物聯(lián)網(wǎng)工程設計與系統(tǒng)仿真 課件 第6章 智慧圖書館溫控系統(tǒng)

第6章智慧圖書館溫控系統(tǒng)12理解智慧圖書館溫控系統(tǒng)功能和系統(tǒng)拓撲圖理解模擬量采集器ADAM-4017+、數(shù)字量采集控制器ADAM-4150的數(shù)據(jù)采集及設備控制功能理解繼電器、溫濕度傳感器（485型）、溫濕度傳感器（模擬量型）的功能知識目標能夠分析智慧圖書館溫控系統(tǒng)的功能和拓撲能夠完成智慧圖書館溫控系統(tǒng)的構建與仿真掌握模擬量采集器ADAM-4017+和數(shù)字量采集控制器ADAM-4150在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的使用方法掌握溫濕度傳感器（485型）、溫濕度傳感器（模擬量型）、繼電器及多種負載在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的使用方法能夠使用配套虛擬串口工具采集與控制智慧圖書館溫控系統(tǒng)設備

能力目標培養(yǎng)從整體到局部、從概括到細節(jié)的認知習慣培養(yǎng)積極思考與勤于實踐并重的意識培養(yǎng)獨立學習與溝通協(xié)作的能力

素質(zhì)目標第6章智慧圖書館溫控系統(tǒng)目錄CATALOG第6章智慧圖書館溫控系統(tǒng)303010204智慧圖書館介紹任務分析任務實施案例總結智慧圖書館介紹6.14※背景導入※概念導入※案例導入第6章智慧圖書館溫控系統(tǒng)傳統(tǒng)圖書館存在的問題：人員集中，溫度直接影響到大家的閱讀體驗；不合適的溫度和濕度對古老書籍造成損壞；溫度控制不能實時調(diào)節(jié)。智慧圖書館的引入勢在必行智慧圖書館介紹：背景導入圖書館夏日環(huán)境及藏書受損情況5智慧圖書館以物聯(lián)網(wǎng)應用中的數(shù)據(jù)采集、智能控制為主，利用傳感、網(wǎng)絡與通信等多種技術的協(xié)同，幫助用戶擺脫場所限制，對圖書館的環(huán)境設備進行使用、監(jiān)控、管理。智慧圖書館是基于物聯(lián)網(wǎng)基礎設備的現(xiàn)實應用場景之一，也是物聯(lián)網(wǎng)技術在公共設施中的最好體現(xiàn)方式之一，在高校和一些大中型公共場所已經(jīng)得到實際應用。智慧圖書館6智慧圖書館介紹：概念導入智慧圖書館智能溫濕度控制系統(tǒng)由在圖書館內(nèi)外環(huán)境部署的溫濕度傳感器實時采集館內(nèi)外環(huán)境的溫濕度信息基于對所采集溫濕度數(shù)據(jù)的分析，使用多種執(zhí)行器設備有針對性地對館內(nèi)環(huán)境的溫濕度狀況進行調(diào)節(jié)自動調(diào)節(jié)館內(nèi)溫度、濕度自動調(diào)節(jié)館內(nèi)光線強弱自動借閱與歸還書本…智慧圖書館的智慧7智慧圖書館介紹：案例導入任務分析6.28第6章智慧圖書館溫控系統(tǒng)※系統(tǒng)拓撲※關鍵設備※連線參考任務分析智慧圖書館智能溫濕度控制系統(tǒng)可以采集室內(nèi)室外的溫度及濕度，并利用采集器將數(shù)據(jù)通過有線的方式傳輸?shù)娇梢燥@示的串口界面。管理員通過觀察串口界面的溫濕度數(shù)據(jù)，并按一定的策略通過串口操控風扇、加濕器、LED燈來調(diào)控溫濕度。9任務分析：系統(tǒng)拓撲在室內(nèi)室外均布設溫濕度傳感器。室外溫濕度傳感器采集室外環(huán)境的溫濕度，利用485型有線方式來傳輸數(shù)據(jù)。室內(nèi)溫濕度傳感器采集圖書館內(nèi)部的溫濕度實時值，利用TTL電平來傳輸數(shù)據(jù)。當溫度過低時，打開LED燈（加熱燈）以升溫，當溫度過高時，打開風扇以降溫；當濕度過低時，打開加濕器以增加濕度，當濕度過高時，打開風扇以除濕。智慧圖書館溫控系統(tǒng)運行流程系統(tǒng)功能10任務分析：系統(tǒng)拓撲系統(tǒng)拓撲分析11室外溫濕度傳感器通過485轉(zhuǎn)232設備（485=232轉(zhuǎn)換器）將數(shù)據(jù)傳輸給PC；室內(nèi)溫濕度傳感器通模擬量采集器ADAM-4017+采集器的485數(shù)據(jù)端口（D+/D）將數(shù)據(jù)傳輸給PC；數(shù)字量采集控制器ADAM-4150通過DO系列端口控制繼電器，進而控制各個執(zhí)行器。任務分析：系統(tǒng)拓撲12

在實際產(chǎn)品和系統(tǒng)的開發(fā)過程中，各個硬件的電氣通信協(xié)議不盡相同，常需要使用橋接設備來連通不同的硬件。例如本案例中使用的485=232轉(zhuǎn)換器，可以連通支持RS-485與RS-232兩種不同接口的硬件設備。PC的數(shù)據(jù)端口是基于RS-232的電氣端口，為9針孔插口。模擬量采集器ADAM-4017+和數(shù)字量采集控制器ADAM-4150的數(shù)據(jù)端口都是基于RS-485的電氣特性端口，所以在與PC進行數(shù)據(jù)通信時必須要有一個轉(zhuǎn)換工具作為中繼。485=232轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部集成了一個485通訊芯片和一個232通訊芯片，通過電路設計，兩種數(shù)據(jù)信號可以在兩塊芯片之間進行正常通信。類似的轉(zhuǎn)換設備還有USB轉(zhuǎn)串口設備、USB轉(zhuǎn)網(wǎng)口設備、HDMI轉(zhuǎn)VGA設備等，這些都是日常生活、產(chǎn)品開發(fā)、實驗實操中常用的轉(zhuǎn)換工具。工程師提示任務分析：關鍵設備13智慧圖書館溫控系統(tǒng)所需設備清單序號設備名稱數(shù)量1模擬量采集器（ADAM-4017+）12溫濕度傳感器（模擬量型）13溫濕度傳感器（485型）14485=232轉(zhuǎn)換器15數(shù)字量采集控制器（ADAM-4150）16繼電器47風扇（降溫器）18LED燈（加熱燈）19霧化器（加濕器）110風扇（除濕器）111PC（串口數(shù)據(jù)接收）112電源（12V1個、24V2個、220V1個）4任務分析：關鍵設備14ADAM-4017+和ADAM-4150的端口分配序號傳感器/執(zhí)行器/轉(zhuǎn)換器供電電壓ADAM-4017+端口ADAM-4150端口1溫濕度傳感器（模擬量型）藍線（溫度Temp）DC24VVIN2+/2溫濕度傳感器（模擬量型）綠線（濕度Humi）DC24VVIN1+/3溫濕度傳感器（485型）黃線（485-A）DC24V//4溫濕度傳感器（485型）藍線（485-B）DC24V//5風扇（降溫器）DC24V/DO06LED燈（加熱燈）DC12V/DO17霧化器（加濕器）DC24V/DO28風扇（除濕器）DC24V/DO3任務分析：關鍵設備1.模擬量采集器ADAM-4017+ADAM-4017+實物16位8通道的模擬量輸入模塊；用于采集0-5V電壓信號，4-20mA電流信號，可通過編程修改輸入范圍；主要原理：將電壓和電流信號采集輸入，然后通過485轉(zhuǎn)232通信接口與PC相連接；通信協(xié)議：MODBUSRTU協(xié)議；通信速率：9600bit/s，也可定制相應波特率；在工業(yè)測量和監(jiān)控應用領域，ADAM-4017+模塊是比較經(jīng)濟的解決方案。15任務分析：關鍵設備16

RS-485是硬件層面的電氣特性標準，規(guī)定了使用485方式傳輸信號時應該遵循的電氣標準：使用雙絞線（A線、B線），由兩根線的電壓差決定邏輯0與邏輯1（電壓差為+2～+6V表示邏輯1，電壓差為-2～-6V表示邏輯0），485線纜上需匹配一個120Ω的電阻等。

ModbusRTU是485總線在軟件層面的通信協(xié)議，這就好比人們溝通交流時的語言和語法一樣，只有遵循特定的語法，通信雙方才能懂得對方要表達的意思，ModbusRTU就是用來解釋485線纜上傳輸?shù)倪壿?與邏輯0的語法。工程師提示任務分析：關鍵設備1.模擬量采集器ADAM-4017+17ADAM-4017+內(nèi)部結構左右兩側8個黃色的跳線開關分別對應8個模擬量輸入通道。JP0～JP7分別對應ADAM4017+的0～7通道，用于選擇通道輸入信號是電壓還是電流。跳線短接2和3（默認），對應電壓信號輸入；跳線短接1和2，對應電流信號輸入。任務分析：關鍵設備2.數(shù)字量采集控制器ADAM-415018ADAM-4100系列是通用傳感器到計算機的便攜式接口模塊，該系列具有堅固的工業(yè)級ABS塑料外殼；內(nèi)置微處理器可以獨立提供智能信號調(diào)理、模擬量I/O、數(shù)字量I/O和LED數(shù)據(jù)顯示，專為惡劣環(huán)境下的可靠操作而設計ADAM-4150隸屬于ADAM-4100系列任務分析：關鍵設備2.數(shù)字量采集控制器ADAM-415019隸屬于ADAM-4100系列的數(shù)字量采集控制器，支持7通道輸入（DI0～DI6）和8通道輸出（DO0～DO7），可以在惡劣環(huán)境下進行工作。ADAM-4150的使用注意事項：電源正負極不能接反，+VS、GND端口連接到24V直流電源處；D+、D?端口分別連接485=232轉(zhuǎn)換器的T/R+、T/R?端口。任務分析：關鍵設備2.數(shù)字量采集控制器ADAM-415020支持數(shù)字輸入水平倒置；干接點（邏輯低電平：接地，邏輯高電平：開放）；濕接點（邏輯低電平：0-3V，邏輯高電平：10-30V）；支持3KHZ計數(shù)器（32位+1位溢流）和頻率輸入；過電壓保護：±40VDC。123457路數(shù)字輸入任務分析：關鍵設備2.數(shù)字量采集控制器ADAM-415021集電極開路40V，1A（最大負載）；支持5KHZ脈沖輸出；支持高至低和低至高延時輸出；隔離電壓：3000VDC；浪涌，EFT和ESD保護；123458路數(shù)字輸出RS-485I/O模塊(ADAM-4000和ADAM-5000/485系列)。6任務分析：關鍵設備3.繼電器22繼電器是一種電控制器件，是當輸入量（激勵量）的變化達到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預定的階躍變化。具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動關系。通常應用于自動化的控制電路中，是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關”。在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。引腳對應端口的關系：開關com端：5、6開關常開端：3、4開關常閉端：1、2線圈正極端：7線圈負極端：8任務分析：關鍵設備4.溫濕度傳感器（485型）23溫濕度傳感器（RS485型）實物輸入電源、感應探頭、信號輸出三部分完全隔離。具有測量范圍寬、防水性能好、安裝及使用方便、傳輸距離遠等特點，包括經(jīng)濟型、帶液晶顯示屏型以及帶外置探頭型三種類型。廣泛適用于農(nóng)業(yè)大棚、花卉培養(yǎng)等需要溫濕度監(jiān)測的場合。123三種類型經(jīng)濟型傳感器：只適用于室內(nèi)、平緩環(huán)境。帶液晶顯示屏傳感器：適用于室內(nèi)的平緩環(huán)境，支持液晶大屏幕實時顯示。帶外置探頭傳感器：室內(nèi)、室外用均可，外殼全防水（IPV68），可應用于各種惡劣環(huán)境。244.溫濕度傳感器（485型）任務分析：關鍵設備254.溫濕度傳感器（485型）直流供電（默認）DC9～24V最大功耗RS-485輸出0.4W精度濕度±3%RH(5～95%RH，25℃典型值)溫度±0.5℃（25℃典型值）測量范圍濕度0～100%RH溫度-40℃～80℃(可定制)長期穩(wěn)定性濕度≤1%/y溫度≤0.1℃/y輸出信號RS-485（Modbus協(xié)議）溫濕度傳感器（485型）的技術參數(shù)任務分析：關鍵設備265.溫濕度傳感器（模擬量型）任務分析：關鍵設備廣泛適用通訊機房、倉庫樓宇以及自控等需要溫濕度監(jiān)測的場所；123輸入電源，測溫單元，信號輸出三部分完全隔離；由于采用模擬量作為輸出，傳輸距離比較近，一般用于室內(nèi)環(huán)境的溫濕度采集。275.溫濕度傳感器（模擬量型）任務分析：關鍵設備直流供電（默認）DC10～30V最大功耗電壓輸出1.2W電流輸出1.2W精度濕度±3%RH(5～95%RH，25℃典型值)溫度±0.5℃（25℃典型值）變送器電路工作溫度-20～+60℃，0～80%RH探頭工作溫度-40～+120℃，默認-40～+80℃探頭工作濕度0～100%RH長期穩(wěn)定性濕度≤1%/y溫度≤0.1℃/y響應時間濕度≤8s(1m/s風速)溫度≤25s(1m/s風速)輸出信號電流輸出4～20mA電壓輸出0～5V/0～10V負載能力電壓輸出輸出電阻≤250Ω電流輸出輸出電阻≤600Ω

注：帶液晶顯示屏型產(chǎn)品的

最大電流會增加5mA溫濕度傳感器（模擬量型）的技術參數(shù)28任務分析：連線參考根據(jù)圖中標注的數(shù)字量采集控制器ADAM-4150、模擬量采集器ADAM-4017+以及各傳感器設備的名稱及引腳/端口連接，在實訓仿真系統(tǒng)的設計區(qū)中進行連線時參考。任務實施6.329第6章智慧圖書館溫控系統(tǒng)任務實施打開“物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)實訓仿真系統(tǒng)”軟件。工作臺命名：智慧圖書館溫控系統(tǒng)30任務實施步驟一：在實訓仿真系統(tǒng)的設計區(qū)準備好本案例的所有設備。31序號設備名稱數(shù)量1模擬量采集器（ADAM-4017+）12溫濕度傳感器（模擬量型）13溫濕度傳感器（485型）14485=232轉(zhuǎn)換器15數(shù)字量采集控制器（ADAM-4150）16繼電器47風扇（降溫器）18LED燈（加熱燈）19霧化器（加濕器）110風扇（除濕器）111PC（串口數(shù)據(jù)接收）112電源（12V1個、24V2個、220V1個）4任務實施步驟二：參考系統(tǒng)連線圖完成設備連線。32首先連接ADAM4017的傳感器采集部分。應當注意兩點：室外溫濕度傳感器（485型）的485-A與485-B引腳需要分別與ADAM4017的D+與D-連接，且還需要分別與485=232的T/R+與T/R-連接。溫濕度傳感器（模擬量型）、溫濕度傳感器（485型）、ADAM-4017+同時供電任務實施步驟二：參考系統(tǒng)連線圖完成設備連線。33然后連接ADAM-4150的控制部分。執(zhí)行器都要通過繼電器獲得供電，因此先將每個執(zhí)行器的VS與GND端口分別連接繼電器的4腳（VS）和3腳（GND）任務實施步驟二：參考系統(tǒng)連線圖完成設備連線。34接著將各繼電器接入電源。兩個風扇和霧化器都是額定電壓為24V的設備，所以對應繼電器的6腳接24V電源的正極，5腳接24V電源的負極；LED燈的額定電壓為12V，所以對應的繼電器的6腳接12V電源的正極，5腳接12V電源的負極；繼電器的8腳為繼電器自身的供電引腳，統(tǒng)一接24V電源的正極。任務實施步驟二：參考系統(tǒng)連線圖完成設備連線。35將繼電器全部接入控制器ADAM-4150，并將ADAM-4150與PC連接。ADAM4150通過485轉(zhuǎn)232與PC連接，故ADAM-4150的D+與D-分別與485=232的T/R+與T/R?相連將ADAM-4150的D.GND端口接地任務實施步驟三：對部分設備進行配置。36首先是對傳感器進行配置，雙擊室內(nèi)溫濕度傳感器，進入配置界面。任務實施步驟三：對部分設備進行配置。37設置溫濕度傳感器（模擬量型）的濕度以及溫濕度傳感器（485型）的溫度和濕度。任務實施步驟三：對部分設備進行配置。38配置串口配置內(nèi)容：可以選擇COM200、COM201或COM202；以COM200為例，虛實結合選擇“行業(yè)”，波特率默認9600不變，點擊開啟選項，完成串口配置。任務實施39

企業(yè)級的嵌入式項目開發(fā)中，串口工具是一種很常見、很便捷的調(diào)試工具，它可以幫助研發(fā)和測試人員快速查找產(chǎn)品的問題所在。通常，串口工具中需要設置的關鍵參數(shù)有串口號（端口號）、串口波特率、數(shù)據(jù)位長度、奇偶校驗位、十六進制或ASCII碼輸出形式、換行打印等等，嵌入式產(chǎn)品利用串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC的串口工具顯示界面，開發(fā)人員通過觀察數(shù)據(jù)打印結果，分析判斷產(chǎn)品執(zhí)行情況以及存在bug（錯誤）的地方，從而有針對性地去解決問題。

串口工具不是唯一的，為研發(fā)方便，大多數(shù)嵌入式軟件工程師會為自己的項目和產(chǎn)品單獨開發(fā)串口工具，因為只有自己設計的串口工具才是最“了解”自己的產(chǎn)品的，二者相輔相成。工程師提示任務實施步驟四：驗證連線，開啟仿真模擬實驗40連線驗證失敗的原因：電源供電有誤、采集器或控制器的端口接錯等。出現(xiàn)連線驗證失敗后，可返回查看端口分配表及系統(tǒng)連線圖進行錯誤修正。開啟模擬試驗后，可以觀