送变电市场前景范文

导语：如何才能写好一篇送变电市场前景，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

电子皮带秤产品作为一个工业现场常用的计量产品，用户群体庞大，焦化、水泥、电厂、矿山、冶炼、化工等行业都有很大的用量。市场前景广阔，它安装在输送机皮带下方，对输送机皮带上的散状物自动进行称量。

1 系统组成

电子皮带秤称重系统主要包含：1）称重传感器的秤架；2）测速传感器；3）具有算法软件计算机；4）称重放大变送器组成。如图1所示。

其中秤架一般由称重托辊、支撑臂、称重臂、横梁、称重传感器组成，支撑臂的一端铰接在输送机的机架上，成为支点，另一端与称重臂的一端垂直固定连接，称重臂的另一端与称重传感器一端垂直悬挂连接，称重传感器的另一端悬挂在横梁上，横梁固定在输送机的机架上，称重托辊垂直悬挂连接，称重传感器的另一端挂在横梁上，横梁固定在输送机的机架上，称重托辊垂直固定在称重臂的中部，直接接触运输皮带，物料的重量通过称重臂传递到传感器。秤架的作用时是通过称重传感器采集重量信号。

目前各生产厂家的电子皮带秤的放大器大部分是将压力传感器的0-20mv信号经放大后再传送到计量仪表中，这其中有的是将放大器与仪表做成一体，有的是将放大器与仪表分为两个部分。前一种方式决定了仪表只能放在现场，因为0-20mv信号太弱，无法进行远距离传输。后一种方式仪表可以不放在现场，但距离不能太远，因为如果距离远，电压传输过程中一方面会衰减，另一方面在复杂的现场环境中电压信号易受干扰。有的生产厂家采用西门子称重模块，此方式的缺点：一是，称重模块较贵；二是，称重模块是以通信方式将压力信号传送到仪表中，这也决定了称重模块与仪表之间的距离不能远，因为在工业现场中通信是最不可靠的。

在各个应用电子皮带秤的现场中，几乎见不到工控机直接采集多个电子皮带秤放大器信号，从而在工控机上直接进行计量控制的场景，基本上都是计算机与现场的仪表进行通信，从而使控制室的人员能够观察到现场的数据。其原因一是因为电子皮带秤应用较早，当时没有工控机，生产厂家便形成了固有的只靠仪表来采样计算的模式。但最根本的原因还是因为通常控制室离现场都较远，电压信号不适于远程传输。

2 原理及设计

皮带上运动物料的重量，通过称重传感器的重力测量，转换为对应的电信号。

皮带运行速度通过速度传感器进行跟踪测量，并输出对应的电脉冲信号。二次仪表部分对上述两种采集的信息进行运算处理，从而显示瞬时流量和累计总量。

皮带在匀速传送物料的情况下，在时间T内总输送量为：

W=q.v.T 公式1

式中：q——单位长度皮带上的物料重量（N.m）；

V——皮带传送速度（m/s）；

T——传送时间（s）。

事实上，皮带上的物料一般是不均匀的，皮带的速度也是波动的，因此T时间内的总输送量，应是瞬时输送量对时间的积分值。

物料按要求的配入量，经配料盘或电动机给到称量皮带机上，均匀铺在其上的物料经过称量区时，由称量托辊及称框作用于称重传感器上。当传感器承受质量时，由于弹性元件变形，使桥壁电阻失去平衡，桥路产生不平衡输出正比质量的毫伏信号，经毫伏变送器将信号放大并转换成0-20mV的电流信号，再经质量显示仪表及比例积分单元，分别指示出瞬时量和积累量。当实际下料量与给定值（再经电流表）发生偏差时，调节器给出偏差电流信号，经过转换电压信号，自动改变电磁调度异步电动机的转速，进而改变配料盘的工作转速；或者改变电磁振动器的工作电压，进而改变电磁振荡器的振幅，使下料量调到给定值，实行闭环自动调节。

为了能达到远距离传输，就需采用脉冲传输方式；为了保证计量精度，需提高频率；为了保证0-20mv信号放大后的稳定性，放大倍数还不能大。为了提高采样信号的稳定性，软件中每秒只采集五次信号值，将五次信号值求平均后再计算出相对应的脉冲数。惯常的做法是根据脉冲数计算出相应的脉冲周期，在单片机定时器中断内发出脉冲信号，但多数情况下单片机定时器无法实现所要求的周期性中断，因此在放大器的主程序中采用循环方式发出脉冲。放大器的CPU与仪表的CPU在时钟上必然存在微小的差异，鉴于此，采集脉冲的方案为仪表每计时一秒便会发出一个持续10ms的开关信号作为同步时钟，放大器接收到此信号后便会发出压力信号脉冲供仪表接收。放大器每次最多发送10922个脉冲，每个脉冲周期为80us，这就保证了放大器的CPU一秒之内必定能将所需要的脉冲个数全部发送完毕。

仪表内有多个参数，计算时需用到大量的单元，一般都采用外部数据存储器，但现场可能会有干扰，导致数据变化的事情也常发生。因此本仪表不用类似于6264之类的外部数据存储器，仪表的参数均存放在CPU的EEPROM中，开机后将参数读入CPU本身的内部扩展的AUX-RAM中，将动态保存的数据从外部的串行存储器也读入AUX-RAM中。由于所有数据的运算均在CPU本身的内部RAM或AUX-RAM中进行，所以数据极为安全可靠。

3 系统主要优点

3.1 放大器与仪表是分离的，放大器将压力信号转变成脉冲传输到仪表。由于是脉冲传输，所以仪表便可放置在远距离处，改变了传统电子皮带秤的仪表只能放在现场或离上料皮带较近之处的状况，突破了距离上的限制。

3.2 放大器上采用了ADCU834作为CPU，此CPU能采集压力传感器放大后的信号进行高精度的A/D转换。为了提高采样信号的稳定性，软件中每秒只采集五次信号值，将五次信号值求平均后再转换成相应的脉冲数。

3.3 放大器本身可接测速器，接近开关或旋转编码器及常用的两线制测速器均可（NPN型的或PNP型的均可，用跳线选择）。

3.4 仪表上所有数据的运算均在CPU本身的内部RAM或AUX-RAM中进行，数据极为安全可靠，不存在由于如使用片外存储器可能会受干扰或质量不好而引起数据变化的现象。

3.5 仪表的键盘膜没用传统的PVC膜，而是采用了线路板膜，使得按键的长期可靠性大大提高。

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供电电压自动测控系统技术方案和特点

监控模块根据接收到以CAN通讯卡传来的指令来控制电机的停止/启动，同时检测取芯仪供电电源的运行状态，并将电压、电流、温度、运行信息及故障信息等参数通过CAN通讯传给上位机进行处理和显示。电压一次侧由芯片3875发出的移相脉冲控制H桥的IGBT模块，正弦脉宽调制（SPWM）波由SPWM输出模块编程实现，并且实现电机软起动和软停车，驱动负载电机自适应等功能。方案结构（图略）。测控系统特点测控系统采用凌阳公司的16位高速微型计算机SPMC75F2413A为核心，CAN控制器采用MCP2515，CAN驱动器采用TI公司的低功耗串行CAN控制器SN65HVD1040D，通过CAN总线能够实时地检测和传递数据，实现数据通讯和共享，更能够实现多CPU之间的数据共享与互联互通，其它电子元件均选择150℃温度的等级。此外系统还设计有散热器、风扇等。该测控系统具有极高的高温可靠性，能够确保系统在高温环境下可靠工作，控制、检测、显示的实时性好，可靠性高。测控系统采用智能化控制算法软件来实现马达机的高性能运行，其具有效率高、损耗小、噪音小、动态响应快、运行平稳等特点。

硬件电路设计

CAN通信电路检测系统采用SPMC75F2413A凌阳单片机，不集成CAN外设模块，选择外部CAN模块控制器MCP2515，该模块支持CAN协议的CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0BPassive和CAN2.0BActive版本，是一个完整的CAN系统，直接连接到单片机的SPI总线上，构成串行CAN总线，省去了单片机I/O口资源，电路简单，适合高温工作。CAN通信电路原理图（图略）MCP2515输出只要加一个收发器就可以和上位PC机进行CAN通信，收发器采用TI公司生产的SH65HVD140D。电机温度检测电路该系统中供电电源温度的检测由温度传感器PT100来完成。PT100与高频变压器、供电电源散热器、高频电感发热器件的表面充分接触，当器件的温度变化时，PT100的阻值也随之变化，将温度传感器的阻值转换为电压信号，电压信号放大整形送给单片机，再由单片机计算出供电电源各发热点的实际温度。当温度过高，供电电源自动停止运行。同时实时将检测到的各发热点的温度通过CAN通讯发给上位PC机。输入直流电压检测电路检测电路（图略）。供电电源为多电压变化环节，前级变换为AC/DC，仪器要深入井下工作，交流高压从地面通过长达7000m的电缆线供给，直流阻抗（电阻）值约为240Ω，一般由两根电缆导线并联使用[5]。系统不工作时，电缆导线无电流，供电电压相对较高，电机电流约1.5A。系统运行时电缆中有电流，电缆线路就会有压降，电机电流会达到3A。由于采用了高频变压器，变比约18，当负载电流增加1.5A时，原边电流就增加约27A，如果重载，原边电流增加更多，就会拉垮输入电源。所以对输入的一次侧直流电压电流进行监控就非常必要，根据检测值来调整输入的直流高压[6]。检测电路采用的是差分电路采样直流电压，检测时，直流高压加到分压电阻的两端，通过分压电阻运放调理后输入到CPU。

软件设计

CAN通信协议系统CAN总线的节点流程图。上位机向监控模块发送指令帧，帧号为0x11，用来控制电机启停和SPWM输出。监控模块向上位机发送状态帧，帧号为0x21，用来反馈电机的状态信息。软件流程图监控模块根据上位机的指令控制电机的停止/启动，同时检测取芯器供电电源的运行状态，并将参数传给上位机进行显示。软件分为两大模块，主程序模块和定时器T1中断服务模块。主程序模块主要实现上电初始化功能、CAN通讯功能和定时器T1中断设置等功能；定时器T1中断程序模块实现电机参数采样及发送，并能根据CAN总线接收的指令控制输出参数。

实验结果

上述检测系统安装在井壁取芯仪上得以成功实现运行。将安装有检测控制系统的井壁取芯仪整体放在恒温箱里面做加温运行带载实验，恒温箱145℃恒定不变，连续运行24h，每隔0.5h使电机带载运行10min，即电机憋压运行。同时改变电机的给定转速（从500r/m到3000r/m），观测测量的电机实际运行速度稳定，又根据电机的带载运行调整输入直流高温。检测控制系统经高温24h连续运行，电机在空载和带载时能够可靠运行，满足要求。（a）（b）（c）是实验时测得的CAN总线数据帧。（a）为CAN总线数据一帧的数据波形，由10个字节组成。为测控系统CAN总线数据帧发送接收，每隔120ms传送一帧数据。

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关键词：无功补偿；节能；前景效益

中图分类号：G718 文献标识码：B 文章编号：1672-1578（2014）05-0290-02

1.无功补偿的作用

交流电在通过纯电阻性负载的时候，电能都转换成了热能，而在通过纯容性或者纯感性负载的时候，并不做功。也就是说没有消耗电能，即为无功功率。当然实际负载，不可能为纯容性负载或者纯感性负载，一般都是混合性负载，这样电流在通过它们的时候，就有部分电能不做功，就是无功功率，此时的功率因数小于1，为了提高电能的利用率，就要进行无功补偿。

电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端的电压有一个相位差，这在相当宽的范围内实现；而为输送无功功率，则要求两端电压有一个幅值差，只能在很窄的范围内实现。不仅大多数网络元件需要消耗无功功率，大多数的负载也需要消耗无功功率。网络元件和负载所需要的无功功率必须从电力网络中某个地方获得。这些无功功率如果都要由发电机提供并经长距离输送是不合理的也是不可能的。合理的方法是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补偿。

无功补偿的主要作用如下：

（1）提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。能够对动态无功负荷的功率因素进行校正。

（2）稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。

（3）减少谐波。

（4）减少电压波动。

（5）增大系统的稳定极的范围。

（6）对电压崩溃起抑制作用。

（7）提高系统的三相平衡化。

2.无功功率补偿原理

对于无功功率进行快速的动态补偿，可以实现以下功能：

（1）对动态无功负荷的功率因数进行校正；

（2）改善电压的调整；

（3）提高电力系统静态和动态稳定性；

（4）降低过电压；

（5）减小电压和电流的不平衡。

这些功能有些属于对负载的补偿（称为：负载补偿）；有些则是以整个电力网性能的改善和输电能力的提高为目标（称为：输电补偿）。而改善电压的调整，提高电压的稳定性，则是它们共同的目标。

图1.1（b）表示出了进行动态无功功率补偿，并使系统工作点保持在 = =常数的情形。当 =0时，即图中C点时，实现了功率因数的完全补偿。可见提高功率因数的功能是改善电压调整率的特例。

3.煤矿供配电系统无功补偿的应用

无功补偿可以提高功率因数，是一项收效快、投资少的降损节能措施。常见的无功补偿方式包括：集中补偿：在高低压配电线路中安装并联电容器组；单台电动机就地补偿：在单台电动机处安装并联电容器等；分散补偿：在配电变压器低压侧和用户车间配电屏安装并联补偿电容器。

矿井通常采用集中补偿与分散补偿相结合的补偿方式，以实现电压的调整、减小电压和电流的不平衡。因为煤矿生产具有特殊性，随着煤矿的开采，巷道的掘进，井下的供电线路较地面相对复杂。所以不能就地分散对井下的主要负荷进行无功补偿，因此一般在矿井地面变电站主变母线上设置并联电容器对主要负荷进行补偿。在井下中央变电所或采掘工作面移变作分散补偿。地面其他负荷也可采用就地分散补偿的方式。以降损为主要目的，坚持节能减少用电成本的原则，为企业争取更大的效益。

虽然无功补偿有很多的优点但是在确定无功补偿容量时还应注意，在轻负荷时要避免过补偿，倒送无功造成功率损耗增加，也是不经济的；功率因数越高，每千乏补偿容量减少损耗的作用将变小，通常情况下，将功率因数提高到0.95就是合理补偿。

4.无功补偿在煤矿供配电系统中的市场前景

采用无功补偿前，供电系统存在大量无功负荷，产生的大量无功电流导致电缆、变压器、开关、电机等器件绝缘下降加快，进而引发漏电、短路故障。由于电压增大，造成电机无法启动，进而烧毁电机、开关，影响生产。采用无功补偿后，减少了无功电流从而减少了无功功率，从而提高了供电系统设备的容量的利用率。补偿后无功功率减少，系统中的电压、电流相对变化幅度较小，能起到稳定电压的作用。另外，动态无功补偿装置通常具有抑制谐波，使供电系统的其他设备免遭谐波威胁的作用，增强供电系统的安全可靠性；并且提高了供电的质量，减少了负荷，响应国家节能减排的号召，使企业走上一条低碳环保可持续发展的道路。

所以采用无功补偿技术对煤矿供电具有重要的意义。

虽然无功补偿技术在我国的大部分煤矿中还没有得到广泛的应用，但是无功补偿对于企业的发展前景是非常广阔的，随着无功补偿技术的发展以及人员素质的提高相信在未来一定能得到更好的推广。

参考文献

[1] 王方雄.矿山提升系统高压无功补偿的应用[J].有色冶金设计与研究， 2008，29（2）：18-20.

[2] 汪祖功.浅谈工矿企业电力系统无功补偿[J].民营科技， 2010，（5）.

[3] 王合贞.高压并联电容器无功补偿实用技术[M].北京：中国电力出版社， 2006，（9）：16-18.

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【关键词】电子围栏；脉冲；监控系统

1.引言

随着无线局安全传输发射工作的地位、性质、任务、作用的不断提高，安全防范、企事业单位安全越来越凸现其极端重要性。我们过去采取的安防措施主要是建设围墙，进而安装了摄像监控系统，这些措施的实施都起到一定的防范作用，但是，却存在一定缺陷。利用围墙防范，入侵者照样可以越墙来达到其目的，摄像监控系统只能监控而不能阻挡，而且还存在盲区，如果加装远红外系统会由于动物、静电等外界因素产生干扰而发生误报警，特别是夜间监控效果更不理想。鉴于以上原因，脉冲电子围栏安防综合监控系统应运而生。

2.工作原理

脉冲电子围栏安防综合监控系统由本地电子围栏系统和远程监控系统构成。

2.1 电子围栏系统

电子围栏系统主要由电子围栏能量控制器（脉冲主机）和带电脉冲的电子缆线组成，能量控制器的发射端可以产生高压脉冲或低压脉冲，此脉冲经过缆线传到前端围墙的电子围栏上。电子围栏根据安全防范的要求及围墙和周边建筑、环境、地形等情况，在现有的围墙上安装由电子缆线组成的脉冲电子围栏，一般两根电子缆线的间隔为15cm至20cm，围栏总高度为60cm到80cm，可有效实现阻挡。

前端电子围栏上接收到能量控制器发出的电脉冲形成回路后，把脉冲回传到控制器的接收端，电子缆线产生的非致命脉冲电压能有效阻挡入侵者非法入侵。入侵者越墙碰触或剪断电子缆线时，能量控制器都会立刻实施声、光报警，并把入侵信号发送到安全监控系统值班室，即远程监控系统。为了鉴别发生报警的区域，根据实际需要可随意设置防范区域，并将各区域进行编号、命名，发现哪个防区发生报警，立刻实施本防区的防范。电子围栏原理图如图1所示。

2.2 远程监控系统

远程监控系统具有通用性，主要由计算机、硬盘录像机、视频光端机、监视器、控制桌、接口模块等组成。硬盘录像机功能强大，可实现视频输出监看、录像、多路回放、多工处理、传感器/报警、摄像机云台镜头控制、硬盘空间管理和数据备份、网络功能等，不仅实现传统意义上图像监控、语音监控，还能实现数据量的遥测、遥信。独特的分布式技术和多级网络拓扑结构，适合大规模应用，进而提高了系统可靠性、安全性，可对整个系统进行有效管理。具体描述如下：

2.2.1 预览模式图像

监控可设置为：1画面、4画面、9画面、16画面等；图像未经压缩，因此监控画面完全无滞后，无拖尾，不失真。

2.2.2 录像支持

最大200帧/秒的录像；录像方式：循环被盖记录或非循环记录（硬盘满报警）；录像模式：系统可设置常年录像、定时录像，手动录像，报警触发录像，动态感知录像；回放模式：多路回放（通过本地的监视器或VGA接口显示设备），支持时间定位回放，有快放、慢放、倒放、暂停、单帧等回放模式；回放和预览可以同时进行。

2.2.3 视频输出方式

监视器及VGA接口的显示设备，显示模式有1路/4路/9路/16路等；使用遥控器和控制面板，可实现多画面任意分割显示或轮流切换显示、单画面手动或自动切换显示、重点画面固定显示、动态感知和报警画面自动切换显示，数字矩阵功能大大节省投资造价。

2.2.4 多工处理

可同时进行监控、录像、回放、备份、远程同步监控、远程回放、远程下载，多任务并发处理。

2.2.5 传感器/报警功能

可连接多路报警输入和多路报警输出；开关量、异常、移动侦测报警联动输出。

2.2.6 云台镜头控制

通过RS-232端口连接云台解码器或快球，可用遥控器、专用键盘或在网络上进行云台、光圈、变焦、聚焦等控制，控制速度可调整。

2.2.7 硬盘空间管理和数据备份

可以接八个IDE硬盘，被支持的每个IDE硬盘的容量可达2000GB，或为非循环记录（硬盘满报警）。为了对前端电子围栏周边环境及警情进行监控，根据实际情况沿围栏合理设置摄像机。配制摄像机要具备预设位功能，平时摄像机可以监看围栏周边的整个情况，一旦有情况报警，摄像机立刻调整到预设位进行最佳状态的跟踪监看。夜间可以加装远红外灯，也可加装射灯，射灯可以设置为平时处于关闭状态，一旦有情况时立刻跟踪打开，确保晚上有情况时有效监控并及时录像。

3.脉冲电子围栏综合安防监控

电子围栏能量控制器输出的数个防区报警信息通过光缆、光端设备或屏蔽电缆，直接与安防监控中心的网络硬盘录像机报警输入端子Dl连接。电子围栏能量控制器（主机）收到前端探测器的报警信息后，在本地发出声光报警信号，开启现场灯光，同时将报警信号输出到安防监控中心的网络硬盘录像机，主控室发出声光报警信号，提醒值班人员及时处理。同时发出控制信号，控制相关联的摄像机自动转动到预定位置进行有效监控，启动录像，立刻监控现场的情况，从而，实现阻挡、报警、视频监控联动的综合效应。

4.系统特点

（l）系统采用了先进的“阻挡为主，报警、 监控为辅”，的周界安防理念，带有高压脉冲电的前端围栏给入侵者极大的威慑感阻挡，有形围栏给入侵者设置了很多障碍，5000V～8000V电子缆线产生的脉冲电压能有效阻挡入侵者，主动对入侵企图作出反击，延迟入侵时间，并不伤害人的生命，并且在围栏上设有明显的警示标志。如强行入侵，则系统自动发出声、光报警，并可以与其他安防系统联动（如：防盗报警主机、视频监控系统、110报警等）。

（2）误报率极低。系统报警原理先进，克服了传统的红外、微波、静电感应等技术的缺陷，报等基本不受气候、地形、树木、小动物等影响，能维持最高报警值。

（3）无盲区、无死角。前端围栏是有形的围栏，可以随着地形高低起伏任意架设。

（4）安全可靠。与传统电网相比，从脉冲主机传出的高压脉冲能量非常小，电流为60mA，频率低（60次/分，占空比1/10），有人一旦触碰，犹如电棍触击，不会造成生命伤害。一旦系统短路或断路时，监控器及时发出报警信号。安全可靠的依据描述：电流通过人体会引起麻感、针刺感、疼痛、心颤动等症状，心室颤动是小电流电击使人致命最多见和最危险的原因，人体遭电击引起心室颇动受电流持续时间、电流途径等因素影响，依据国家安全工程师手册）中50hz～100hz交流电流对人体作用的标准规定，当通过人体电流持续时间超过心脏搏动周期时，人的心室颇动电流约为50mA，当电流持续时间短于心脏搏动周期时，人的心室颤动电流约为数百mA，当通过人体的电流大于10mA时，根据人的生理特征会自动摆脱带电体，而本脉冲发生器的输出电流是占空比为1/10的60mA脉冲电流，电流持续时间为100ms，可见遭电击后电流持续时间不可能超过人体脉动周期，因此不会造成生命伤害。

（5）设置灵活。重点部位可以设摄像机监控，其它部位仅设报警，如果过去安装了监控系统，可以有效的加以利用，经过局部调整将原监控系统和电子围栏系统有机的实现联动，能节约大量资金。

参考文献

[1]严天峰.基于数字信号处理的感应式电子围栏系统设计[J].自动化与仪器仪表，2009（02）.

[2]王庆纲，阮永华，张磊.对上海世博会安防系统的应用研究[J].交通与运输，2009（02）.

[3]汪煜.电子围栏入侵报警防护技术的解析与应用[J].中国安防，2009（07）.

[4]张建国，曹银杰.智能化电子围栏系统的设计研究[J].科技信息，2009（35）.

[5]姜仕庆.电子围栏周界防范报警系统设计方案[J].数字社区&智能家居，2007（02）.

[6]樊治敏.一种新型周界防入侵报警设施——张力式电子围栏[J].智能建筑与城市信息，2007（11）.

[7]周亮，蔡君辉.拉力式周界防范电子围栏报警系统解决方案[J].中国公共安全（市场版），2007（12）.

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针对目前水产养殖监测成本高、精度低、灵活性差等问题,设计了能够自动监测水产养殖环境中pH值、溶解氧、温度等参数的智能系统。基于最小二乘法与能斯特方程对pH电极的输出响应电压的线性回归模型进行了研究，基于最小二乘法与扩散电流公式建立了溶解氧电极的输出响应电压的线性回归模型，分析了两者之间的关系。通过验证，采用最小二乘法对电极标定后，pH值、溶解氧、温度等参数的相对测量误差在0.5%、1.85%、1.3%以内，可以满足水产养殖环境监测的要求，具有较好的市场前景和推广价值。

关键词：

水产养殖；传感器；最小二乘法；无线传感网络

随着科技的发展，尤其是传感技术的发展，水产养殖已经由原来的粗养转变为了精养，甚至工业化高密度养殖的方式[1]。而伴随着水产养殖品种的进一步细分，日益严重的水污染和鱼病多发问题[2]，急需一种能够更精确、方便的监测水产养殖环境的监测系统，从而能更快捷的了解水质中的pH值、溶解氧、温度等参数的变化，以便能及时采取有效措施，保证水质的安全、可靠。目前水产养殖环境的监测系统仍然是基于传感器对数据的采集，然后通过网络传输数据。伴随着使用年限的增加，传感器的精度在逐渐降低。因此，本文通过建立传感器输出电压的线性回归模型，计算出相关的标定公式，可以很好地反映传感器的输出电压与温度、酸碱度之间的函数关系，减小或避免因使用年限增加导致的精度下降问题。

1系统总体框架设计

系统主要由无线传感器节点[3]、路由节点、协调节点、监控中心等模块组成。系统的无线传感器网络采用ZigBee技术实现[4-5]。无线传感器节点和路由节点用于检测水产养殖环境的参数；协调节点部署在监测中心，通过RS232串口与本地监控中心连接。GPRS模块从协调节点读到数据后，采用无线方式发送到位于Internet远端的数据中心，同时如果接收到的数据为异常数据，还可以给监控人员发送短信报警。用户从远程接入到Internet后，连接到数据中心，就可以进行远程监控。

2无线传感器节点硬件设计

无线传感器节点负责采集水产养殖环境中的pH值、溶解氧、温度等参数，并将数据发送至路由节点。无线传感器节点由传感器模块、信号调理模块、A/D转换模块、数据处理模块、无线收发模块、电源模块构成，其结构如图1所示。采用CC2530为微处理器，能支持7到12位的多通道A/D转换模块；并且内置了不同的运行方式，可以适应低功耗要求的系统。

2.1pH值传感器调理电路

pH值传感器调理电路如图2所示。采用H-101型pH电极，由于该电极输出为毫伏级电压，且电极输出阻抗达到200MΩ[8]，因此U1单元选用阻抗较高的静电计级运算放大器OPA128，而其余的单元选用价格低廉的运算放大器OPA277。U1单元为电压跟随器，去除前后级电路之间的干扰。U2单元通过调节Rs使电压变化，通过10nF的电容与第1级输出相连，使电极输出提升至正电压。U3单元将电压进行滤波放大，使之输出1.6V～2.9V之间的电压信号。图2pH值传感器调理电路

2.2溶解氧传感器调理电路采用DO-957型极谱式溶解氧电极，该电极间充以KCL电解液，且阴极与阳极间达到0.7V的极化电压后[9]才会正常工作。溶解氧调理电路如图3所示。第1级是电压跟随器，调节可变电阻Rs产生0.7V的输出电压，第2级将阴极通过U2连接到地电位，使两电极之间产生0.7V左右的压差，达到发生电化学反应的条件，并在此级电路中将电极的输出电流转变为电压。第3级是滤波放大电路，将输出电压调节到标准电压范围。

2.3温度传感器调理电路温度传感器调理电路如图4所示，采用PT100温度传感器。电路采用±5V供电，利用R1、R2、Rs1和PT100构成惠斯通电桥。当PT100的电阻值与Rs的电阻值不相等时，电桥输出压差信号，经过放大电路后输出0-3V以内的电压。

3传感器线性回归模型建立

3.1pH值传感器线性回归模型建立pH电极之间的电压遵循能斯特（NERNST）公式。为了确保pH值传感器的精度，分别用pH值为4.01、6.86、9.46的标准缓冲液进行试验。试验方法如下：分别将三种不同pH值的标准缓冲液降温至0℃，利用恒温试验箱控制，将标准缓冲液逐步加热到40℃，温度每升高1℃，记录一次数据。根据4.01、6.86、9.46的标准缓冲液的输出电压，利用最大似然估计和最小二乘法计算出B和M。利用pH标准测试仪对测试的结果进行检测，结果如图5所示。图中的测试曲线为根据公式6拟合后的曲线，标准曲线为pH测试仪的输出曲线。通过比对，拟合后的曲线与标准曲线的相对误差均在1.00%以内，测量的精度完全满足水产养殖环境采集的要求。

3.2溶解氧传感器线性回归模型建立溶解氧传感器通过电化学反应所产生的扩散电流可用下式表示。上式中n、F、A、L为常数，而透氧膜扩散系数D随着温度的增加而逐渐减小。为了确保溶解氧传感器的精确度，需要建立溶解氧传感器的温度模型。将上式简化，并代入（2）式中。溶解氧浓度Cs是和大气压、温度相关的参数，根据当地的大气压（由于本试验是在甘肃省某鲑鳟鱼养殖基地进行测试的，当地大气压为78.2KPa）查表得到0-40℃的水中饱和溶解氧的浓度值。具体试验方法：首先使用亚硫酸钠做无氧溶液，对溶解氧传感器进行零点标定，记录溶解氧调理电路的输出电压[11]。然后取蒸馏水，向其中加氧，使之达到饱和。将蒸馏水先恒温至0℃，再控制恒温试验箱，逐步将蒸馏水加热到40℃，同时保证水中溶解氧浓度为饱和状态。温度每升高1℃，记录一次溶解氧调理电路的输出电压Vout，试验进行3次，取3次的平均值电压。

4软件设计

4.1无线传感器节点软件设计无线传感器节点是整个系统中最重要的基本单元，负责采集水质数据并将其发送给协调节点。本系统软件设计选用IAREmbeddedWorkbench开发环境[12-13]。无线传感器节点在启动后首先会进行自检。自检完成后，申请加入网络。如果成功，自动进入低功耗模式，等待采集指令。当收到采集指令后，启动各个传感器的数据采集，采集完成后，数据经由路由节点发送到协调节点。在所有的数据发送出去以后，无线传感器节点自动进入休眠状态，以减少能源损耗。无线传感器节点程序流程如图7所示。

4.2上位机监控软件设计监控软件采用Labview程序开发环境[14]。上位机监控软件通过RS232串口与协调节点相连，可以实现对pH值、溶解氧、温度、浊度等环境因子的监测，并以曲线和图表的方式表现，使监控人员对环境因子的变化有直观的掌握。当启动报警阈值时，在超出阈值后，系统会发出警报。

5系统测试

5.1无线网络测试两个节点间的距离从25米一直增加到150米。当节点间距离小于75米时，平均丢包率低于1.35%。实际运行中，节点之间距离不超过60米，因此设计的水产养殖环境监测系统达到了实际运用的目的。

5.2参数采集测试（1）在实验室内对各个传感器的测量值进行了误差分析；分别用标准溶液对pH值传感器、溶解氧传感器进行校准，以消除偏差。通过比较标准值和传感器采集到的数据来测试各个传感器的相对误差。结果表明，本系统pH值传感器、溶解氧传感器、温度传感器的测量值与标准值的相对误差分别在0.5%、1.85%、1.3%以内。测量的精度完全满足水产养殖环境监测的要求。（2）在水产养殖环境进行了现场测试。在海拔2100米的现场对pH值、温度、溶解氧等参数进行了测试。结果如表1所示。水源为冷泉水，流量为0.8m3/s，水温周年变化为6-17℃。在为期3个月的测试中，系统运行稳定，数据采集正常，精度也达到了预期目标，满足了实际测试的需要。

6结论

本文设计了一种基于无线传感网络的水产养殖环境监测系统。利用无线传感网络技术将pH值、溶解氧、温度等参数实时地传送到监控中心，实现水产养殖环境的本地监测；使用GPRS模块接入Internet网络，从而实现了远程监控。通过建立传感器的线性回归模型，使采集到的数据更加精确。试验结果表明，pH值、溶解氧、温度参数的相对测量误差在0.5%、1.85%、1.3%以内，测量的精度完全满足了水产养殖环境采集的要求。

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