端与所述的信号调理电路的输入端相连，所述的处理器通过I/O口采集所述的信号调理电路输出的数据，进行处理并通过Wi-Fi通信模块与云服务器或者带有Wi-Fi功能的移动设备相连接。

2.根据权利要求1所述的基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统，其特征在于：所述工频电场探头由六块方形紫铜片作为六块极板，六块极板两两相对，固体绝缘材料作为各个极板之间的绝缘与支撑，每一维的两块极板分别与一个聚丙烯电容的两端相连接，聚丙烯电容两端的电位差通过屏蔽线引出。

3.根据权利要求1所述的基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统，其特征在于：所述信号调理电路包括差分放大电路、有源滤波电路和AC-DC转换电路；差分放大电路连接于探头所引出的屏蔽线，差分放大电路的输出与有源滤波电路的输入相连，有源滤波电路的输出与AC-DC转换电路的输入相连，AC-DC转换电路的输出信号供处理器处理；

所述的差分放大电路，用于放大所述工频电场探头两端输出的电压信号，同时抑制共模干扰；所述的有源滤波电路，用于对信号进行滤波，滤除中高频分量；AC-DC转换电路，用于将测得的交流信号转化为等于其有效值的直流信号。

4.根据权利要求3所述的基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统，其特征在于：所述的差分放大电路采用INA128芯片，所述的有源滤波电路采用LM324芯片作为运放构成四阶巴特沃思低通滤波器，所述的AC-DC转换电路采用AD736芯片。

5.根据权利要求1所述的基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统，其特征在于：所述的电源包含电源低压报警电路。

6.根据权利要求5所述的基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统，其特征在于：所述电源低压报警电路采用LM358芯片作为电压比较器，当电源电压低于某一给定数值时，LED灯闪烁。

7.根据权利要求1或5所述的基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统，其特征在于：所述的电源采用2节9V电池，通过LM7805、LM7905芯片产生±5V电压供信号调理电路以及处理器使用。

8.根据权利要求1所述的基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统，其特征在于，所述的处理器用于数据采集、AD转换以及数据处理。

9.根据权利要求8所述的基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统，其特征在于：所述处理器采用基于ARM Cortex-M4内核的CC3200应用MCU。

10.根据权利要求1-9任一所述的基于Wi-Fi通信的工频电场测量系统，其特征在于：所述Wi-Fi通信模块采用CC3100 Wi-Fi网络处理器。

Images