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基于Zigbee、Wifi物联网水利、水质实验室建设方案.pdf

发布时间：2022-04-13 发布人：admin 分类：互联网 资料大小：0.72M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    专业提供物联网实验室开发套件、实验室建设、项目集成 基于 Zigbee、Wifi 物联网 水利、水质实验室建设解决方案 1. 系统总体设计 水利信息化综合体系中，应用系统以水资源管理、农村水利信息管理等水利 部提出的八大重点工程为核心，服务于各种水利业务管理；信息化基础设施不仅 包括水利应用系统赖以存在的网络硬件平台，还包括水利基础信息采集点、水利 通信骨干网络的建设。我国水利信息化还基本处于基础设施完善和业务应用初步 建设的阶段，为加快水利行业信息化的进程，需要更广泛、有效地运用高新科技， 结合水利行业的业务特点，尤是近期如火如荼的物联网相关技术。 水利物联网解决方案立足水利行业信息化的发展。通过提供灌区信息化管理 系统、水资源管理系统、水利通信与自动化系统等，对水文、水质、闸门等实时 信息的采集、传输、处理加工和应用，切实提高水利行业管理的综合能力和管理 水平，实现向动态管理、精细管理、定量管理和科学管理的转变。 2. 系统方案架构 水利物联网管理系统采用流量监测设备、水质检测设备和视频监测设备等， 对水流量、水质、视频信息等进行实时采集，以标准工业电信号上报综合信息化 采集器，接入到中国移动 TD-SCDMA 网络或者中国联通的 3G 网络。综合信息采集 器采用多路 A/D 复用传感器采集通道，可外接多路模拟量、数字量传感器探头， 提供水质检测仪协议转换和数据量转换，提供视频模拟信号转换数据信号 （H.264），最终将视频信号、水质监测信号和水量监测信号合并上传。为保证设 备可靠运行，需要提供完善的室外环境适应设计，如摄像机及水质检测仪需安装 于野外环境中，其余设备均安装于室外设备箱体内。箱体设计应充分考虑防潮、 防雨、防雷击、高低温工作环境等因素。在供电系统成熟区域，电源采集可直接 从动力配电室引出，只需布设电源线缆进行接入；在不具备供电系统的区域，采 用太阳能板供电，这样使用寿命长、性能稳定、维护费用较低。 北京市中关村 901 号 212 室 010-62560901 http://www.wsn.org.cn
    专业提供物联网实验室开发套件、实验室建设、项目集成 水利物联网管理系统方案架构 本系统由感知层、网络层、应用层组成。其中，感知层包括：水文传感器（水 温、流量、流速、PH 值等）、管道传感器（水压、流量等）、水利设备标识（RFID 标签、一维码标签等）、视频摄像头、采集节点等。网络层包括：节点间的 ZigBee 网络、wifi 网络、3G 网络、GPRS 网络等。应用层包括：设备管理系统、监控系 统、WEB 服务系统等。 水利物联网实验室侧重于将复杂的系统，通过简单的设备和原理展现出来， 有利益学生对物联网技术的认识，并且提供了广泛的接口，方便进行二次开发和 进行深入研究。在学生培养方面，实现了从简到繁的渐进学习；在开发方面，实 现了可调可控，易于开发的友好环境；在产业应用方面，通过对模块化的操作， 便于在工业应用中集成；在科研方面，通过物联网实验室的基础设备，可凭借平 台申请相关项目，并且在平台上进一步进行科学研究。 3. 感知层设计方案 感知层节点负责着信息采集，信息采集节点采用多路 A/D 复用传感器采集通 道，可外接多路模拟量、数字量传感器探头，提供水质检测仪协议转换和数据量 转换。将数据通过无线或者有线方式传输出去。视频模拟信号转换数据信号 （H.264），最终将视频信号、水质监测信号和水量监测信号合并上传。 3.1 信息采集节点 信息采集节点由三个主要模块组成：低功耗芯片组模块，传感器接口模块和 电源模块。 其中，低功耗芯片组模块包括了处理器、射频模块以及低功耗管理模块，低 功耗的一体化设计成可以对芯片进行修改以适应低功耗要求。通过设置低功耗管 理模块，可以对处理器和射频模块的功耗进行统一的管理，进而使得对功耗的管 北京市中关村 901 号 212 室 010-62560901 http://www.wsn.org.cn
    专业提供物联网实验室开发套件、实验室建设、项目集成 理更具有灵活性。 通过设置传感器接口模块，增加了节点设备的灵活性。通过配置不同的传感 器接口模块，可以使节点设备匹配不同类型的传感器，从而以非常小的代价提供 非常高的灵活性。另外，通过设计接口模块，可以使节点连接多种类型的传感器。 电源模块为低功耗芯片组模块和传感器接口模块提供电能支持。电源模块由 电源采集模块、电源控制模块以及电源存储模块组成。由于设备工作在野外，无 法获得稳定的有线电源，因此考虑采用太阳能，而电源采集模块负责能量的采集。 由于太阳能受时间和天气等外界因素的影响比较大，因此设置电源存储模块，将 采集的能量存储起来，供无法获得太阳能的时候使用。电源控制模块负责整个电 源模块的管理。 信息采集节点设备组成 4. 网络层设计方案 由于传感器网络节点的通信能力较弱，相隔一定距离的传感器节点之间不能 实现直接通信，而为了能够将传感的数据及时有效的发送出去，整个传感器网络 必须要能够连接成一个能互连互通的网络，因此，传感器网络网关必不可少。传 感器网络网关在传感器网络中的作用相当于桥梁，可以将彼此间相互独立的信息 区域连接起来。无线传感器网络必须面临复杂的环境，必须通过各种不同的高低 速率的无线协议的合作才能准确的获取监测地区的准确数据。因此，网关设备必 须能够处理各种不同协议之间的数据转发。 5. 水文信息采集 水利信息化是国家信息化建设的重要组成部分，它是指充分利用现代信息技 术，深入开发和广泛利用水利信息资源，实现水利信息采集、传输、处理和服务 的网络化与智能化，全面提长水利事业各项活动的效率和效能的历史过程。水文 信息包括了所有描述水体天然和人为影响等各类要素，是水利信息中最重要、最 活跃的部分，是水利信息资源的主体之一。 北京市中关村 901 号 212 室 010-62560901 http://www.wsn.org.cn 传感器接口模块电源模块低功耗芯片组处理器射频模块低功耗管理模块电源采集模块电源控制模块电源存储模块
    专业提供物联网实验室开发套件、实验室建设、项目集成 5.1 传感器 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并 能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其 他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、 显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制 的首要环节。 在水利物联网中，传感器多种多样，可采集水文、水质等信息，以及水利的 其他物理信息，例如：水位、水压、流速、流量、PH 值等。  水位传感器 水位传感器提供高精度的水位测量，应用范围广，包括一些恶劣的环境。自 带动态温度补偿系统，在很宽的温度范围仍具有较高的测量精度。它适用于数据 记录器、遥测、监测设备。由一个固态沉入式压力变换器组成，压力变换器封装 在一个 20mm 直径的不锈钢外壳内。配有模制防风雨电缆和 2 芯线 4-20mA 信号输 出，用于连接到监测装置。 压力范围：0-1，5，10，20，40，75，152 米(可选) 精度：±0.1% 满量程（恒温） 输出：4-20mA 或 0.5-2.5VDC(取样电阻 125 欧姆) 电源电压：8-36VDC 工作温度：-40～+85℃  水压传感器 水压传感器采用扩散硅进口芯片，电路采用信号隔离放大，截频干扰设计 （抗干扰能力强，防雷击）过压保护，限流保护，抗冲击，防腐等。316 不锈 钢全封焊，结构小巧、紧凑，有良好的防潮能力和优异的介质兼容性。压力传 感器是在单晶硅片上扩散上一个惠斯通电桥，电压阻效应是桥壁电阻值发生变 化，产生一个差动电压信号。此信号经专用放大器，再经电压电流变换，将量 程相对应的信号转化成标准 4~20mA/0~5VDC/0~10VDC 信号。 量 程： -0.1~0~0.001~100MPa（中间量程任选） 综合精度： 0.2%FS 压力类型： 负压、绝压、表压、密封压 （绝压加 140）（可选 测量介质： 气体 液体 输出信号： 4～20mA 供电电压： 12～36VDC 介质温度： -40～85℃ 环境温度： 常温-40～85℃ 零点温漂移：±0.01%FS/℃ 量程温度漂移：±0.01%FS/℃ 补偿温度： 0~70℃ 北京市中关村 901 号 212 室 010-62560901 http://www.wsn.org.cn
    专业提供物联网实验室开发套件、实验室建设、项目集成 安全过载： 150%FS 极限过载： 200%FS 防护等级： IP65 采样频率： ≤2ms  水温传感器 水温传感器是一个坚固耐用的水样温度测量器件。 探头与7.6米船舶级电缆塑压连接，采用2线制，电子 部件全部由船舶级环氧树脂封装。 输出：4-20mA 测量范围：-50～+50℃ 精度：±0.1℃ 工作电压：10-36VDC 工作温度：-50～+100℃  PH 传感器 pH 传感器坚固耐用、值得信赖。配备 7.6 米的船舶级电缆，电缆长度可根 据需要调整。pH 传感器输出是 3 线配置的 4-20mA，使用船舶级环氧树脂将电子 部件完全封装在不锈钢外壳里。pH 值传感器还使用了可拆卸的防护罩、可更换 的 pH 电极，易于维护。 输出：4-20mA 测量范围：0-14 pH 精度：2% 满量程 工作电压：10-36 VDC 工作温度：-5～+55℃  电导率传感器 电导率传感器使用4级电极测量技术，提供大量程的电导 温度的准确读数。由于离子溶液的电导率随温度升高而增加， 率和 因此 内置温度传感器，相对标准25℃，提供2%/℃的自动温度补偿。内置接口模块把 数字电导率和温度数据转为2股独立的4-20mA信号，分别连接数据记录器和可编 程逻辑控制器（PLC）设备。 测量范围：0-200µS/cm，200-2000µS/cm，2-20mS/cm，20-200mS/cm，200-2000mS/cm （可选） 分辨率：0.1µS/cm，1µS/cm，0.01mS/cm，0.1mS/cm，1 mS/cm（分别对应上述测 量范围） 精度：读数的±0.5% 温度范围：-5～+70℃ 温度精度：0.2℃ 输出：4-20mA 双信号（电导率和温度传感器） 最大压力：35 psi（25 米水深） 北京市中关村 901 号 212 室 010-62560901 http://www.wsn.org.cn
    专业提供物联网实验室开发套件、实验室建设、项目集成 最小浸入深度：36mm 工作电压：10-36 VDC 工作温度：-5～+70℃  溶解氧传感器 溶解氧传感器坚固耐用、值得信赖。连接到7.6m的船舶级电缆。溶解氧传感 器输出为3线配置，4-20mA，使用船舶级环氧树脂将电子部件完全封装。 输出：4-20mA 测量范围：0-100%饱和度，0-8mg/L(温度补偿至25℃) 精度：±0.5% 满量程 最大压力：40 psi 电压：10-36VDC 输出电流：15.5mA+传感器电流 工作温度：-40～+55℃  OPR 传感器 ORP 传感器坚固可靠，配有 7.6 米的船舶级 传感器信号输出为三线配置，4-20mA。其电子部 封装在船舶级环氧树脂（在线版本尺寸为 PVC 端带螺纹，还有盖帽）。 输出功率：4-20mA 范围：-500～+500 mV 精度：2% 满量程 最大压力：40psi 输出电流：0.2 mA+传感器电流  浊度传感器 电缆。 件全部 管，两 浊度传感器是一款高精确度的入水式仪器，可用于现场环境或过程监测。应 用范围包括：水质检测及监管、河道监测、水流测量、水库水质检测、地下水检 测、废水处理及工业排污控制。 范围：0-50NTU和0-1000NTU（可选） 精度：±1% 满量程 输出：4-20mA 方法：90°散射法，带校正功能 工作电压：10-36 VDC 输出电流：30mA+传感器输出 预热时间：5 秒 操作温度：-10～+50℃ 最大压力：30 psi 5.2 采集控制节点 采集节点就是将传感器感知到环境的模拟信号， 北京市中关村 901 号 212 室 010-62560901 http://www.wsn.org.cn
    专业提供物联网实验室开发套件、实验室建设、项目集成 通过 ADC 转换为点信息，初步的进行数值化处理、存储等，之后，通过网络将数 据发送出去。 IOT-NODE2530 开发套件是一款功能强大的物联网和无线传感网络开发套件， 它提供了功能齐全的传感器网络节点 IOT-NODE2530 全面支持 ZigBee 2007 Pro 的无线通信协议和 WSN 可视化软件。套件还提供了通用 TI 出品的 CC 系列芯片编 程器和相关使用说明。完备的硬件、软件及技术支持使得用户可以轻松地将该套 件广泛应用于工业、科研和教学等领域。 IOT-NODE2530 节点基于 TI SOC 芯片 CC2530，片内 FLASH 的容量达 256KB。 整个系统采用了通用接口插针，可以按照应用需求进行扩展。 硬件配置及相关参数： 1.IOT-NODE2530 节点 CC2530F256：增强型 8 位的 8051 处理器 板载内存：256KB 片内 Flash、8KB 片内 SRAM 工作电压：2.0V～3.6V 射频频率：2.4GHz 低功耗：具有四种低功耗工作模式，最低功耗模式下工作时仅 0.4μ A 的流耗， 外部中断可唤醒系统 传输速率：250Kbps 可编程的输出功率高达 4.5dBm 节点开关： 1 个电源选择开关 供电方式： 2 节 5 号电池供电，USB 供电以及外接电源供电 接口：1 个 RS232 接口、10 针 JTAG 插座、外扩 I/O 口、1 个两节电池盒、1 个 SMA 天线座 软件配置及相关参数 1.IOT-NODE2530 节点协议 IOT-NODE2530 节点所用协议为 TI 提供的 ZigBee 协议栈 Z-Stack，文档齐 全，实例丰富。基于该协议栈，用户可以快速开发应用程序 2.协议分析管理软件 Packet Sniffer 为快速学习 ZigBee 协议栈，开发套件提供 Packet Sniffer 软件，使您可 以分析协议的具体内容，快速掌握 ZigBee 协议的开发 北京市中关村 901 号 212 室 010-62560901 http://www.wsn.org.cn
    专业提供物联网实验室开发套件、实验室建设、项目集成 协议分析软件 5.3 网关节点 IOT-ARM9 开发套件是一个基于 NXP LPC3250 ARM9 微处理器的无线软硬件平 台。采用模块化的设计理念开发，注重稳定性与可靠性，非常适合于物联网和无 线传感器网络教学、科研及应用。它极大地简化了用户的开发过程，降低了开发 成本和设计风险。开发平台除了集成 SPI WiFi（符合 802.11b/g 标准）和 CC1000 之外，还支持外扩 USB 商用摄像头、商用 USB WiFi 网卡、WCDMA 3G 模块，方便 用户进行各种无线通信开发。此外，1 个 USB 2.0 接口 、1 个标准 SD 卡座、1 个 LCD 接口、2 个 UART 接口与 1 个 JTAG 连接器，可以方便地实现硬件扩展。 IOT-ARM9 开发套件提供了 Linux2.6.27 内核源码、USB WiFi 无线网卡、SPI WiFi 无线网卡、WCDMA 3G 模块、USB 摄像头的源代码级驱动以及多种 Linux 基 础实验源码，方便用户的快速开发和深层次学习。 硬件配置及相关参数： 1.IOT-ARM9 开发平台 使用“核心板+底板+多种可选配件”组成开发平台， 标准配置 CPU 为 LPC3250，全面支持 LPC3200 系列所 有型号 处理器：NXP LPC3250 微处理器，工作主频可高达 266MHz 板载内存：64MB 片外 SDRAM、256MB 片外 NAND Flash、 2MB 片外 NOR Flash、2MB 片外 SPI Flash 支持 NAND Flash、NOR Flash，支持通过网络、USB 和 SD 接口下载内核和文件系统 TFT-3.5 寸液晶屏，像素为 320X240 底板板载 CC1000 通信芯片及 433MHz 天线 可选 USB WiFi 和 WCDMA 3G 通信模块 北京市中关村 901 号 212 室 010-62560901 http://www.wsn.org.cn
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