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一、產品簡介

1.1 產品設計背景

    環境監測是最早提出、應用最為廣泛、影響最為深遠的物聯網應用之一。環境監測,是指通過人類對環境有影響的各種物質的含量、排放量以及各種環境狀態參數的檢測,跟蹤環境質量的變化,確定環境質量水平,為環境管理、污染治理、防災減災等工作提供基礎信息、方法指引和質量保證。進行環境監測,是開展一切環境管理和研究工作的前提。只有在對監測信息進行解析、綜合的基礎上,才能全面、客觀、準確地揭示監測數據的內涵,對環境質量及其變化做出正確的評價。
    基于無線傳感網、傳感器、RFID等物聯網技術的環境監測系統從環境感知、系統互聯、信息處理等方面做出了理論和技術革新。在全面互聯互通的網絡架構上,物聯網環境監測以環境信息為中心,四個基本環節即計劃、獲取、存儲傳遞、分析,形成一個立體、進化的整體,所有信息的交互可以且需要發生在任何兩個環節之間,信息傳遞的方向是雙向的。
    物聯網環境監測應用是指通過運用各種物聯網技術,能夠對影響環境質量因素代表值進行實時在線測定,確定環境質量(或污染程度)及其變化趨勢,預警和管控環境質量的物聯網行業應用。物聯網環境監測應用主要分為生態環境監測和污染監測,其中生態環境監測又可進一步細分為大氣質量監測、地表水質檢監測、土壤墑情監測以及近岸海域水質監測等;污染監測則可細分為廢氣污染源監測、廢水污染源監測以及固體廢物在線監管等。智能環境監測就是物聯網環境監測應用的典范。

1.2 產品設計目標

    為了解決高校對物聯網環境監測領域的教學科研和應用需求,廣州飛瑞敖電子科技有限公司設計推出了IOT-S01-07型智能環境監測實訓套件,該套件有室外氣象站,室內掛墻式環境監測箱以及室內環境監測實訓臺三種體現形式,用于滿足高校不同需求。

二、產品介紹

2.1 產品概述

    物聯網環境監測系統由三部分組成,用于采集數據的傳感器感知層,用于傳輸傳感數據的網絡層以及用于處理傳感數據的應用層。典型物聯網環境監測系統網絡拓撲如圖2.1所示,在感知層IOT-S01-07型智能環境監測實訓套件提供了數十種家居工農牧等行業應用的常用傳感器供用戶選擇,在網絡層,套件根據應用場景選擇最為合適的傳輸途徑,在應用層,套件提供基于智能終端Android APP程序以及基于服務器的B/S架構軟件供用戶使用。
在應用場景設計中,智能環境監測實訓套件共提供室外氣象站,室內掛墻式環境監測箱以及室內環境監測實訓臺三種最為典型的應用,每種應用將在2.2節中有詳細介紹。
圖2.1

2.2 產品功能詳解

2.2.1 物聯網環境監測-室外氣象站

    如圖2.2所示,是典型物聯網環境監測室外氣象站應用現場,本例氣象站的主要用途是采集山區風速、風向、雨量等環境參數。
    在圖標1位置是三杯式風速傳感器,圖標2位置是風向傳感器,圖標3位置用于測量某一階段降雨量的雨量傳感器,上述三款傳感器分別通過有線方式與圖標4位置的氣象站主機相連,進行數據匯集,氣象站主機配備有GPRS模塊,用于將匯集到數據通過GPRS網絡傳輸至公網用戶服務器上,圖標5位置電源箱內裝配有大容量蓄電池一塊,配合圖標6所示的太陽能充電板,為整套環境監測系統提供電能,采用太陽能供電方式可以有效解決野外環境無法布置電源的問題。在本例中,僅使用了3款傳感器,每臺氣象站主機最多可攜帶6個傳感器,更多傳感器種類請參考第4節設備清單。
圖2.2 室外氣象站物聯網環境監測系統

2.2.2 物聯網環境監測-室內掛墻式環境監測箱

    對于網絡環境和供電環境較好的室內環境監測應用,IOT-S01-07型智能環境監測實訓套件提供了室內掛壁是環境監測箱解決方案,監測箱示意圖如2.3所示,在示意圖中從左上依次為CO2二氧化碳傳感器,溫濕度傳感器以及光照傳感器,三款傳感器分別通過串口線與WiFi設備服務器相連,多媒體弱電專用電源內置開關電源與房間內的市電相連,并統一為所有設備供電。該系統整體掛至與房間墻壁用于室內環境監測。每個多媒體弱電專用電源箱最多可同時為3組傳感器+WiFi設備服務器供電。
圖2.3 室內掛墻式環境監測箱

2.2.3 物聯網環境監測-室內環境監測實訓臺

    對于傳感器以及傳輸設備本身有教學需求的客戶,IOT-S01-07型智能環境監測實訓套件提供了更適合于教學實驗使用的室內環境監測實訓臺方案,實訓臺實物圖如圖2.4所示,物聯網智能環境監測實訓臺整體采用不銹鋼網板結構件設計,配備有臺面及電腦,各種類型傳感器及傳輸模塊固定在結構件網板上,所有節點都是可拆卸更換的,學生既可以在本地獲取及解析傳感器數據,也可以二次開發應用程序,將數據上傳至公網服務器。智能環境監測實訓臺網板上同時最多安置7組傳感器+傳輸模塊,更多組傳感器可以放置于實訓臺的抽屜內靈活使用。
圖2.4

2.2.4 物聯網環境監測-物聯網環境監測管理軟件V1.0

    基于B/S架構設計的物聯網環境監測管理軟件如下圖所示:
圖2.5
該管理軟件分為監控走勢、監控設置、歷史數據管理、數據分析等功能模塊,模塊如下所示:
A.監控走勢
圖2.6
B.監控設置
圖2.7
C.歷史數據管理
圖2.8
D.數據分析
圖2.9

2.3 典型設備介紹
2.3.1 溫濕度傳感器

圖2.10
空氣溫濕度傳感器由電源模塊、變送模塊、空氣溫濕度探測模塊、數據處理模塊等組成,傳感器內置信號采樣及放大,用戶接口簡潔、方便。
①本傳感器體積小巧化設計,調試方便,安裝、操作及維護簡單。
②結構設計合理,紅外探頭保證使用壽命。
③測量精度高,性能可靠,確保正常工作。
④響應速度快,數據傳輸效率高。

2.3.2 WiFi設備服務器

圖2.11
    功能: WiFi設備服務器用來將串口數據和WiFi網絡數據互相轉換和傳輸的設備,可以工作與TCP Server、TCP Client和UDP模式實現透明傳輸,也可以工作在web模式通過瀏覽器網頁實現復雜交互,使用簡單,工作可靠。

三、支撐課程及實驗清單

    物聯網環境監測-室內環境監測實訓臺適用于物理網工程專業<傳感器原理及應用>以及<物聯網軟件設計>等課程的實驗開設,典型實驗清單如下表所示。室外氣象站以及室內掛墻式環境監測箱形態產品在交付時已經完成了軟硬件的初始化配置,供用戶直接使用,該形態產品不太適合于物聯網相關課程的開設。
實驗1 溫濕度傳感器數據采集及解析實驗
實驗2 光照傳感器數據采集及解析實驗
實驗3 二氧化碳傳感器數據采集及解析實驗
實驗4 土壤溫濕度傳感器數據采集及解析實驗
實驗5 風速傳感器數據采集及解析實驗
實驗6 風向傳感器數據采集及解析實驗
以上實驗僅供參考,具體實驗清單與產品形態及設備清單為主。

一、智能環境監測實訓套件

1.47寸電腦一體機
2.物聯網信息平臺服務器
3.氣象站主機
4.GPRS模塊
5.太陽能供電系統
6.大功率蓄電池
7.配件
8.資源環境物聯網公共信息服務平臺
9.媒體弱電專用電源箱
10.WiFi設備服務器
11.實訓臺結構件
12.WiFi設備服務器
13.電腦
14.物聯網環境監測管理軟件V1.0
15.溫濕度傳感器
16.光照傳感器
17.二氧化碳傳感器
18.土壤溫濕度傳感器
19.風速傳感器
20.風向傳感器
21.PM2.5傳感器
22.大氣壓力傳感器
23.雨雪傳感器
24.雨量傳感器
25.土壤鹽分傳感器
26.土壤pH值傳感器
27.日照時數傳感器
28.光電感煙探測器
29.密封性浸水傳感器
30.可燃氣體探測器