模擬量采集技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用探究

許敏界，華珊，徐志福，葉宏寶

（浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)裝備研究所，浙江 杭州 310021）

1 前言

物聯(lián)網(wǎng)是在傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、云計算、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)達(dá)到一定水平后必然產(chǎn)生的一種綜合技術(shù)。

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能家居、公路運(yùn)輸網(wǎng)中的ETC、交通管理、航天航空等。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動化和信息化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)受到了廣泛應(yīng)用，推動了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變，有助于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)朝著高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)、安全的目標(biāo)發(fā)展。以智慧農(nóng)業(yè)為例，智慧農(nóng)業(yè)使用不同類型的傳感器收集數(shù)據(jù)（如溫度、濕度、光照等）。通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，然后通過管理信息系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析。這個相互連接的系統(tǒng)就是物聯(lián)網(wǎng)。使用智慧農(nóng)業(yè)獲得的數(shù)據(jù)有助于提高生產(chǎn)，減少浪費(fèi)，獲得精準(zhǔn)的管理模式。智慧農(nóng)業(yè)可以使用不同的技術(shù)手段，在生產(chǎn)的不同階段發(fā)揮作用，如監(jiān)控植物生長、土壤管理、灌溉、害蟲控制等。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)中表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠精確地實現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境的有效追蹤和管控。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心是將物聯(lián)網(wǎng)傳感器安裝在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)傳輸。對農(nóng)作物生長環(huán)境的監(jiān)控，主要在于對農(nóng)作物生長參數(shù)的采集和分析。隨著農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)要求的不斷提高，對農(nóng)作物生長環(huán)境的溫度、濕度、二氧化碳等參數(shù)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(wǎng)接口可以實現(xiàn)模擬量采集參數(shù)與PC機(jī)的交互。通過無線通信與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)PLC遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。西門子PLC模擬量采集技術(shù)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)精準(zhǔn)化檢測和控制的基礎(chǔ)。

2 模擬量采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成，感知層主要用于獲取所需監(jiān)測和控制的各類溫室數(shù)據(jù)，包括空氣溫濕度、土壤溫濕度和二氧化碳濃度等參數(shù)。如圖1感知層通過模擬量模塊采集參數(shù)，通過通訊模塊實現(xiàn)與HMI控制器和Web服務(wù)器之間的信息交互，進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)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(diǎn)

智能控制系統(tǒng)中，即有用于邏輯控制的開關(guān)量外，又有用于電壓、電流等參數(shù)采集的模擬量。處理邏輯控制時，不僅需要采集數(shù)據(jù)，而且需要進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)。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(shù)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(tǒng)輸入輸出模塊數(shù)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(shè)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(fù)、電壓負(fù)接負(fù)端子。EM AE04缺少內(nèi)部電源，采集模擬量時，傳感器必須外接電源，根據(jù)傳感器的參數(shù)串聯(lián)相應(yīng)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(jù)EM AE04模擬量采集模塊的電路原理，設(shè)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(jù)模擬量采集通道的傳感器輸入信號類型，設(shè)置每個通道的數(shù)據(jù)類型，如圖4所示，通道0，1設(shè)置為電流值，通道2、3設(shè)置為電壓值。

圖4 模擬量通道設(shè)置

4 硬件系統(tǒng)設(shè)計及軟件編程

4.1 硬件設(shè)計

根據(jù)原理圖，完成對西門子PLC控制系統(tǒng)的硬件電路布置如圖5，其中1為S7-200 Smart PLC控制器，具有運(yùn)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(wǎng)口可以實現(xiàn)對PLC控制系統(tǒng)的程序輸入。

圖5 硬件系統(tǒng)

4.2 軟件編程

模擬量信號采集程序如圖6所示。AIW16對應(yīng)PLC模擬量輸入口的0+，0-，IN_HI最大模擬量所對應(yīng)的數(shù)字量值（27648），IN_LO最小模擬量所對應(yīng)的數(shù)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(jié)果存儲的位置（VD220）。

圖6 模擬量采集程序

5 數(shù)據(jù)采集分析與PC端交互

利用西門子PC Access SMART實現(xiàn)西門子PLC中的存儲數(shù)據(jù)在PC機(jī)上的交互。根據(jù)模擬量通道傳感器的設(shè)置，VD220、VD224、VD228、VD232分別對應(yīng)光照、濕度、溫度、土壤水分參數(shù)。在溫室環(huán)境中采集光照強(qiáng)度、空氣濕度、空氣溫度和土壤水分等參數(shù)。如圖7為利用專用軟件對西門子PLC中VD220、VD224、VD228、VD232等數(shù)據(jù)存儲器的實時數(shù)值進(jìn)行監(jiān)測，分別為607.7lux、50.6RH（%）、31.0℃、15.3RH（%）。

圖7 PLC端監(jiān)測參數(shù)

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(jiān)測參數(shù)

構(gòu)建參數(shù)列表，通過后臺服務(wù)程序存入數(shù)據(jù)庫。VD220、VD224、VD228、VD232數(shù)據(jù)以每分鐘一次的頻率存儲到數(shù)據(jù)庫中。將數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)與PLC端存儲數(shù)據(jù)進(jìn)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(wěn)定性好（如圖9）。

圖9 數(shù)據(jù)存儲列表

6 結(jié)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(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)環(huán)境監(jiān)測值進(jìn)行輸出，減少了后續(xù)處理，方便了數(shù)據(jù)的顯示和應(yīng)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(nóng)業(yè)高精度數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域。數(shù)據(jù)傳輸效率高，穩(wěn)定性好。

（3）西門子PLC作為工業(yè)控制的核心，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。西門子PLC具有響應(yīng)速度快、采集精度高、控制精準(zhǔn)等特點(diǎn)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)者對農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)精度、穩(wěn)定性等要求越來越高，西門子PLC控制系統(tǒng)也越來越多地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)控制領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)作為農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個重要方向，模擬量采集是物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，將西門子模擬量模塊應(yīng)用于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不僅增加了模擬量的采集精度，而且使農(nóng)業(yè)控制朝著工業(yè)控制的方向邁進(jìn)，有助于形成采集、控制精度高，控制穩(wěn)定性好的物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)。西門子PLC在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，為進(jìn)一步實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的智能化加工奠定了硬件基礎(chǔ)。