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一、产品简介

1.1 产品设计背景

    环境监测是最早提出、应用最为广泛、影响最为深远的物联网应用之一。环境监测,是指通过人类对环境有影响的各种物质的含量、排放量以及各种环境状态参数的检测,跟踪环境质量的变化,确定环境质量水平,为环境管理、污染治理、防灾减灾等工作提供基础信息、方法指引和质量保证。进行环境监测,是开展一切环境管理和研究工作的前提。只有在对监测信息进行解析、综合的基础上,才能全面、客观、准确地揭示监测数据的内涵,对环境质量及其变化做出正确的评价。
    基于无线传感网、传感器、RFID等物联网技术的环境监测系统从环境感知、系统互联、信息处理等方面做出了理论和技术革新。在全面互联互通的网络架构上,物联网环境监测以环境信息为中心,四个基本环节即计划、获取、存储传递、分析,形成一个立体、进化的整体,所有信息的交互可以且需要发生在任何两个环节之间,信息传递的方向是双向的。
    物联网环境监测应用是指通过运用各种物联网技术,能够对影响环境质量因素代表值进行实时在线测定,确定环境质量(或污染程度)及其变化趋势,预警和管控环境质量的物联网行业应用。物联网环境监测应用主要分为生态环境监测和污染监测,其中生态环境监测又可进一步细分为大气质量监测、地表水质检监测、土壤墒情监测以及近岸海域水质监测等;污染监测则可细分为废气污染源监测、废水污染源监测以及固体废物在线监管等。智能环境监测就是物联网环境监测应用的典范。

1.2 产品设计目标

    为了解决高校对物联网环境监测领域的教学科研和应用需求,广州飞瑞敖电子科技有限公司设计推出了IOT-S01-07型智能环境监测实训套件,该套件有室外气象站,室内挂墙式环境监测箱以及室内环境监测实训台三种体现形式,用于满足高校不同需求。

二、产品介绍

2.1 产品概述

    物联网环境监测系统由三部分组成,用于采集数据的传感器感知层,用于传输传感数据的网络层以及用于处理传感数据的应用层。典型物联网环境监测系统网络拓扑如图2.1所示,在感知层IOT-S01-07型智能环境监测实训套件提供了数十种家居工农牧等行业应用的常用传感器供用户选择,在网络层,套件根据应用场景选择最为合适的传输途径,在应用层,套件提供基于智能终端Android APP程序以及基于服务器的B/S架构软件供用户使用。
在应用场景设计中,智能环境监测实训套件共提供室外气象站,室内挂墙式环境监测箱以及室内环境监测实训台三种最为典型的应用,每种应用将在2.2节中有详细介绍。
图2.1

2.2 产品功能详解

2.2.1 物联网环境监测-室外气象站

    如图2.2所示,是典型物联网环境监测室外气象站应用现场,本例气象站的主要用途是采集山区风速、风向、雨量等环境参数。
    在图标1位置是三杯式风速传感器,图标2位置是风向传感器,图标3位置用于测量某一阶段降雨量的雨量传感器,上述三款传感器分别通过有线方式与图标4位置的气象站主机相连,进行数据汇集,气象站主机配备有GPRS模块,用于将汇集到数据通过GPRS网络传输至公网用户服务器上,图标5位置电源箱内装配有大容量蓄电池一块,配合图标6所示的太阳能充电板,为整套环境监测系统提供电能,采用太阳能供电方式可以有效解决野外环境无法布置电源的问题。在本例中,仅使用了3款传感器,每台气象站主机最多可携带6个传感器,更多传感器种类请参考第4节设备清单。
图2.2 室外气象站物联网环境监测系统

2.2.2 物联网环境监测-室内挂墙式环境监测箱

    对于网络环境和供电环境较好的室内环境监测应用,IOT-S01-07型智能环境监测实训套件提供了室内挂壁是环境监测箱解决方案,监测箱示意图如2.3所示,在示意图中从左上依次为CO2二氧化碳传感器,温湿度传感器以及光照传感器,三款传感器分别通过串口线与WiFi设备服务器相连,多媒体弱电专用电源内置开关电源与房间内的市电相连,并统一为所有设备供电。该系统整体挂至与房间墙壁用于室内环境监测。每个多媒体弱电专用电源箱最多可同时为3组传感器+WiFi设备服务器供电。
图2.3 室内挂墙式环境监测箱

2.2.3 物联网环境监测-室内环境监测实训台

    对于传感器以及传输设备本身有教学需求的客户,IOT-S01-07型智能环境监测实训套件提供了更适合于教学实验使用的室内环境监测实训台方案,实训台实物图如图2.4所示,物联网智能环境监测实训台整体采用不锈钢网板结构件设计,配备有台面及电脑,各种类型传感器及传输模块固定在结构件网板上,所有节点都是可拆卸更换的,学生既可以在本地获取及解析传感器数据,也可以二次开发应用程序,将数据上传至公网服务器。智能环境监测实训台网板上同时最多安置7组传感器+传输模块,更多组传感器可以放置于实训台的抽屉内灵活使用。
图2.4

2.2.4 物联网环境监测-物联网环境监测管理软件V1.0

    基于B/S架构设计的物联网环境监测管理软件如下图所示:
图2.5
该管理软件分为监控走势、监控设置、历史数据管理、数据分析等功能模块,模块如下所示:
A.监控走势
图2.6
B.监控设置
图2.7
C.历史数据管理
图2.8
D.数据分析
图2.9

2.3 典型设备介绍
2.3.1 温湿度传感器

图2.10
空气温湿度传感器由电源模块、变送模块、空气温湿度探测模块、数据处理模块等组成,传感器内置信号采样及放大,用户接口简洁、方便。
①本传感器体积小巧化设计,调试方便,安装、操作及维护简单。
②结构设计合理,红外探头保证使用寿命。
③测量精度高,性能可靠,确保正常工作。
④响应速度快,数据传输效率高。

2.3.2 WiFi设备服务器

图2.11
    功能: WiFi设备服务器用来将串口数据和WiFi网络数据互相转换和传输的设备,可以工作与TCP Server、TCP Client和UDP模式实现透明传输,也可以工作在web模式通过浏览器网页实现复杂交互,使用简单,工作可靠。

三、支撑课程及实验清单

    物联网环境监测-室内环境监测实训台适用于物理网工程专业<传感器原理及应用>以及<物联网软件设计>等课程的实验开设,典型实验清单如下表所示。室外气象站以及室内挂墙式环境监测箱形态产品在交付时已经完成了软硬件的初始化配置,供用户直接使用,该形态产品不太适合于物联网相关课程的开设。
实验1 温湿度传感器数据采集及解析实验
实验2 光照传感器数据采集及解析实验
实验3 二氧化碳传感器数据采集及解析实验
实验4 土壤温湿度传感器数据采集及解析实验
实验5 风速传感器数据采集及解析实验
实验6 风向传感器数据采集及解析实验
以上实验仅供参考,具体实验清单与产品形态及设备清单为主。

一、智能环境监测实训套件

1.47寸电脑一体机
2.物联网信息平台服务器
3.气象站主机
4.GPRS模块
5.太阳能供电系统
6.大功率蓄电池
7.配件
8.资源环境物联网公共信息服务平台
9.媒体弱电专用电源箱
10.WiFi设备服务器
11.实训台结构件
12.WiFi设备服务器
13.电脑
14.物联网环境监测管理软件V1.0
15.温湿度传感器
16.光照传感器
17.二氧化碳传感器
18.土壤温湿度传感器
19.风速传感器
20.风向传感器
21.PM2.5传感器
22.大气压力传感器
23.雨雪传感器
24.雨量传感器
25.土壤盐分传感器
26.土壤pH值传感器
27.日照时数传感器
28.光电感烟探测器
29.密封性浸水传感器
30.可燃气体探测器