电子教案《物联网工程导论》单元三任务二生态鱼塘环境监控系统的组建课件.ppt

1、任务二 生态鱼塘环境监控系统的组建单元三 认识物联网典型行业应用智慧生态农庄引导案例智慧生态农庄引导案例分析视频中使用了哪些传感器，及传感器信号传输的接口形式。讨讨 论论智慧生态农庄1目标与任务目标与任务任务评价任务评价知识准备知识准备任务实施任务实施234目录目录PART.1目标与任务任务目标 知识目标知识目标1.了解传感器的硬件接口形式 2.了解传感器的信号输出形式 3.了解传感器的数字信号协议 4.掌握传感器输出信号的转换过程 能力目标能力目标1.能识别传感器典型的传输接口形式 2.能分析典型的传感器数据传输格式 3.能根据需求正确连接传感器并组成系统4.能根据系统绘制系统拓扑图 素质目

2、标素质目标1.培养良好的工作作风 2.培养描述工作问题、确定工作目标的能力 3.培养书面表达观点的能力 4.培养团队意思和团队协作的能力任务描述根据本单元的引导案例，王大爷家鱼塘养鱼过程中，人工不能实现智能管控池塘的水温、溶解氧等影响鱼类生长的参数的现状，安装一套实时监测并控制鱼塘参数的物联网系统显得尤为重要。请结合该系统的功能需求，设计并组建生态鱼塘环境监控系统。PART.2知识准备3.6 传感器硬件接口形式在一个物联网系统中，感知层的传感器在感知到被测量之后，经过传感器转换后输出的信息需要传输到网络层，最终到应用层。在一块传感器输出信号转换电路板上，可以直观的观察到各种硬件接口，通过这些接

3、口能够实现传感器与连接设备的通讯：传感器输出信号转换电路板 有两线座子、三线座子、USB接口、DB9接口等，这些都是常见的传感器信号输出的硬件接口。这些硬件接口决定了传感器的选择，也决定了接入设备的选择。3.6 传感器硬件接口形式3.6.1 3.6.1 直针直针/弯针座子弯针座子 常见的直针/弯针座子包括两线座子、三线座子和四线座子。这种座子价格便宜，但连接的牢固性不是很好，多次插拔后会影响连接的牢固度。直针/弯针座子3.6.23.6.2工业接线端子工业接线端子目前用得最广泛的除了PCB（印制电路板）端子外，还有五金端子、螺帽端子、弹簧端子等等。（a）PCB端子(b)五金端子(d)弹簧端子(c

4、)螺帽端子3.6 传感器硬件接口形式3.6.3 3.6.3 标准串行接口标准串行接口 D型数据接口连接器是用于连接电子设备（比如：计算机与外设）的标准接口。因形状类似于英文字母D，故得名D型接口。通常，用得较多的是9引脚的D型接口，即DB9。DB9母头DB9公头 这种接口是一种通用的接口，价格便宜，使用方便；但是由于该类接口体积较大，不适合于对接口体积要求较高的设备。3.6 传感器硬件接口形式3.6.4 3.6.4 USBUSB接口接口 USB即通用串行总线的简称，是目前电脑上应用较广泛的接口规范。USB接口是一种四针接口，分别用于数据传输和电源供电。USB接口速度快、连接简单，传输速率快，支

5、持热插拔。但是该类接口的连接牢固度不高，容易松动。USB接口3.6 传感器硬件接口形式3.6.5 3.6.5 航空插头航空插头 航空插头也可称插头座，广泛应用于各种电气线路中，起着连接或断开电路的作用。航空插头插针的数量是不一定的，1到9针的均有，成对使用。航空插头 航空插头具有较长的机械寿命，不仅能防止引燃，还要求在一旦引燃和起火时，能在短时间内自灭。多种连接方式可供选择：（a）螺纹式 （b）卡口式 （c）弹子式3.7 传感器输出信号的转换3.7.1 3.7.1 传感器的信号输出形式传感器的信号输出形式根据不同的信号输出形式，可将传感器分为模拟传感器和数字传感器。（1）模拟量传感器模拟量传感

6、器主要有电流、电压和频率3种信号输出形式。1）电流输出型2）电压输出型3）频率（脉冲）输出型（2）数字量传感器数字量传感器的输出信号由“0”和“1”组成，“0”和“1”分别对应的是低电平和高电平。1）RS232信号2）RS485信号3.7 传感器输出信号的转换3.7.2 3.7.2 传感器信号传感器信号采集设备采集设备 传感器检测到的参数，最后是传输到应用层的智能终端上并进行实时现在，这中间还涉及到信号采集和转换的关键设备。（1）数据采集器 数据采集器主要是实现传感器输出信号的收集，包括模拟传感器和数字传感器，并进行适当的处理后，在往上一级设备传输。通常，一个数据采集器可以采集多路传感器。（2

7、）RS485转RS232接口 RS485转RS232接口主要实现将RS485信号转换为RS232信号。转换接口是将采集设备上采集到的数据通过转换接口，用串口转接到终端设备上，通过终端来分析采集到的数据。RS485转RS232接口3.7 传感器输出信号的转换3.7.3 3.7.3 传感器传感器输出输出信号信号的转换的转换以一个采集3个环境参数的环境监控系统为例，分析传感器信号的转换过程。环境监控系统结构示意图 传感器数据采集器将采集到的3种不同的模拟信号经过传感器数据采集器转换成RS485信号。由于数据中心只能接收RS232信号，因此需要将传感器数据采集器输出RS485信号通过RS485转RS2

8、32接口转换成RS232信号。3.8 数字信号协议3.8.1 3.8.1 通信协议的含义通信协议的含义传感器采集的数据会最终转换成数字信号传输到应用层系统，而这些由“0”和“1”组成的一串串数字信号到底表达的是什么意思还需要明确。为了了解收发双方的意图和目的，需要在这些设备间制定一些规则，按照特定的数据格式进行传输。所谓数据格式是数据保存在文件或记录中的编排格式，可为数值、字符或二进制数等形式，通常，也称之为通讯协议。通信协议是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。通信协议主要由以下三个要素组成：语法：语法：即如何通信，包括数据的格式、编码和信号等级（电平的高低）等。即如何通信，包括

9、数据的格式、编码和信号等级（电平的高低）等。语义：语义：即通信内容，包括数据内容、含义以及控制信息等。即通信内容，包括数据内容、含义以及控制信息等。定时规则（时序）：定时规则（时序）：即何时通信，明确通信的顺序、速率匹配和排序。即何时通信，明确通信的顺序、速率匹配和排序。3.8 数字信号协议3.8.2 3.8.2 典型的通信协议典型的通信协议（1）Modbus协议协议Modbus是由Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一种通

10、用工业标准。具有以下几个特点：具有以下几个特点：1）标准、开放。用户可以免费、放心地使用Modbus协议，不需要交纳许可证费，也不会侵犯知识产权。2）Modbus可以支持多种电气接口，如RS-232、RS-485等，还可以在各种介质上传送，如双绞线、光纤、无线等。3）Modbus的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。用户使用容易，厂商开发简单。3.8 数字信号协议3.8.2 3.8.2 典型的通信协议典型的通信协议（2）PROFIBUS协议协议PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。PROFIBUS于1989年正式成为现场总线的国际标准。特点：1）最大传

11、输信息长度为255Bit，最大数据长度为244Bit，典型长度为120Bit。2）网络拓扑为线型、树型或总线型，两端带有有源的总线终端电阻。3）传输速率取决于网络拓扑和总线长度，从9.6Kb/s到12Mb/s不等。4）站点数取决于信号特性，如对屏蔽双绞线，每段为32个站点（无转发器），最多127个站点带转发器。5）传输介质为屏蔽/非屏蔽双绞线或光纤。6）当用双绞线时，传输距离最长可达9.6km，用光纤时，最大传输长度为90km。7）传输技术为DP和FMS的RS-485传输、PA的IEC1158-2传输和光纤传输。8）采用单一的总线方位协议，包括主站之间的令牌传递与从站之间的主从方式。9）数据传

12、输服务包括循环和非循环两类。3.8 数字信号协议3.8.2 3.8.2 典型的通信协议典型的通信协议（3）P-NET协议协议P-NET是一种多主控器主从式总线(每段最多可容纳32个主控器)，使用屏蔽双绞线电缆RS485，每段总线最长1200米，每段最多可联结125个设备。（4）自定义协议）自定义协议是产品开发者没有采用任何一种现行的标准数据协议格式。而是按照产品自身特点和产品研发单位的需求，自我定义的一种数据格式规则。有利于保护产品的知识技术产权。被未开源的产品广泛的使用。PART.3任务实施任务实施系统组建：生态鱼塘环境监控系统 在设计和组建生态鱼塘环境监测系统时，需要选择监测并控制鱼塘环境

13、参数的传感器和控制设备，同时，还需要根据传感器和控制设备的特性，选择相应的网络层设备和应用层设备，最终组建一套合理的生态鱼塘环境监控系统。结合引导案例，完成下述任务：（1）任务内容要求：）任务内容要求：1）针对生态鱼塘实现的功能依次选择系统所需设备，并说明理由。2）根据所选的设备，画出生态鱼塘环境监控系统的硬件拓扑图。3）在交互式动画中进行系统虚拟搭建。（2）任务提交资料：）任务提交资料：1）任务计划报告：包括但不限于任务目标、任务内容、分工计划。2）生态鱼塘环境监控系统组建的技术文档，包括但不限选型依据、硬件拓扑图。3）生态鱼塘环境监控系统搭建的过程性资料。3）能证明每个组员参与本任务的实证资料（参与任务相关记录、图片、音视频等）。PART.4任务评价任务评价课后作业小组成员制定行动方案，分工合作完成生态鱼塘环境模拟监控系统组建实训报告。重庆电子工程职业学院 物联网学院