模擬量采集技術在農業物聯網中的應用探究

許敏界，華珊，徐志福，葉宏寶

（浙江省農業科學院農業裝備研究所，浙江 杭州 310021）

1 前言

物聯網是在傳感器技術、嵌入式技術、云計算、網絡技術等相關技術達到一定水平后必然產生的一種綜合技術。

目前，物聯網技術廣泛應用于智能家居、公路運輸網中的ETC、交通管理、航天航空等。隨著現代農業自動化和信息化的發展，農業物聯網技術受到了廣泛應用，推動了傳統農業向現代農業的轉變，有助于現代農業朝著高產、高效、優質、生態、安全的目標發展。以智慧農業為例，智慧農業使用不同類型的傳感器收集數據（如溫度、濕度、光照等）。通過互聯網發送或接收數據，然后通過管理信息系統對數據進行管理和分析。這個相互連接的系統就是物聯網。使用智慧農業獲得的數據有助于提高生產，減少浪費，獲得精準的管理模式。智慧農業可以使用不同的技術手段，在生產的不同階段發揮作用，如監控植物生長、土壤管理、灌溉、害蟲控制等。

農業物聯網技術也在農業信息化建設中表現出巨大優勢。農業生產領域，通過物聯網技術能夠精確地實現對農作物生長環境的有效追蹤和管控。農業物聯網的核心是將物聯網傳感器安裝在農業生產各環節，以實現農業數據傳輸。對農作物生長環境的監控，主要在于對農作物生長參數的采集和分析。隨著農產品品質要求的不斷提高，對農作物生長環境的溫度、濕度、二氧化碳等參數采集的精度要求也越來越高。西門子PLC的模擬量模塊可以實時檢測并采集溫度、濕度、二氧化碳和光照傳感器的輸入值。西門子PLC的采集精度高，通過以太網接口可以實現模擬量采集參數與PC機的交互。通過無線通信與互聯網技術實現PLC遠程數據傳輸。西門子PLC模擬量采集技術是實現農業物聯網精準化檢測和控制的基礎。

2 模擬量采集系統整體結構設計

物聯網遠程監控系統由感知層、傳輸層和應用層組成，感知層主要用于獲取所需監測和控制的各類溫室數據，包括空氣溫濕度、土壤溫濕度和二氧化碳濃度等參數。如圖1感知層通過模擬量模塊采集參數，通過通訊模塊實現與HMI控制器和Web服務器之間的信息交互，進而實現數據在物聯網中的應用。

圖1 模擬量采集模塊的電路原理圖

3 模擬量電路原理及采集模式

3.1 EM AE04模塊的特點

智能控制系統中，即有用于邏輯控制的開關量外，又有用于電壓、電流等參數采集的模擬量。處理邏輯控制時，不僅需要采集數據，而且需要進一步處理數據。西門子S7-200 smart PLC配置有模擬量采集模塊。模擬量采集模塊電路集成了電流和電壓采集部分，與S7-200 PLC相比，它的性能更好，接線更簡單。EM AE04模塊是S7-200 smart PLC的4路模擬量模塊。AE04的采樣參數為：電流0～20mA，電壓-10～+10V。S7-200 smart PLC的模擬量輸入通道與S7-200 PLC不同。S7-200 smart PLC的模擬量輸入通道，會隨著PLC控制系統輸入輸出模塊數量的變化而改變。S7-200 PLC模擬量輸入模塊的通道則是固定的。

3.2 EM AE04模塊的原理圖及通道設置

EM AE04模擬量采集模塊的電路原理圖如圖2所示，L+和M分別接24V+和24V-，GND接地，電流和電壓信號采集時，必須保證電流正、電壓正接正端子，同時電流負、電壓負接負端子。EM AE04缺少內部電源，采集模擬量時，傳感器必須外接電源，根據傳感器的參數串聯相應的電壓源。模擬量模塊具有電源自檢功能，如果電源出錯，PLC會自動報警并停止正常工作。

圖2 模擬量采集模塊的電路原理圖

根據EM AE04模擬量采集模塊的電路原理，設計電氣原理圖如圖3，將光照傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、土壤水分傳感器接入AE04模擬量模塊的0+、0-，1+、1-，2+、2-，3+、3-，光照傳感器、濕度傳感器為24V供電，輸出模式為電流信號輸出。溫度傳感器、土壤水分傳感器也是24V供電，輸出模式為電壓信號輸出。

圖3 電氣原理圖

根據模擬量采集通道的傳感器輸入信號類型，設置每個通道的數據類型，如圖4所示，通道0，1設置為電流值，通道2、3設置為電壓值。

圖4 模擬量通道設置

4 硬件系統設計及軟件編程

4.1 硬件設計

根據原理圖，完成對西門子PLC控制系統的硬件電路布置如圖5，其中1為S7-200 Smart PLC控制器，具有運算、存儲等功能，2是AE04模擬量采集模塊。硬件搭建完成后，通過以太網口可以實現對PLC控制系統的程序輸入。

圖5 硬件系統

4.2 軟件編程

模擬量信號采集程序如圖6所示。AIW16對應PLC模擬量輸入口的0+，0-，IN_HI最大模擬量所對應的數字量值（27648），IN_LO最小模擬量所對應的數字量值（5530），OUT_H測量范圍最大值（5），OUT_L測量范圍最小值（0），OUT換算結果存儲的位置（VD220）。

圖6 模擬量采集程序

5 數據采集分析與PC端交互

利用西門子PC Access SMART實現西門子PLC中的存儲數據在PC機上的交互。根據模擬量通道傳感器的設置，VD220、VD224、VD228、VD232分別對應光照、濕度、溫度、土壤水分參數。在溫室環境中采集光照強度、空氣濕度、空氣溫度和土壤水分等參數。如圖7為利用專用軟件對西門子PLC中VD220、VD224、VD228、VD232等數據存儲器的實時數值進行監測，分別為607.7lux、50.6RH（%）、31.0℃、15.3RH（%）。

圖7 PLC端監測參數

通過PC Access SMART上傳到PC端的存儲器值如圖8所示。

圖8 PC ACCESS端監測參數

構建參數列表，通過后臺服務程序存入數據庫。VD220、VD224、VD228、VD232數據以每分鐘一次的頻率存儲到數據庫中。將數據庫存儲數據與PLC端存儲數據進行對比研究，證明西門子模擬量模塊采集精度高，傳輸效率高，穩定性好（如圖9）。

圖9 數據存儲列表

6 結語

（1）模擬量采集程序，通過算法處理，將電流、電壓信號直接轉變為相應環境監測值進行輸出，減少了后續處理，方便了數據的顯示和應用。

（2）西門子模擬量采集精度高，輸出值精確到0.001，適用于農業高精度數據采集領域。數據傳輸效率高，穩定性好。

（3）西門子PLC作為工業控制的核心，廣泛應用于工業控制領域。西門子PLC具有響應速度快、采集精度高、控制精準等特點。在農業生產中，生產者對農業控制系統精度、穩定性等要求越來越高，西門子PLC控制系統也越來越多地應用于農業控制領域。物聯網農業作為農業發展的一個重要方向，模擬量采集是物聯網農業的基礎，將西門子模擬量模塊應用于農業物聯網不僅增加了模擬量的采集精度，而且使農業控制朝著工業控制的方向邁進，有助于形成采集、控制精度高，控制穩定性好的物聯網農業控制系統。西門子PLC在農業物聯網中的應用，為進一步實現農產品的智能化加工奠定了硬件基礎。