《物联网安装与调试》课件-1.2植物水培环境系统-案例应用

项目一植物水培环境系统物联网工程设计与应用开发现代水培技术通过非土壤基质和灌溉水提供营养，强调了水温和液位监测的重要性。本章介绍了利用物联网行业实训仿真系统搭建智能水培环境监测系统，包括传感器知识、系统连线图、仿真搭建验证，重点在于硬件安装和利用上位机对水温传感器与液位传感器进行数据采集，实现系统数据在仿真平台的实时显示，完成虚实结合，确保作物生长环境的精确控制。摘要掌握物联网行业实训仿真系统软件环境搭建掌握植物水培环境监测系统的连线图掌握植物水培环境监测系统在仿真软件中的连线图掌握植物水培环境监测系统的安装与调试掌握植物水培环境监测系统的数据采集技能目标及能力要求教学目标

物联网行业实训仿真系统搭建任务描述01知识储备02任务实施03任务考核04物联网行业实训仿真系统搭建应用案例：植物水培环境系统任务描述01知识储备02任务实施03任务考核04应用案例：植物水培环境系统“植物水培环境监测系统”用于监测水培过程中作物环境的水温与储水量，利用模拟量采集器ADAM4017采集两个传感器的实时数据。是多个设备连接起来的有机整体，学生们不仅学习传感器与采集器的安装与基本使用，而且掌握上位机对数据的采集与监控，明确它们在系统的用途与使用原理。任务描述任务描述01知识储备02任务实施03任务考核04应用案例：植物水培环境系统知识储备传感器组成和作用传感器分类12数据采集器3串行通信4硬件设备5

传感器的组成和作用传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成。敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。知识储备传感器组成和作用传感器分类12数据采集器3串行通信4硬件设备5传感器的输出量分类①参量型传感器:它的输出是电阻、电感、电容等无源电参量，相应的有电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器等。②发电型传感器:它的输出是电压或电流，相应的有热电隅传感器、光电传感器、磁电传感器、压电传感器等。电压输出传感器电流输出传感器传感器根据测量对象、工作原理、使用材料、制造工艺等多种标准进行分类，具有广泛的多样性和适用性，允许同一测量目标采用不同原理的传感器，同时同一原理也能应用于多种测量目标。按被测量分：传感器按被测量分类，主要分为力、压力、位移、速度、温度、湿度、流量、气体成分和离子浓度等。按功能原理分：按转换原理，传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。按材料分类：可分为半导体传感器、金属材料传感器、陶瓷传感器、高分子和电子聚合物传感器、光纤传感器、复合材料传感器等。按工艺分类：可分为厚薄膜传感器、MEMS（微机电系统）传感器、纳米传感器等。按传感对象分类：可分为心电传感器、呼吸传感器、脉搏传感器、血糖传感器、烟雾传感器、火焰传感器、气体传感器、水质传感器、风力传感器等。传感器的特性分类按线制数量分类：两线制、三线制、四线制。两线制传感器（变送器）：所谓两线制即电源、负载串联在一起，有一公共点，而现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线，这两根电线既是电源线又是信号线。三线制传感器（变送器）：所谓三线制就是电源正端用一根线，信号输出正端用一根线，电源负端和信号负端共用一根线。四线制传感器（变送器）：四线制是指电源两根线，信号两根线。电源和信号是分开工作的。传感器的线制分类两线制传感器三线制传感器四线制传感器知识储备传感器组成和作用传感器分类12数据采集器3串行通信4硬件设备5ADAM-4017+ADAM-4017+是一款16位、8通道的模拟量输入模块，支持0-5V电压和4-20mA电流信号采集，具备可编程输入范围。通过485通信接口和MODBUSRTU协议与上位机PC连接，适用于工业测量和监控，提供3000VDC光隔离保护，防止高压损坏，是一种经济有效的解决方案。ADAM-4017+特点（1）模拟量采集器的电源具有防反接，过压过流保护。（2）采用工业通信标准的485接口，接口带有防雷保护，并且485芯片采用高速光耦合隔离，保证通信的稳定性。（3）通信协议采用标准的工业通信标准协议MODBUS协议。（4）通信速率默认为9600BPS，也可以定制相应的波特率。（5）支持8路模拟量采集输入，支持DIN导轨安装。典型应用：机房监控，温度传感器控制系统，消防报警系统，自动化控制，智能楼宇，远程数据采集系统。ADAM-4017+原理ADAM4017模块的上盖下有8个黄色跳线开关（JP0～JP7），分别对应8个输入通道，用于设置通道信号类型。默认设置为电压输入，若要输入电流信号，则需调整跳线位置。应用案例：植物水培环境系统传感器组成和作用传感器分类12数据采集器3串行通信4硬件设备5总线概述计算机领域的总线最初是多功能线路集合，后发展为计算机内部或计算机间的通信系统，包括硬件和软件方面。在嵌入式系统中，总线用于芯片级、板级和设备级互连，且存在多种分类方式:一是按照传输速率分类：可分为低速总线和高速总线。二是按照连接类型分类：可分为系统总线、外设总线和扩展总线。三是按照传输方式分类：可分为并行总线和串行总线。串行通信在计算机网络和分布式工业控制系统中，设备通过标准串行通信接口和通信电缆交换数据。串行通信通过单数据线逐位传输数据，占用固定时间，只需少量线路，适合远程通信，如计算机间和计算机与外设间。常见的串行通信接口标准包括RS-232、RS-422和RS-485等。此外，SPI（串行外设接口）、I2C（内置集成电路）和CAN（控制器局域网）通信也属于串行通信类别。电平信号及电气特性在电子产品开发领域，存在多种电平信号，包括TTL电平、CMOS电平、RS-232电平和USB电平等。这些电平信号在逻辑“1”和逻辑“0”的表示标准上存在差异。为了保证通信的稳定性和可靠性，建议在选择电平信号时，充分考虑其电气特性和应用场景，并进行必要的测试和验证。

RS-485通信标准异步串行通信要求通信双方遵循统一的协议和接口标准，以实现设备间的正常连接和数据交换。RS-485通信就是其中之一，RS-485作为广泛使用的串行通信接口标准，支持多发送器在平衡双导线上驱动多个负载设备，实现半双工通信，即发送时其他设备仅接收。总线上设备数量受芯片和电缆品质影响，电缆选择需考虑节点数、传输距离和电磁环境。应用案例：植物水培环境系统传感器组成和作用传感器分类12数据采集器3串行通信4硬件设备5硬件检测—液位传感器1)观察液位变送器外观是否有破损等情况。2)将传感器的电源线接入DC24V，“+”端接+24V，蓝线为信号线。万用表连接方法：将万用表红表笔搭接传感器“-”，黑表笔接入DC24V的负极，测出传感器未放入水中时电流为4mA，放置于水箱中后的电流值变大，水位越深，电流值越大。以上测量结果表示设备功能完好。硬件检测—ADAM40171)观察ADAM40170模拟量采集器外观是否有破损,接线端子否损坏。2)使用红黑线，红线将ADAM4017的+Vs接DC24V的正极，黑线将ADAM4170的GND接DC24V的负极，上电后，ADAM4017的Status指示灯一直闪烁。上述操作后，初步可以判断ADAM4017质量完好。硬件检测—RS-232转RS-485RS-232至RS-485转换器支持信号转换，无需外接电源，利用RS-232电荷泵驱动，实现通信距离延长至1.2公里。内置零延时自动收发转换和I/O电路控制数据流方向，无需握手信号，确保RS-232程序在RS-485下无需修改即可运行。支持300-115.2Kbps传输速率，适用于构建点到点或点到多点的远程多机通信网络，实现多机应答通信。硬件检测—水温传感器1)观察水温传感器外观是否有破损等情况。2)将传感器的电源线接入DC24V，“+”端接+24V。万用表连接方法：将万用表红表笔搭接传感器“-”，黑表笔接入DC24V的负极，测出传感器放置于水箱中（室温约17℃时）时的电流值为9.5mA。拿出传感器，用手触摸传感器的金属杆，电流值会上升。以上测量结果表示设备功能完好。任务描述01知识储备02任务实施03任务考核04应用案例：植物水培环境系统设备选型环境部署12任务实施系统应用3设备选型在开始仿真练习之前，至关重要的一步是深入理解并熟悉系统中各个设备与系统连线的端口分配情况。这包括了解每个端口的功能、它们之间的连接方式以及如何正确配置这些端口以确保系统的正常运行。熟悉端口分配有助于提高仿真效率，避免连接错误，确保仿真练习的顺利进行。序号设备数量1模拟量采集器（ADAM4017）12液位传感器13水温传感器14RS485/232转换器1序号传感器名称供电电压模拟量采集器1水温传感器红色线24+V黑色信号线Vin3+2液位传感器红色线24+V黑色信号线Vin2+设备选型端口分配设备选型水培环境监测系统主要是水培过程中水温和液位的变化，水温和液位隶属于模拟量信号，在连接过程中，将水温和液位信号分别连接模拟量采集器ADAM-4017的vin3+和vin2+。设备选型环境部署12任务实施系统应用3环境搭建在本项目中我们需要通过仿真平台进行硬件环境的搭建和数据对接，包括设备的选取、连线和相关参数配置，那么首先运行“物联网行业实训仿真.msi”软件。环境搭建--设备选取设备选取：在仿真界面中将左边设备区中设备拖入到右边的绘图区，分别是：传感器——有线传感中拉取水温传感器和液位传感器，在采集器——I/O模式中拉取4017采集设备，在其他设备——其他外设中拉取RS485/RS232转换器，在其他设备——终端中拉取PC，在其他设备——电源中拉取若干12V、24V、通用电源。环境搭建--连线绘制备连线绘制：将画图区的所有设备进行连线，用鼠标点击各接线口，当鼠标显示“手”形状时，即可选中线路起点或终点，移动鼠标完成绘制线路；若要删除连线，只要选中连线然后按Delete键即可删除连线。接下来参考系统连线图，按模块进行各个硬件设备的连接，注意电源根据设备而定。环境搭建--串口设置系统设备环境部署及参数配置完成，需要双击PC终端对其进行串口设置，由于4017数据采集器是连接到PC终端的COM口，所以需要对其COM进行设置。顺序如下图从左往右对应。1)双击COM口位置，显示串口管理界面,进行选择。2)打开串口号设置界面，设置虚拟串口号。3)成功创建串口回到上方进行COM配置。设备选型环境部署12任务实施系统应用3系统应用--参数设置打开配套材料的第1章“智能水培环境监测系统”，在界面中设置串口号为COM100，开启仿真软件的“模拟实验”。系统应用--功能实现1)系统参数设定完成后，点击“开始采集”按钮，系统软件就能采集到由仿真平台环境所上传的水温和水位数值，左侧的“日志”区域不断刷新数据检测状态，点击“停止采集”按钮即可终止数据采集。2)回到仿真实验界面，先将实验关闭，然后双击传感器设备，配置界面如图所示。可以根据实验要求的不同改变传感器的数值。3)打开实验在返回程序，改变了传感器设备的数值，对应的植物水培环境系统中采集到的数值也会发生改变。任务描述01知识储备02任务实施03任务考核04应用案例：植物水培环境系统任务考核1、请参照评价标准完成自评和对其他小组的互评。2、各组请代表分析本组任务实施经验。评价指标评分细则分值得分计划与准备(10分)做好实验前的准备，整