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電子皮帶秤產品作為一個工業現場常用的計量產品，用戶群體龐大，焦化、水泥、電廠、礦山、冶煉、化工等行業都有很大的用量。市場前景廣闊，它安裝在輸送機皮帶下方，對輸送機皮帶上的散狀物自動進行稱量。

1 系統組成

電子皮帶秤稱重系統主要包含：1）稱重傳感器的秤架；2）測速傳感器；3）具有算法軟件計算機；4）稱重放大變送器組成。如圖1所示。

其中秤架一般由稱重托輥、支撐臂、稱重臂、橫梁、稱重傳感器組成，支撐臂的一端鉸接在輸送機的機架上，成為支點，另一端與稱重臂的一端垂直固定連接，稱重臂的另一端與稱重傳感器一端垂直懸掛連接，稱重傳感器的另一端懸掛在橫梁上，橫梁固定在輸送機的機架上，稱重托輥垂直懸掛連接，稱重傳感器的另一端掛在橫梁上，橫梁固定在輸送機的機架上，稱重托輥垂直固定在稱重臂的中部，直接接觸運輸皮帶，物料的重量通過稱重臂傳遞到傳感器。秤架的作用時是通過稱重傳感器采集重量信號。

目前各生產廠家的電子皮帶秤的放大器大部分是將壓力傳感器的0-20mv信號經放大后再傳送到計量儀表中，這其中有的是將放大器與儀表做成一體，有的是將放大器與儀表分為兩個部分。前一種方式決定了儀表只能放在現場，因為0-20mv信號太弱，無法進行遠距離傳輸。后一種方式儀表可以不放在現場，但距離不能太遠，因為如果距離遠，電壓傳輸過程中一方面會衰減，另一方面在復雜的現場環境中電壓信號易受干擾。有的生產廠家采用西門子稱重模塊，此方式的缺點：一是，稱重模塊較貴；二是，稱重模塊是以通信方式將壓力信號傳送到儀表中，這也決定了稱重模塊與儀表之間的距離不能遠，因為在工業現場中通信是最不可靠的。

在各個應用電子皮帶秤的現場中，幾乎見不到工控機直接采集多個電子皮帶秤放大器信號，從而在工控機上直接進行計量控制的場景，基本上都是計算機與現場的儀表進行通信，從而使控制室的人員能夠觀察到現場的數據。其原因一是因為電子皮帶秤應用較早，當時沒有工控機，生產廠家便形成了固有的只靠儀表來采樣計算的模式。但最根本的原因還是因為通常控制室離現場都較遠，電壓信號不適于遠程傳輸。

2 原理及設計

皮帶上運動物料的重量，通過稱重傳感器的重力測量，轉換為對應的電信號。

皮帶運行速度通過速度傳感器進行跟蹤測量，并輸出對應的電脈沖信號。二次儀表部分對上述兩種采集的信息進行運算處理，從而顯示瞬時流量和累計總量。

皮帶在勻速傳送物料的情況下，在時間T內總輸送量為：

W=q.v.T 公式1

式中：q——單位長度皮帶上的物料重量（N.m）；

V——皮帶傳送速度（m/s）；

T——傳送時間（s）。

事實上，皮帶上的物料一般是不均勻的，皮帶的速度也是波動的，因此T時間內的總輸送量，應是瞬時輸送量對時間的積分值。

物料按要求的配入量，經配料盤或電動機給到稱量皮帶機上，均勻鋪在其上的物料經過稱量區時，由稱量托輥及稱框作用于稱重傳感器上。當傳感器承受質量時，由于彈性元件變形，使橋壁電阻失去平衡，橋路產生不平衡輸出正比質量的毫伏信號，經毫伏變送器將信號放大并轉換成0-20mV的電流信號，再經質量顯示儀表及比例積分單元，分別指示出瞬時量和積累量。當實際下料量與給定值（再經電流表）發生偏差時，調節器給出偏差電流信號，經過轉換電壓信號，自動改變電磁調度異步電動機的轉速，進而改變配料盤的工作轉速；或者改變電磁振動器的工作電壓，進而改變電磁振蕩器的振幅，使下料量調到給定值，實行閉環自動調節。

為了能達到遠距離傳輸，就需采用脈沖傳輸方式；為了保證計量精度，需提高頻率；為了保證0-20mv信號放大后的穩定性，放大倍數還不能大。為了提高采樣信號的穩定性，軟件中每秒只采集五次信號值，將五次信號值求平均后再計算出相對應的脈沖數。慣常的做法是根據脈沖數計算出相應的脈沖周期，在單片機定時器中斷內發出脈沖信號，但多數情況下單片機定時器無法實現所要求的周期性中斷，因此在放大器的主程序中采用循環方式發出脈沖。放大器的CPU與儀表的CPU在時鐘上必然存在微小的差異，鑒于此，采集脈沖的方案為儀表每計時一秒便會發出一個持續10ms的開關信號作為同步時鐘，放大器接收到此信號后便會發出壓力信號脈沖供儀表接收。放大器每次最多發送10922個脈沖，每個脈沖周期為80us，這就保證了放大器的CPU一秒之內必定能將所需要的脈沖個數全部發送完畢。

儀表內有多個參數，計算時需用到大量的單元，一般都采用外部數據存儲器，但現場可能會有干擾，導致數據變化的事情也常發生。因此本儀表不用類似于6264之類的外部數據存儲器，儀表的參數均存放在CPU的EEPROM中，開機后將參數讀入CPU本身的內部擴展的AUX-RAM中，將動態保存的數據從外部的串行存儲器也讀入AUX-RAM中。由于所有數據的運算均在CPU本身的內部RAM或AUX-RAM中進行，所以數據極為安全可靠。

3 系統主要優點

3.1 放大器與儀表是分離的，放大器將壓力信號轉變成脈沖傳輸到儀表。由于是脈沖傳輸，所以儀表便可放置在遠距離處，改變了傳統電子皮帶秤的儀表只能放在現場或離上料皮帶較近之處的狀況，突破了距離上的限制。

3.2 放大器上采用了ADCU834作為CPU，此CPU能采集壓力傳感器放大后的信號進行高精度的A/D轉換。為了提高采樣信號的穩定性，軟件中每秒只采集五次信號值，將五次信號值求平均后再轉換成相應的脈沖數。

3.3 放大器本身可接測速器，接近開關或旋轉編碼器及常用的兩線制測速器均可（NPN型的或PNP型的均可，用跳線選擇）。

3.4 儀表上所有數據的運算均在CPU本身的內部RAM或AUX-RAM中進行，數據極為安全可靠，不存在由于如使用片外存儲器可能會受干擾或質量不好而引起數據變化的現象。

3.5 儀表的鍵盤膜沒用傳統的PVC膜，而是采用了線路板膜，使得按鍵的長期可靠性大大提高。

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供電電壓自動測控系統技術方案和特點

監控模塊根據接收到以CAN通訊卡傳來的指令來控制電機的停止/啟動，同時檢測取芯儀供電電源的運行狀態，并將電壓、電流、溫度、運行信息及故障信息等參數通過CAN通訊傳給上位機進行處理和顯示。電壓一次側由芯片3875發出的移相脈沖控制H橋的IGBT模塊，正弦脈寬調制（SPWM）波由SPWM輸出模塊編程實現，并且實現電機軟起動和軟停車，驅動負載電機自適應等功能。方案結構（圖略）。測控系統特點測控系統采用凌陽公司的16位高速微型計算機SPMC75F2413A為核心，CAN控制器采用MCP2515，CAN驅動器采用TI公司的低功耗串行CAN控制器SN65HVD1040D，通過CAN總線能夠實時地檢測和傳遞數據，實現數據通訊和共享，更能夠實現多CPU之間的數據共享與互聯互通，其它電子元件均選擇150℃溫度的等級。此外系統還設計有散熱器、風扇等。該測控系統具有極高的高溫可靠性，能夠確保系統在高溫環境下可靠工作，控制、檢測、顯示的實時性好，可靠性高。測控系統采用智能化控制算法軟件來實現馬達機的高性能運行，其具有效率高、損耗小、噪音小、動態響應快、運行平穩等特點。

硬件電路設計

CAN通信電路檢測系統采用SPMC75F2413A凌陽單片機，不集成CAN外設模塊，選擇外部CAN模塊控制器MCP2515，該模塊支持CAN協議的CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0BPassive和CAN2.0BActive版本，是一個完整的CAN系統，直接連接到單片機的SPI總線上，構成串行CAN總線，省去了單片機I/O口資源，電路簡單，適合高溫工作。CAN通信電路原理圖（圖略）MCP2515輸出只要加一個收發器就可以和上位PC機進行CAN通信，收發器采用TI公司生產的SH65HVD140D。電機溫度檢測電路該系統中供電電源溫度的檢測由溫度傳感器PT100來完成。PT100與高頻變壓器、供電電源散熱器、高頻電感發熱器件的表面充分接觸，當器件的溫度變化時，PT100的阻值也隨之變化，將溫度傳感器的阻值轉換為電壓信號，電壓信號放大整形送給單片機，再由單片機計算出供電電源各發熱點的實際溫度。當溫度過高，供電電源自動停止運行。同時實時將檢測到的各發熱點的溫度通過CAN通訊發給上位PC機。輸入直流電壓檢測電路檢測電路（圖略）。供電電源為多電壓變化環節，前級變換為AC/DC，儀器要深入井下工作，交流高壓從地面通過長達7000m的電纜線供給，直流阻抗（電阻）值約為240Ω，一般由兩根電纜導線并聯使用[5]。系統不工作時，電纜導線無電流，供電電壓相對較高，電機電流約1.5A。系統運行時電纜中有電流，電纜線路就會有壓降，電機電流會達到3A。由于采用了高頻變壓器，變比約18，當負載電流增加1.5A時，原邊電流就增加約27A，如果重載，原邊電流增加更多，就會拉垮輸入電源。所以對輸入的一次側直流電壓電流進行監控就非常必要，根據檢測值來調整輸入的直流高壓[6]。檢測電路采用的是差分電路采樣直流電壓，檢測時，直流高壓加到分壓電阻的兩端，通過分壓電阻運放調理后輸入到CPU。

軟件設計

CAN通信協議系統CAN總線的節點流程圖。上位機向監控模塊發送指令幀，幀號為0x11，用來控制電機啟停和SPWM輸出。監控模塊向上位機發送狀態幀，幀號為0x21，用來反饋電機的狀態信息。軟件流程圖監控模塊根據上位機的指令控制電機的停止/啟動，同時檢測取芯器供電電源的運行狀態，并將參數傳給上位機進行顯示。軟件分為兩大模塊，主程序模塊和定時器T1中斷服務模塊。主程序模塊主要實現上電初始化功能、CAN通訊功能和定時器T1中斷設置等功能；定時器T1中斷程序模塊實現電機參數采樣及發送，并能根據CAN總線接收的指令控制輸出參數。

實驗結果

上述檢測系統安裝在井壁取芯儀上得以成功實現運行。將安裝有檢測控制系統的井壁取芯儀整體放在恒溫箱里面做加溫運行帶載實驗，恒溫箱145℃恒定不變，連續運行24h，每隔0.5h使電機帶載運行10min，即電機憋壓運行。同時改變電機的給定轉速（從500r/m到3000r/m），觀測測量的電機實際運行速度穩定，又根據電機的帶載運行調整輸入直流高溫。檢測控制系統經高溫24h連續運行，電機在空載和帶載時能夠可靠運行，滿足要求。（a）（b）（c）是實驗時測得的CAN總線數據幀。（a）為CAN總線數據一幀的數據波形，由10個字節組成。為測控系統CAN總線數據幀發送接收，每隔120ms傳送一幀數據。

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關鍵詞：無功補償；節能；前景效益

中圖分類號：G718 文獻標識碼：B 文章編號：1672-1578（2014）05-0290-02

1.無功補償的作用

交流電在通過純電阻性負載的時候，電能都轉換成了熱能，而在通過純容性或者純感性負載的時候，并不做功。也就是說沒有消耗電能，即為無功功率。當然實際負載，不可能為純容性負載或者純感性負載，一般都是混合性負載，這樣電流在通過它們的時候，就有部分電能不做功，就是無功功率，此時的功率因數小于1，為了提高電能的利用率，就要進行無功補償。

電力系統網絡元件的阻抗主要是電感性的，為了輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有一個相位差，這在相當寬的范圍內實現；而為輸送無功功率，則要求兩端電壓有一個幅值差，只能在很窄的范圍內實現。不僅大多數網絡元件需要消耗無功功率，大多數的負載也需要消耗無功功率。網絡元件和負載所需要的無功功率必須從電力網絡中某個地方獲得。這些無功功率如果都要由發電機提供并經長距離輸送是不合理的也是不可能的。合理的方法是在需要消耗無功功率的地方產生無功功率，這就是無功補償。

無功補償的主要作用如下：

（1）提高供用電系統及負載的功率因數，降低設備容量，減少功率損耗。能夠對動態無功負荷的功率因素進行校正。

（2）穩定受電端及電網的電壓，提高供電質量。

（3）減少諧波。

（4）減少電壓波動。

（5）增大系統的穩定極的范圍。

（6）對電壓崩潰起抑制作用。

（7）提高系統的三相平衡化。

2.無功功率補償原理

對于無功功率進行快速的動態補償，可以實現以下功能：

（1）對動態無功負荷的功率因數進行校正；

（2）改善電壓的調整；

（3）提高電力系統靜態和動態穩定性；

（4）降低過電壓；

（5）減小電壓和電流的不平衡。

這些功能有些屬于對負載的補償（稱為：負載補償）；有些則是以整個電力網性能的改善和輸電能力的提高為目標（稱為：輸電補償）。而改善電壓的調整，提高電壓的穩定性，則是它們共同的目標。

圖1.1（b）表示出了進行動態無功功率補償，并使系統工作點保持在 = =常數的情形。當 =0時，即圖中C點時，實現了功率因數的完全補償。可見提高功率因數的功能是改善電壓調整率的特例。

3.煤礦供配電系統無功補償的應用

無功補償可以提高功率因數，是一項收效快、投資少的降損節能措施。常見的無功補償方式包括：集中補償：在高低壓配電線路中安裝并聯電容器組；單臺電動機就地補償：在單臺電動機處安裝并聯電容器等；分散補償：在配電變壓器低壓側和用戶車間配電屏安裝并聯補償電容器。

礦井通常采用集中補償與分散補償相結合的補償方式，以實現電壓的調整、減小電壓和電流的不平衡。因為煤礦生產具有特殊性，隨著煤礦的開采，巷道的掘進，井下的供電線路較地面相對復雜。所以不能就地分散對井下的主要負荷進行無功補償，因此一般在礦井地面變電站主變母線上設置并聯電容器對主要負荷進行補償。在井下中央變電所或采掘工作面移變作分散補償。地面其他負荷也可采用就地分散補償的方式。以降損為主要目的，堅持節能減少用電成本的原則，為企業爭取更大的效益。

雖然無功補償有很多的優點但是在確定無功補償容量時還應注意，在輕負荷時要避免過補償，倒送無功造成功率損耗增加，也是不經濟的；功率因數越高，每千乏補償容量減少損耗的作用將變小，通常情況下，將功率因數提高到0.95就是合理補償。

4.無功補償在煤礦供配電系統中的市場前景

采用無功補償前，供電系統存在大量無功負荷，產生的大量無功電流導致電纜、變壓器、開關、電機等器件絕緣下降加快，進而引發漏電、短路故障。由于電壓增大，造成電機無法啟動，進而燒毀電機、開關，影響生產。采用無功補償后，減少了無功電流從而減少了無功功率，從而提高了供電系統設備的容量的利用率。補償后無功功率減少，系統中的電壓、電流相對變化幅度較小，能起到穩定電壓的作用。另外，動態無功補償裝置通常具有抑制諧波，使供電系統的其他設備免遭諧波威脅的作用，增強供電系統的安全可靠性；并且提高了供電的質量，減少了負荷，響應國家節能減排的號召，使企業走上一條低碳環保可持續發展的道路。

所以采用無功補償技術對煤礦供電具有重要的意義。

雖然無功補償技術在我國的大部分煤礦中還沒有得到廣泛的應用，但是無功補償對于企業的發展前景是非常廣闊的，隨著無功補償技術的發展以及人員素質的提高相信在未來一定能得到更好的推廣。

參考文獻

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[3] 王合貞.高壓并聯電容器無功補償實用技術[M].北京：中國電力出版社， 2006，（9）：16-18.

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【關鍵詞】電子圍欄；脈沖；監控系統

1.引言

隨著無線局安全傳輸發射工作的地位、性質、任務、作用的不斷提高，安全防范、企事業單位安全越來越凸現其極端重要性。我們過去采取的安防措施主要是建設圍墻，進而安裝了攝像監控系統，這些措施的實施都起到一定的防范作用，但是，卻存在一定缺陷。利用圍墻防范，入侵者照樣可以越墻來達到其目的，攝像監控系統只能監控而不能阻擋，而且還存在盲區，如果加裝遠紅外系統會由于動物、靜電等外界因素產生干擾而發生誤報警，特別是夜間監控效果更不理想。鑒于以上原因，脈沖電子圍欄安防綜合監控系統應運而生。

2.工作原理

脈沖電子圍欄安防綜合監控系統由本地電子圍欄系統和遠程監控系統構成。

2.1 電子圍欄系統

電子圍欄系統主要由電子圍欄能量控制器（脈沖主機）和帶電脈沖的電子纜線組成，能量控制器的發射端可以產生高壓脈沖或低壓脈沖，此脈沖經過纜線傳到前端圍墻的電子圍欄上。電子圍欄根據安全防范的要求及圍墻和周邊建筑、環境、地形等情況，在現有的圍墻上安裝由電子纜線組成的脈沖電子圍欄，一般兩根電子纜線的間隔為15cm至20cm，圍欄總高度為60cm到80cm，可有效實現阻擋。

前端電子圍欄上接收到能量控制器發出的電脈沖形成回路后，把脈沖回傳到控制器的接收端，電子纜線產生的非致命脈沖電壓能有效阻擋入侵者非法入侵。入侵者越墻碰觸或剪斷電子纜線時，能量控制器都會立刻實施聲、光報警，并把入侵信號發送到安全監控系統值班室，即遠程監控系統。為了鑒別發生報警的區域，根據實際需要可隨意設置防范區域，并將各區域進行編號、命名，發現哪個防區發生報警，立刻實施本防區的防范。電子圍欄原理圖如圖1所示。

2.2 遠程監控系統

遠程監控系統具有通用性，主要由計算機、硬盤錄像機、視頻光端機、監視器、控制桌、接口模塊等組成。硬盤錄像機功能強大，可實現視頻輸出監看、錄像、多路回放、多工處理、傳感器/報警、攝像機云臺鏡頭控制、硬盤空間管理和數據備份、網絡功能等，不僅實現傳統意義上圖像監控、語音監控，還能實現數據量的遙測、遙信。獨特的分布式技術和多級網絡拓撲結構，適合大規模應用，進而提高了系統可靠性、安全性，可對整個系統進行有效管理。具體描述如下：

2.2.1 預覽模式圖像

監控可設置為：1畫面、4畫面、9畫面、16畫面等；圖像未經壓縮，因此監控畫面完全無滯后，無拖尾，不失真。

2.2.2 錄像支持

最大200幀/秒的錄像；錄像方式：循環被蓋記錄或非循環記錄（硬盤滿報警）；錄像模式：系統可設置常年錄像、定時錄像，手動錄像，報警觸發錄像，動態感知錄像；回放模式：多路回放（通過本地的監視器或VGA接口顯示設備），支持時間定位回放，有快放、慢放、倒放、暫停、單幀等回放模式；回放和預覽可以同時進行。

2.2.3 視頻輸出方式

監視器及VGA接口的顯示設備，顯示模式有1路/4路/9路/16路等；使用遙控器和控制面板，可實現多畫面任意分割顯示或輪流切換顯示、單畫面手動或自動切換顯示、重點畫面固定顯示、動態感知和報警畫面自動切換顯示，數字矩陣功能大大節省投資造價。

2.2.4 多工處理

可同時進行監控、錄像、回放、備份、遠程同步監控、遠程回放、遠程下載，多任務并發處理。

2.2.5 傳感器/報警功能

可連接多路報警輸入和多路報警輸出；開關量、異常、移動偵測報警聯動輸出。

2.2.6 云臺鏡頭控制

通過RS-232端口連接云臺解碼器或快球，可用遙控器、專用鍵盤或在網絡上進行云臺、光圈、變焦、聚焦等控制，控制速度可調整。

2.2.7 硬盤空間管理和數據備份

可以接八個IDE硬盤，被支持的每個IDE硬盤的容量可達2000GB，或為非循環記錄（硬盤滿報警）。為了對前端電子圍欄周邊環境及警情進行監控，根據實際情況沿圍欄合理設置攝像機。配制攝像機要具備預設位功能，平時攝像機可以監看圍欄周邊的整個情況，一旦有情況報警，攝像機立刻調整到預設位進行最佳狀態的跟蹤監看。夜間可以加裝遠紅外燈，也可加裝射燈，射燈可以設置為平時處于關閉狀態，一旦有情況時立刻跟蹤打開，確保晚上有情況時有效監控并及時錄像。

3.脈沖電子圍欄綜合安防監控

電子圍欄能量控制器輸出的數個防區報警信息通過光纜、光端設備或屏蔽電纜，直接與安防監控中心的網絡硬盤錄像機報警輸入端子Dl連接。電子圍欄能量控制器（主機）收到前端探測器的報警信息后，在本地發出聲光報警信號，開啟現場燈光，同時將報警信號輸出到安防監控中心的網絡硬盤錄像機，主控室發出聲光報警信號，提醒值班人員及時處理。同時發出控制信號，控制相關聯的攝像機自動轉動到預定位置進行有效監控，啟動錄像，立刻監控現場的情況，從而，實現阻擋、報警、視頻監控聯動的綜合效應。

4.系統特點

（l）系統采用了先進的“阻擋為主，報警、 監控為輔”，的周界安防理念，帶有高壓脈沖電的前端圍欄給入侵者極大的威懾感阻擋，有形圍欄給入侵者設置了很多障礙，5000V～8000V電子纜線產生的脈沖電壓能有效阻擋入侵者，主動對入侵企圖作出反擊，延遲入侵時間，并不傷害人的生命，并且在圍欄上設有明顯的警示標志。如強行入侵，則系統自動發出聲、光報警，并可以與其他安防系統聯動（如：防盜報警主機、視頻監控系統、110報警等）。

（2）誤報率極低。系統報警原理先進，克服了傳統的紅外、微波、靜電感應等技術的缺陷，報等基本不受氣候、地形、樹木、小動物等影響，能維持最高報警值。

（3）無盲區、無死角。前端圍欄是有形的圍欄，可以隨著地形高低起伏任意架設。

（4）安全可靠。與傳統電網相比，從脈沖主機傳出的高壓脈沖能量非常小，電流為60mA，頻率低（60次/分，占空比1/10），有人一旦觸碰，猶如電棍觸擊，不會造成生命傷害。一旦系統短路或斷路時，監控器及時發出報警信號。安全可靠的依據描述：電流通過人體會引起麻感、針刺感、疼痛、心顫動等癥狀，心室顫動是小電流電擊使人致命最多見和最危險的原因，人體遭電擊引起心室頗動受電流持續時間、電流途徑等因素影響，依據國家安全工程師手冊）中50hz～100hz交流電流對人體作用的標準規定，當通過人體電流持續時間超過心臟搏動周期時，人的心室頗動電流約為50mA，當電流持續時間短于心臟搏動周期時，人的心室顫動電流約為數百mA，當通過人體的電流大于10mA時，根據人的生理特征會自動擺脫帶電體，而本脈沖發生器的輸出電流是占空比為1/10的60mA脈沖電流，電流持續時間為100ms，可見遭電擊后電流持續時間不可能超過人體脈動周期，因此不會造成生命傷害。

（5）設置靈活。重點部位可以設攝像機監控，其它部位僅設報警，如果過去安裝了監控系統，可以有效的加以利用，經過局部調整將原監控系統和電子圍欄系統有機的實現聯動，能節約大量資金。

參考文獻

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針對目前水產養殖監測成本高、精度低、靈活性差等問題,設計了能夠自動監測水產養殖環境中pH值、溶解氧、溫度等參數的智能系統。基于最小二乘法與能斯特方程對pH電極的輸出響應電壓的線性回歸模型進行了研究，基于最小二乘法與擴散電流公式建立了溶解氧電極的輸出響應電壓的線性回歸模型，分析了兩者之間的關系。通過驗證，采用最小二乘法對電極標定后，pH值、溶解氧、溫度等參數的相對測量誤差在0.5%、1.85%、1.3%以內，可以滿足水產養殖環境監測的要求，具有較好的市場前景和推廣價值。

關鍵詞：

水產養殖；傳感器；最小二乘法；無線傳感網絡

隨著科技的發展，尤其是傳感技術的發展，水產養殖已經由原來的粗養轉變為了精養，甚至工業化高密度養殖的方式[1]。而伴隨著水產養殖品種的進一步細分，日益嚴重的水污染和魚病多發問題[2]，急需一種能夠更精確、方便的監測水產養殖環境的監測系統，從而能更快捷的了解水質中的pH值、溶解氧、溫度等參數的變化，以便能及時采取有效措施，保證水質的安全、可靠。目前水產養殖環境的監測系統仍然是基于傳感器對數據的采集，然后通過網絡傳輸數據。伴隨著使用年限的增加，傳感器的精度在逐漸降低。因此，本文通過建立傳感器輸出電壓的線性回歸模型，計算出相關的標定公式，可以很好地反映傳感器的輸出電壓與溫度、酸堿度之間的函數關系，減小或避免因使用年限增加導致的精度下降問題。

1系統總體框架設計

系統主要由無線傳感器節點[3]、路由節點、協調節點、監控中心等模塊組成。系統的無線傳感器網絡采用ZigBee技術實現[4-5]。無線傳感器節點和路由節點用于檢測水產養殖環境的參數；協調節點部署在監測中心，通過RS232串口與本地監控中心連接。GPRS模塊從協調節點讀到數據后，采用無線方式發送到位于Internet遠端的數據中心，同時如果接收到的數據為異常數據，還可以給監控人員發送短信報警。用戶從遠程接入到Internet后，連接到數據中心，就可以進行遠程監控。

2無線傳感器節點硬件設計

無線傳感器節點負責采集水產養殖環境中的pH值、溶解氧、溫度等參數，并將數據發送至路由節點。無線傳感器節點由傳感器模塊、信號調理模塊、A/D轉換模塊、數據處理模塊、無線收發模塊、電源模塊構成，其結構如圖1所示。采用CC2530為微處理器，能支持7到12位的多通道A/D轉換模塊；并且內置了不同的運行方式，可以適應低功耗要求的系統。

2.1pH值傳感器調理電路

pH值傳感器調理電路如圖2所示。采用H-101型pH電極，由于該電極輸出為毫伏級電壓，且電極輸出阻抗達到200MΩ[8]，因此U1單元選用阻抗較高的靜電計級運算放大器OPA128，而其余的單元選用價格低廉的運算放大器OPA277。U1單元為電壓跟隨器，去除前后級電路之間的干擾。U2單元通過調節Rs使電壓變化，通過10nF的電容與第1級輸出相連，使電極輸出提升至正電壓。U3單元將電壓進行濾波放大，使之輸出1.6V～2.9V之間的電壓信號。圖2pH值傳感器調理電路

2.2溶解氧傳感器調理電路采用DO-957型極譜式溶解氧電極，該電極間充以KCL電解液，且陰極與陽極間達到0.7V的極化電壓后[9]才會正常工作。溶解氧調理電路如圖3所示。第1級是電壓跟隨器，調節可變電阻Rs產生0.7V的輸出電壓，第2級將陰極通過U2連接到地電位，使兩電極之間產生0.7V左右的壓差，達到發生電化學反應的條件，并在此級電路中將電極的輸出電流轉變為電壓。第3級是濾波放大電路，將輸出電壓調節到標準電壓范圍。

2.3溫度傳感器調理電路溫度傳感器調理電路如圖4所示，采用PT100溫度傳感器。電路采用±5V供電，利用R1、R2、Rs1和PT100構成惠斯通電橋。當PT100的電阻值與Rs的電阻值不相等時，電橋輸出壓差信號，經過放大電路后輸出0-3V以內的電壓。

3傳感器線性回歸模型建立

3.1pH值傳感器線性回歸模型建立pH電極之間的電壓遵循能斯特（NERNST）公式。為了確保pH值傳感器的精度，分別用pH值為4.01、6.86、9.46的標準緩沖液進行試驗。試驗方法如下：分別將三種不同pH值的標準緩沖液降溫至0℃，利用恒溫試驗箱控制，將標準緩沖液逐步加熱到40℃，溫度每升高1℃，記錄一次數據。根據4.01、6.86、9.46的標準緩沖液的輸出電壓，利用最大似然估計和最小二乘法計算出B和M。利用pH標準測試儀對測試的結果進行檢測，結果如圖5所示。圖中的測試曲線為根據公式6擬合后的曲線，標準曲線為pH測試儀的輸出曲線。通過比對，擬合后的曲線與標準曲線的相對誤差均在1.00%以內，測量的精度完全滿足水產養殖環境采集的要求。

3.2溶解氧傳感器線性回歸模型建立溶解氧傳感器通過電化學反應所產生的擴散電流可用下式表示。上式中n、F、A、L為常數，而透氧膜擴散系數D隨著溫度的增加而逐漸減小。為了確保溶解氧傳感器的精確度，需要建立溶解氧傳感器的溫度模型。將上式簡化，并代入（2）式中。溶解氧濃度Cs是和大氣壓、溫度相關的參數，根據當地的大氣壓（由于本試驗是在甘肅省某鮭鱒魚養殖基地進行測試的，當地大氣壓為78.2KPa）查表得到0-40℃的水中飽和溶解氧的濃度值。具體試驗方法：首先使用亞硫酸鈉做無氧溶液，對溶解氧傳感器進行零點標定，記錄溶解氧調理電路的輸出電壓[11]。然后取蒸餾水，向其中加氧，使之達到飽和。將蒸餾水先恒溫至0℃，再控制恒溫試驗箱，逐步將蒸餾水加熱到40℃，同時保證水中溶解氧濃度為飽和狀態。溫度每升高1℃，記錄一次溶解氧調理電路的輸出電壓Vout，試驗進行3次，取3次的平均值電壓。

4軟件設計

4.1無線傳感器節點軟件設計無線傳感器節點是整個系統中最重要的基本單元，負責采集水質數據并將其發送給協調節點。本系統軟件設計選用IAREmbeddedWorkbench開發環境[12-13]。無線傳感器節點在啟動后首先會進行自檢。自檢完成后，申請加入網絡。如果成功，自動進入低功耗模式，等待采集指令。當收到采集指令后，啟動各個傳感器的數據采集，采集完成后，數據經由路由節點發送到協調節點。在所有的數據發送出去以后，無線傳感器節點自動進入休眠狀態，以減少能源損耗。無線傳感器節點程序流程如圖7所示。

4.2上位機監控軟件設計監控軟件采用Labview程序開發環境[14]。上位機監控軟件通過RS232串口與協調節點相連，可以實現對pH值、溶解氧、溫度、濁度等環境因子的監測，并以曲線和圖表的方式表現，使監控人員對環境因子的變化有直觀的掌握。當啟動報警閾值時，在超出閾值后，系統會發出警報。

5系統測試

5.1無線網絡測試兩個節點間的距離從25米一直增加到150米。當節點間距離小于75米時，平均丟包率低于1.35%。實際運行中，節點之間距離不超過60米，因此設計的水產養殖環境監測系統達到了實際運用的目的。

5.2參數采集測試（1）在實驗室內對各個傳感器的測量值進行了誤差分析；分別用標準溶液對pH值傳感器、溶解氧傳感器進行校準，以消除偏差。通過比較標準值和傳感器采集到的數據來測試各個傳感器的相對誤差。結果表明，本系統pH值傳感器、溶解氧傳感器、溫度傳感器的測量值與標準值的相對誤差分別在0.5%、1.85%、1.3%以內。測量的精度完全滿足水產養殖環境監測的要求。（2）在水產養殖環境進行了現場測試。在海拔2100米的現場對pH值、溫度、溶解氧等參數進行了測試。結果如表1所示。水源為冷泉水，流量為0.8m3/s，水溫周年變化為6-17℃。在為期3個月的測試中，系統運行穩定，數據采集正常，精度也達到了預期目標，滿足了實際測試的需要。

6結論

本文設計了一種基于無線傳感網絡的水產養殖環境監測系統。利用無線傳感網絡技術將pH值、溶解氧、溫度等參數實時地傳送到監控中心，實現水產養殖環境的本地監測；使用GPRS模塊接入Internet網絡，從而實現了遠程監控。通過建立傳感器的線性回歸模型，使采集到的數據更加精確。試驗結果表明，pH值、溶解氧、溫度參數的相對測量誤差在0.5%、1.85%、1.3%以內，測量的精度完全滿足了水產養殖環境采集的要求。

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