《物联网安装与调试》课件-2.农业气象站监测系统

项目二农业气象站监测系统物联网工程设计与应用开发小型气象监测站的监测要素有很多种，包括：温度、湿度、风速、风向、雨量、气压、辐射、负氧等几十种气象要素。这些气象要素都是通过传感器来实现监测的，每种要素都对应一个传感器！风速的监测就是用风速传感器、湿度的监测对应湿度传感器....对于这些气象要素的选择，其实也是就气象传感器的选择，传感器可以根据实际使用需求选择，可以选择其中的某几个气象监测要素！本章农业气象站系统监测的数据主要有三项：室外环境的风速、二氧化碳、大气压力。摘要掌握农业气象站监测系统在仿真软件中的连线图掌握农业气象站监测系统的安装与调试掌握农业气象站监测系统的数据采集掌握模拟量传感器的数据解析技能目标及能力要求教学目标

应用案例：农业气象站监测系统任务描述01知识储备02任务实施03任务考核04应用案例：农业气象站监测系统“农业气象站监测系统”是农业大棚外小型气象站的缩影，本章农业气象站系统监测的数据主要有三项：室外环境的风速、二氧化碳、大气压力。模拟量采集器ADAM4017采集三个传感器的实时数据。同学们不仅需要学习传感器与采集器的安装与基本使用，而且还应掌握上位机对数据的采集与监控。任务描述任务描述任务描述01知识储备02任务实施03任务考核04应用案例：农业气象站监测系统

风速传感器如下图所示，为三杯式风速传感器，该传感器应用范围广，可用于工程机械（起重机、门吊、塔吊等）领域，铁路、港头、码头、电厂、气象、索道、环境、温室、养殖、空气调节、节能监控、农业、医疗、洁净空间等领域风速的测量，并输出相应的信号。（a）三杯式风速传感器

（b）接线端子

（c）航空插头该风速传感器，外型小巧轻便，便于携带和组装，三杯设计理念可以有效获得外部环境信息，采用优质铝合金型材，外部进行电镀喷塑处理，具有良好的防腐、防侵蚀等特点，能够保证仪器长期使用无锈现象，同时配合内部顺滑轴承系统，确保了信息采集的精确性。被广泛应用于温室、环境保护、气象站。风速传感器特点测量范围 0～30m／S使用场所室外防水类型防水供电方式12-24V

DC输出方式电流：4-20mA技术参数表风速传感器特点供电及通讯端接线方式：红线：供电电源负极 黑线：供电电源负极 蓝线：信号输出（电流）。1）外观检查：观察液位变送器外观是否有破损等情况。2）功能检测：将传感器的电源线接入DC24V

电源，确保接线正确后，接通

DC

24V

电源，接着用数字万用表直流

20mA

档进行测量。将万用表红表笔搭接风速传感器信号线，黑表笔串联一个

120Ω负载电阻后，接入

DC

24V

的负极，测出当前情况下的电流值。加速转动传感器风杯，测量当前电流值是否增大，电流值增大。以上测量结果表示设备功能完好。二氧化碳传感器1）外观检查：观察外观是否有破损情况。二氧化碳传感器如图

5-9

所示。2）功能检测：步骤

1：查看二氧化碳传感器的技术指标步骤2：使用数字式万用表欧姆档检测二氧化碳传感器电源端和信号端之间是否存在短路现象。数字式万用表选用

2M

档，依次完成表

5-2

所示的二氧化碳传感器电源端和信号端之间的电阻值测量，如果测量发现，阻值很小（约几欧），则说明线路出现短路现象，该设备需进一步检修。测量表R

红—黑R

红—蓝R

蓝—黑正向测量值（2M

档）1.2MΩ

开始增大∞∞反向测量值（2M

档）∞∞∞步骤

3：将传感器的电源线接入DC24V

电源，确保接线正确后，接通

DC

24V

电源，接着用数字万用表直流

20mA

档进行测量。万用表连接方法，将万用表红表笔搭接

CO2

传感器的绿色信号线，黑表笔串联一个

120Ω负载电阻后，接入

DC

24V

的负极，测出实训室内正常情况下的电流值为

11.595mA（正常情况下，电流值范围在

4—20mA）。以上测量结果表示设备功能完好。二氧化碳传感器大气压力传感器1）外观检查：观察液位变送器外观是否有破损等情况。设备完好如图所示。2）功能检测将传感器的电源线接入

DC24V

电源，确保接线正确后，接通

DC

24V

电源，接着用数字万用表直流20mA 档进行测量。万用表连接方法，将万用表红表笔搭接大气压力传感器的信号线，黑表笔串联一个120Ω负载电阻后，接入

DC

24V 的负极，测出正常情况下的电流值（正常情况下，电流值范围在

4—20mA）。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：农业气象站监测系统设备选型环境搭建12系统应用3任务实施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风速传感器13二氧化碳传感器14大气压力传感器15RS485/232转换器1序号传感器名称供电电压模拟量采集器1二氧化碳传感器红色线DC24V+信号线Vin0+2风速传感器红色线DC24V+信号线Vin1+3大气压力传感器红色线DC24V+信号线Vin4+设备选型端口分配设备选型水农业气象站监测系统主要采集大棚周边风速、二氧化碳、大气压力实时数据，根据数据采取有效的措施改善农作物的生长环境。设备的连接方式如图2+。123任务实施设备选型环境搭建系统应用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——二氧化碳传感器、风速传感器、大气压力传感器，采集器——I/O模式——ADAM4017，其他设备——其他外设——RS485/RS232转换器，电源。环境搭建--连线绘制连线绘制：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，移动鼠标，绘制线路，选中连线，按Delete键可删除连线。注意本实验中使用的传感器为三线制，其中信号线需要形成回路，电源根据设备而定。如下图所示。123任务实施设备选型环境搭建系统应用系统应用--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。系统应用--参数设置打开配套材料的项目5\“农业气象站监测系统”，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--功能实现在界面中设置串口号为COM100，根据仿真包连线设置三个传感器的端口号。开启仿真软件的“模拟实验”，在监测界面上点击“采集”，仿真界面的各设备的数据已经上传至监测界面。如图所示。任务描述01知识储备02任务实施03任务考核04应用案例：农业气象站监测系统任务考核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，整理材料、清点设备。5

规范使用设备。5

知识储备(10分)理论知识掌握10

操作流程熟悉度10

相关法规和标准5

实验操作(40分)部署流程执行5

功能操作熟练度5

问题解决能力5

实验记录5

职业素养(20分)保持实验后桌面整洁10

爱惜设备，规范操作10

实验结果(20分)工艺及功能验证10

撰写实验报告10

总计100

项目二农业气象站监测系统物联网工程设计与应用开发小型气象监测站的监测要素有很多种，包括：温度、湿度、风速、风向、雨量、气压、辐射、负氧等几十种气象要素。这些气象要素都是通过传感器来实现监测的，每种要素都对应一个传感器！风速的监测就是用风速传感器、湿度的监测对应湿度传感器....对于这些气象要素的选择，其实也是就气象传感器的选择，传感器可以根据实际使用需求选择，可以选择其中的某几个气象监测要素！本章农业气象站系统监测的数据主要有三项：室外环境的风速、二氧化碳、大气压力。摘要掌握农业气象站监测系统在仿真软件中的连线图掌握农业气象站监测系统的安装与调试掌握农业气象站监测系统的数据采集掌握模拟量传感器的数据解析技能目标及能力要求教学目标

模拟量采集器数据解析任务描述01知识储备02任务实施03任务考核04模拟量采集器数据解析本任务重点在于如何利用解析工具对4017模拟量采集器收集的农业气象数据进行有效解析，确保数据的准确性和可用性。同学们不仅需要理解4017模拟量采集器在农业气象监测中的作用，而且需要掌握数据解析工具的应用，对采集到的模拟信号进行数字化转换。掌握数据解析的基本流程。任务描述任务描述任务描述01知识储备02任务实施03任务考核04模拟量采集器数据解析

1、协议介绍：ModBus是一种串行通信协议，是Modicon公司（现施耐德电气）于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表，ModBus已经成为工业领域通信协议的业界标准，并且现在是工业电子设备之间常用的连接方式。ModBus比其他通信协议使用的更广泛的主要原因由：公开发表并且无版权要求可以在不同设备厂商的设备上可以解析的软件层协议。Modbus协议全球第一个真正用于工业现场的总线协议，完全免费。电子控制器上的一种通用协议，多工业设备包括PCL\DCS\变频器\智能仪表等都在使用。Modbus支持多种电气接口，如RS-232、RS-485,还可以在各种介质上传输，如双绞线、光纤、无线等。Modbus协议的版本MODBUS通信协议提供了ASCIl和RTU（远程终端单元）两种通信模式。ASCll模式的主要优点是允许字符之间的时间间隔长达1S，也不会出现错误。RTU模式的优点是在相同波特率下其传输的字符的密度高于ASCIl模式，每个信息必须连续传输。Modbus协议的组成部分

Modbus是一种单主/多从的通信协议，即：在同一时间里，总线上只能有一个主设备，但可以有一个或多个（最多247个）从设备。主设备向从设备发送Modbus请求报文的模式有两种：

单播模式：主设备寻址单个从设备。

广播模式：主设备向Modbus网络中的所有从设备发送请求报文，从设备接收并处理完毕后不要求返回响应报文。Modbus协议的组成部分ASCIl模式数据传送约定在数据格式中每个16进制字符（0~9）、（A~F）都转换成ASCll码发送。这种方式的主要优点是字符发送的时间间隔可达1秒，而不产生错误。Modbus协议的组成部分RTU消息帧模式，消息的发送与接收以至少3.5个字符的时间的停顿间隔为标志。当检测到地址域时，各设备都对其进行解码以判断该帧是否发给自己Modbus协议的组成部分代码功能码名称位/字操作操作数量01读线圈状态位操作单个或多个02读离散输入状态位操作单个或多个03读保持寄存器字操作单个或多个04读输入寄存器字操作单个或多个05写单个线圈位操作单个06写单个保持寄存器字操作单个15写多个线圈位操作多个16（0x10）写多个保持寄存器字操作多个Modbus协议的功能码功能码分类：公共功能码、用户自定义功能码和保留功能码读线圈/离散量输出状态功能码01:读取从设备的线圈或离散量的输出状态读离散量输入值功能码02:读取从设备的离散量的输入状态读保持寄存器值功能码03：读取从设备保持寄存器的二进制数据读输入寄存器值功能码04:读取从设备输入寄存器的二进制数据写单个线圈或单个离散输出功能码05:将单个线圈或单个离散输出状态设置为“ON”或“OFF”Modbus协议的功能码从设备地址功能码起始地址寄存器个数CRC校验0101000000077DC8注意：Modbus的线圈是以位为基本单位，即：每个寄存器分别对应1个二进制位。请求报文连续读取7个寄存器的内容，将返回1个字节。发送报文：响应报文：从设备地址功能码数据字节数据（7位）CRC校验01010101

9048获取数字量状态值功能码01是读线圈状态Modbus协议的功能码从设备地址功能码起始地址寄存器个数CRC校验02030000000844

3F注意：Modbus的保持寄存器和输入寄存器是以字为基本单位，即：每个寄存器分别对应2个字节。请求报文连续读取8个寄存器的内容，将返回16个字节。发送报文：响应报文：从设备地址功能码数据字节数据（8个字）CRC校验020310

688301FBAC26FFFFE6ACFFFF1E9D01409048获取模拟量数据值功能码03是读保持寄存器Modbus协议的功能码

模拟量采集器通讯传输过程使用ModBus通讯协议，该分为RTU协议和ASCII协议，本项目中多种仪表都采用ModBusRTU通讯协议。执行过程：主要包括输入数据的采集、数据处理和输出结果的传输等几个关键环节。首先，ADAM4017通过其内置的多路输入接口，采集来自不同传感器的信号。这些信号可以是模拟量，如热电偶或热阻传感器所产生的电压或电阻变化。模块内的ADC（模数转换器）负责将模拟信号转换为数字信号，使其能够被后续的处理单元识别和分析。然后经过处理的数据通过多种通信接口（如RS-485或Modbus协议）传输至上位机或其他控制系统，供用户进行监控和决策。ADAM4017的设计使其在执行过程中的响应快速且稳定，能够满足工业环境中对温度监测的严格要求。ADAM4017解析协议说明03030000000845ee地址码功能码起始地址

读取数量（设备包含8通道）

CRC校验码请求格式分析：030310FF...FFDD91地址码功能码位数（16）8个通道16位byte值CRC校验码响应格式分析：当未连接传感器时，采集器设备默认状态下参数和指令为：波特率：9600请求：03030000000845ee响应：030310FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFDD91ADAM4017的转换公式（1）信号的变换需要经过以下过程：物理量－传感器信号－标准电信号－A/D转换-数值显示。这里只做线性的信号变换，略过传感器的信号变换过程。那得到换算公式：T=(最大量程-最小量程)/65535*模拟量值+最小量程

CRC校验码方法一：Modbus计算CRC码的步骤为：预置16位寄存器为十六进制FFFF（初始值即全为1）。称此寄存器为CRC寄存器；把第一个8位数据与16位CRC寄存器的低位相异或，把结果放于CRC寄存器；把寄存器的内容右移一位(朝低位)，用0填补最高位，检查最低位；如果最低位为0：重复第3步(再次移位);如果最低位为1：CRC寄存器与多项式A001（1010000000000001）进行异或；重复步骤3和4，直到右移8次，这样整个8位数据全部进行了处理；重复步骤2到步骤5，进行下一个8位数据的处理；最后得到的CRC寄存器即为CRC码。

CRC校验码使用网页版CRC计算器：可以直接使用，输入需要校验的数据，选择参考模型为CRC-16/MODBUS,点击计算即可，如图所示，需要注意的是这边的结果是高位在左底位在右。任务描述01知识储备02任务实施03任务考核04模拟量采集器数据解析安装解析工具数据获取12指令解析3任务实施安装解析工具（1）安装解析工具软件，双击打开解析工具软件安装包，按照安装向导完成解析工具的安装，可以选择安装在计算机的系统盘或其他盘。安装解析工具（2）安装完成后，将生成桌面图标“解析工具”，如下图所示。双击该图标打开解析工具软件，得到软件界面如右图所示。123任务实施安装解析工具数据获取指令解析数据获取（1）使用实训仿真软件，导入项目的仿真资源包。（2）打开典型物联网“解析工具”软件，设置好串口及波特率，点击“连接”按钮，如图所示。数据获取（3）点击“连接”。在“发送命令”输入框中输入指令（02

03

00

00

00

08

44

3F），我们需要知道这个指令对应的含义。

①

02：表示地址码，是当前4017设备上显示的地址码。②

03：因为4017采集器用于获取传感器数值，所以设置为执行modbus功能码03读保持寄存器。③

0000，0008：分别为起始地址和读取量，该4017可同时连接8个传感器，所以读取量为08。数据获取④443F：表示校验码。获取校验码可以使用网页版CRC计算器，在浏览器中输入进入网页。将获取到的指令020300000008输入文本框，选择