模拟量采集技术在农业物联网中的应用探究

许敏界，华珊，徐志福，叶宏宝

（浙江省农业科学院农业装备研究所，浙江 杭州 310021）

1 前言

物联网是在传感器技术、嵌入式技术、云计算、网络技术等相关技术达到一定水平后必然产生的一种综合技术。

目前，物联网技术广泛应用于智能家居、公路运输网中的ETC、交通管理、航天航空等。随着现代农业自动化和信息化的发展，农业物联网技术受到了广泛应用，推动了传统农业向现代农业的转变，有助于现代农业朝着高产、高效、优质、生态、安全的目标发展。以智慧农业为例，智慧农业使用不同类型的传感器收集数据（如温度、湿度、光照等）。通过互联网发送或接收数据，然后通过管理信息系统对数据进行管理和分析。这个相互连接的系统就是物联网。使用智慧农业获得的数据有助于提高生产，减少浪费，获得精准的管理模式。智慧农业可以使用不同的技术手段，在生产的不同阶段发挥作用，如监控植物生长、土壤管理、灌溉、害虫控制等。

农业物联网技术也在农业信息化建设中表现出巨大优势。农业生产领域，通过物联网技术能够精确地实现对农作物生长环境的有效追踪和管控。农业物联网的核心是将物联网传感器安装在农业生产各环节，以实现农业数据传输。对农作物生长环境的监控，主要在于对农作物生长参数的采集和分析。随着农产品品质要求的不断提高，对农作物生长环境的温度、湿度、二氧化碳等参数采集的精度要求也越来越高。西门子PLC的模拟量模块可以实时检测并采集温度、湿度、二氧化碳和光照传感器的输入值。西门子PLC的采集精度高，通过以太网接口可以实现模拟量采集参数与PC机的交互。通过无线通信与互联网技术实现PLC远程数据传输。西门子PLC模拟量采集技术是实现农业物联网精准化检测和控制的基础。

2 模拟量采集系统整体结构设计

物联网远程监控系统由感知层、传输层和应用层组成，感知层主要用于获取所需监测和控制的各类温室数据，包括空气温湿度、土壤温湿度和二氧化碳浓度等参数。如图1感知层通过模拟量模块采集参数，通过通讯模块实现与HMI控制器和Web服务器之间的信息交互，进而实现数据在物联网中的应用。

图1 模拟量采集模块的电路原理图

3 模拟量电路原理及采集模式

3.1 EM AE04模块的特点

智能控制系统中，即有用于逻辑控制的开关量外，又有用于电压、电流等参数采集的模拟量。处理逻辑控制时，不仅需要采集数据，而且需要进一步处理数据。西门子S7-200 smart PLC配置有模拟量采集模块。模拟量采集模块电路集成了电流和电压采集部分，与S7-200 PLC相比，它的性能更好，接线更简单。EM AE04模块是S7-200 smart PLC的4路模拟量模块。AE04的采样参数为：电流0～20mA，电压-10～+10V。S7-200 smart PLC的模拟量输入通道与S7-200 PLC不同。S7-200 smart PLC的模拟量输入通道，会随着PLC控制系统输入输出模块数量的变化而改变。S7-200 PLC模拟量输入模块的通道则是固定的。

3.2 EM AE04模块的原理图及通道设置

EM AE04模拟量采集模块的电路原理图如图2所示，L+和M分别接24V+和24V-，GND接地，电流和电压信号采集时，必须保证电流正、电压正接正端子，同时电流负、电压负接负端子。EM AE04缺少内部电源，采集模拟量时，传感器必须外接电源，根据传感器的参数串联相应的电压源。模拟量模块具有电源自检功能，如果电源出错，PLC会自动报警并停止正常工作。

图2 模拟量采集模块的电路原理图

根据EM AE04模拟量采集模块的电路原理，设计电气原理图如图3，将光照传感器、湿度传感器、温度传感器、土壤水分传感器接入AE04模拟量模块的0+、0-，1+、1-，2+、2-，3+、3-，光照传感器、湿度传感器为24V供电，输出模式为电流信号输出。温度传感器、土壤水分传感器也是24V供电，输出模式为电压信号输出。

图3 电气原理图

根据模拟量采集通道的传感器输入信号类型，设置每个通道的数据类型，如图4所示，通道0，1设置为电流值，通道2、3设置为电压值。

图4 模拟量通道设置

4 硬件系统设计及软件编程

4.1 硬件设计

根据原理图，完成对西门子PLC控制系统的硬件电路布置如图5，其中1为S7-200 Smart PLC控制器，具有运算、存储等功能，2是AE04模拟量采集模块。硬件搭建完成后，通过以太网口可以实现对PLC控制系统的程序输入。

图5 硬件系统

4.2 软件编程

模拟量信号采集程序如图6所示。AIW16对应PLC模拟量输入口的0+，0-，IN_HI最大模拟量所对应的数字量值（27648），IN_LO最小模拟量所对应的数字量值（5530），OUT_H测量范围最大值（5），OUT_L测量范围最小值（0），OUT换算结果存储的位置（VD220）。

图6 模拟量采集程序

5 数据采集分析与PC端交互

利用西门子PC Access SMART实现西门子PLC中的存储数据在PC机上的交互。根据模拟量通道传感器的设置，VD220、VD224、VD228、VD232分别对应光照、湿度、温度、土壤水分参数。在温室环境中采集光照强度、空气湿度、空气温度和土壤水分等参数。如图7为利用专用软件对西门子PLC中VD220、VD224、VD228、VD232等数据存储器的实时数值进行监测，分别为607.7lux、50.6RH（%）、31.0℃、15.3RH（%）。

图7 PLC端监测参数

通过PC Access SMART上传到PC端的存储器值如图8所示。

图8 PC ACCESS端监测参数

构建参数列表，通过后台服务程序存入数据库。VD220、VD224、VD228、VD232数据以每分钟一次的频率存储到数据库中。将数据库存储数据与PLC端存储数据进行对比研究，证明西门子模拟量模块采集精度高，传输效率高，稳定性好（如图9）。

图9 数据存储列表

6 结语

（1）模拟量采集程序，通过算法处理，将电流、电压信号直接转变为相应环境监测值进行输出，减少了后续处理，方便了数据的显示和应用。

（2）西门子模拟量采集精度高，输出值精确到0.001，适用于农业高精度数据采集领域。数据传输效率高，稳定性好。

（3）西门子PLC作为工业控制的核心，广泛应用于工业控制领域。西门子PLC具有响应速度快、采集精度高、控制精准等特点。在农业生产中，生产者对农业控制系统精度、稳定性等要求越来越高，西门子PLC控制系统也越来越多地应用于农业控制领域。物联网农业作为农业发展的一个重要方向，模拟量采集是物联网农业的基础，将西门子模拟量模块应用于农业物联网不仅增加了模拟量的采集精度，而且使农业控制朝着工业控制的方向迈进，有助于形成采集、控制精度高，控制稳定性好的物联网农业控制系统。西门子PLC在农业物联网中的应用，为进一步实现农产品的智能化加工奠定了硬件基础。