基于微信平臺(tái)的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)

趙麗+張信民+張寶芳+田會(huì)峰

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)溫室系統(tǒng)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)1種基于微信平臺(tái)的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)。利用微信公眾平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，以新浪云服務(wù)器為中介，通過(guò)WiFi模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)Arduino與微信服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互。借助微信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控，這樣可以隨時(shí)隨地讀取溫室環(huán)境信息參數(shù)，然后根據(jù)相關(guān)參數(shù)，發(fā)送目標(biāo)指令，啟動(dòng)相應(yīng)的調(diào)節(jié)設(shè)備如噴水機(jī)、送風(fēng)機(jī)、加熱器、降溫器等，調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，以達(dá)到最適宜條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)設(shè)備的遠(yuǎn)程操作。

關(guān)鍵詞：微信平臺(tái)；智能溫室；WiFi模塊；數(shù)據(jù)交換；遠(yuǎn)距離監(jiān)控

中圖分類號(hào)： YP277.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）23-0231-04

目前我國(guó)智能手機(jī)普及率較高，微信簡(jiǎn)單、方便操作，利用手機(jī)微信平臺(tái)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室系統(tǒng)。微信平臺(tái)與傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)線化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

1溫室監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

智能溫室控制系統(tǒng)采用分布式的體系結(jié)構(gòu)，與以往的主機(jī)-終端模式相比，具有分布靈活、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控中心，主要負(fù)責(zé)溫室控制器上傳數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示，可與多個(gè)溫室控制器組網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)一機(jī)控制多溫室的集中管理模式。溫室控制器、數(shù)據(jù)采集模塊、開關(guān)量控制模塊都是基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線傳輸與溫室控制器通信，解決了現(xiàn)場(chǎng)布線不方便的問(wèn)題，溫室控制器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，簡(jiǎn)稱CAN）總線與數(shù)據(jù)采集模塊和開關(guān)量控制模塊通信。在本系統(tǒng)中每個(gè)溫室都有1個(gè)溫室控制器，可完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集和控制，有獨(dú)立的液晶顯示器和鍵盤系統(tǒng)，可獨(dú)立地完成智能控制，同時(shí)把本溫室的各種環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)傳輸給上位機(jī)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。溫室監(jiān)控系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2智能溫室系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)硬件組成與工作原理

智能溫室系統(tǒng)主要由單片機(jī)、串口WiFi、溫濕度、光照、CO2濃度、有機(jī)發(fā)光二極管（organic light-emitting diode，簡(jiǎn)稱OLED）顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊構(gòu)成[3]，系統(tǒng)組成框架如圖2所示。

根據(jù)農(nóng)作物最佳生長(zhǎng)環(huán)境條件的需求，通過(guò)Arduino單片機(jī)[4-6]將傳感器感應(yīng)檢測(cè)到的溫室大棚環(huán)境信息參數(shù)，如空氣、土壤溫濕度、二氧化碳濃度、光照度等參數(shù)，傳輸給顯示屏，再通過(guò)單片機(jī)實(shí)時(shí)顯示在微信上，同時(shí)將編程里設(shè)定好的農(nóng)作物最佳生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)與實(shí)際環(huán)境參數(shù)范圍進(jìn)行比較，如果存在偏差，則可以通過(guò)由單片機(jī)控制的外圍設(shè)備（水泵、通風(fēng)扇、遮陽(yáng)簾、電磁閥、補(bǔ)光燈、暖風(fēng)機(jī)等）工作來(lái)改善環(huán)境信息參數(shù)，當(dāng)達(dá)到農(nóng)作物最佳生長(zhǎng)條件時(shí)，設(shè)備則會(huì)停止工作。

2.2智能溫室系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1串口WiFi模塊硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的ESP8266WiFi模塊用于連接路由器，然后接收手機(jī)端發(fā)送的信號(hào)，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制。ESP8266是一款超低功耗的模塊，擁有業(yè)內(nèi)極富競(jìng)爭(zhēng)力的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，專為移動(dòng)設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶的物理設(shè)備連接到WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。ESP8266可廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、智能交通、智能家具、手持設(shè)備、工業(yè)控制等領(lǐng)域。溫室系統(tǒng)硬件連接情況如圖3所示。

2.2.2CO2模塊硬件設(shè)計(jì)CO2模塊選用的是MG811。MG811是常用于家庭環(huán)境二氧化碳探測(cè)的裝置，二氧化碳?xì)怏w敏感元件測(cè)試濃度的范圍為0～10 000 μmol/mol。CO2模塊原理如圖4所示。

2.2.3OLED模塊硬件設(shè)計(jì)與陰極射線管（cathode ray tube，簡(jiǎn)稱CRT）相比，OLED具有驅(qū)動(dòng)電壓低、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，OLED顯示屏的響應(yīng)時(shí)間超過(guò)薄膜晶體管液晶顯示器（thin film transistor-liquid crystal display，簡(jiǎn)稱TFT-LCD）液晶屏。TFT-LCD的響應(yīng)時(shí)間為幾十毫秒，現(xiàn)在做得最好的TFT-LCD 響應(yīng)時(shí)間也只有12 ms。而 OLED顯示屏的響應(yīng)時(shí)間是幾微秒到幾十微秒。OLED與單片機(jī)的連接線如圖5所示。

3智能溫室系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

智能溫室系統(tǒng)通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)溫室的信息，如溫濕度、CO2濃度、光照度等，當(dāng)這些參數(shù)與系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)有偏差，即不是農(nóng)作物生長(zhǎng)的最有利條件時(shí)，可以通過(guò)由單片機(jī)控制的外圍設(shè)備（水泵、通風(fēng)扇、遮陽(yáng)簾、電磁閥、補(bǔ)光燈、暖風(fēng)機(jī)等）工作來(lái)改善環(huán)境信息參數(shù)，當(dāng)達(dá)到農(nóng)作物最佳生長(zhǎng)條件時(shí)，設(shè)備就會(huì)停止工作。主程序流程如圖6所示。

3.2微信平臺(tái)的設(shè)計(jì)[7-8]

3.2.1訂閱號(hào)的建立（1）在瀏覽器地址欄中輸入https：//mp.weixin.qq.com進(jìn)入頁(yè)面后點(diǎn)擊右上角“立即注冊(cè)”鏈接，如圖7所示。

（2）輸入郵箱、密碼及驗(yàn)證碼，勾選“我同意并遵守《微信公眾平臺(tái)服務(wù)協(xié)議》”進(jìn)行注冊(cè)。

（3）登錄注冊(cè)時(shí)在填寫的郵箱里查找微信激活郵件，點(diǎn)擊其中的鏈接激活微信公眾賬號(hào)。

（4）根據(jù)需要選擇訂閱號(hào)、服務(wù)號(hào)、企業(yè)號(hào)。在這里選擇注冊(cè)訂閱號(hào)，如圖8所示。

（5）提交完成后進(jìn)入微信公眾賬號(hào)信息注冊(cè)界面，填寫公眾賬號(hào)名稱、上傳賬號(hào)頭像、生成訂閱號(hào)二維碼等相關(guān)信息。

（6）為與新浪應(yīng)用引擎（sina app engine，簡(jiǎn)稱SAE）關(guān)聯(lián)，即實(shí)現(xiàn)通過(guò)在SAE中編寫程序來(lái)檢測(cè)微信接收端接收到的信息并發(fā)送相關(guān)內(nèi)容，必須在訂閱號(hào)中設(shè)置為開發(fā)者模式來(lái)進(jìn)行自定義菜單（控制訂閱號(hào)接收信息及發(fā)送內(nèi)容）并獲取相關(guān)APP ID（應(yīng)用ID）和APP secret，兩者的作用相當(dāng)于密碼，只有知道兩者參數(shù)，才能在新浪SAE服務(wù)器中編寫程序，然后正確的關(guān)聯(lián)到該賬號(hào)。如圖9所示。endprint

3.2.2新浪云的搭建新浪SAE的地址為http：//sae.sina.

com.cn/，進(jìn)入界面選擇“注冊(cè)賬號(hào)”鏈接，開始進(jìn)入注冊(cè)新浪云賬號(hào)流程，該流程與微信公眾賬號(hào)注冊(cè)流程一致，在此就不再累贅，填寫完賬戶信息之后，進(jìn)入賬戶信息界面。

在控制臺(tái)界面，點(diǎn)擊“創(chuàng)建新應(yīng)用”按鈕，SAE可以免費(fèi)申請(qǐng)10個(gè)應(yīng)用。創(chuàng)建后選擇二級(jí)域名和應(yīng)用名稱，開發(fā)語(yǔ)言選擇超文本預(yù)處理器（hypertext preprocessor，簡(jiǎn)稱PHP）編寫。SAE中的應(yīng)用即為服務(wù)器，可以在服務(wù)器中編寫程序并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，將其他軟件平臺(tái)鏈接到該應(yīng)用對(duì)應(yīng)的域名，即可根據(jù)程序反饋相應(yīng)信息并改變或者記錄信息到數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)部。創(chuàng)建完成后生成的應(yīng)用界面如圖10所示。在微信開發(fā)界面中填寫參數(shù)如圖11所示。URL為服務(wù)器域名，Token填寫為weixin，Token的作用是作為通信密碼在PHP編程中使用。

3.3.3數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)在SAE中建立數(shù)據(jù)庫(kù)的目的是當(dāng)用戶發(fā)送控制信號(hào)到公眾平臺(tái)時(shí)，使數(shù)據(jù)庫(kù)中的參數(shù)發(fā)生改變，

然后通過(guò)WiFi模塊傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)當(dāng)中作為控制信號(hào)。數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)包含兩大部分內(nèi)容，一方面為各種傳感器采集的信息，另一方面為控制量當(dāng)前的狀態(tài)值（0位和1位）建立過(guò)程。

3.3.3.1傳感器信息數(shù)據(jù)庫(kù)建立在控制臺(tái)，選中左側(cè)菜單欄中的“數(shù)據(jù)庫(kù)與緩存服務(wù)”，進(jìn)入界面之后點(diǎn)擊管理MySQL，進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)建立界面如圖12所示。根據(jù)傳感器采集的參數(shù)信息，定義變量，建立數(shù)據(jù)如圖13所示。

3.3.3.2控制變量數(shù)據(jù)庫(kù)建立按照與傳感器數(shù)據(jù)建立一致的方式建立如圖14所示變量數(shù)據(jù)庫(kù)，各個(gè)變量代表的含義：TF為通風(fēng)扇；YL為遮陽(yáng)簾；NF為暖風(fēng)機(jī)；BG為補(bǔ)光燈；PT為噴頭。變量類型選擇int，當(dāng)變量值為1時(shí)， 表示該變量

控制下的機(jī)器為打開狀態(tài)；當(dāng)變量為0時(shí)，表示該變量控制下的機(jī)器為關(guān)閉狀態(tài)。

3.3.4PHP語(yǔ)言編寫[9]點(diǎn)擊應(yīng)用中的代碼管理，然后進(jìn)入編寫代碼界面（圖15），當(dāng)然也可以用專門的應(yīng)用編譯軟件，如dreamweaver、zend studio。

編程步驟如下：（1）首先利用上述獲得的APP ID和APP secret獲取access_token進(jìn)行代碼和微信公眾賬號(hào)的關(guān)聯(lián)，程序如下：

//curl模擬GET請(qǐng)求，獲取access_token

$appid=“wx1715b63756afcceb”；

$appsecret=“4c4b23176296723f43d0403b7307bac3”；

$access_token_url=“https：//api.weixin.qq.com/cgi-bin/token？grant_type=client_credential&appid={$appid}&secret={$appsecret}”；

$access_token_arr=json_decode（$outopt，true）；

$access_token=$access_token_arr[‘a(chǎn)ccess_token]；

（2）當(dāng)用戶發(fā)送“查詢參數(shù)”文本時(shí)，反饋信息內(nèi)容編程，部分程序如下：

function receiveText（$obj）{

$content=$obj->Content；

$content1=“溫度”；//溫度查看

if （strstr（$content，“查詢參數(shù)”））

{$con=mysql_connect（SAE_MYSQL_HOST_M.′：′.SAE_MYSQL_PORT，SAE_MYSQL_USER，SAE_MYSQL_PASS）；

mysql_select_db（“app_mao18862601272”，$con）；//修改數(shù)據(jù)庫(kù)名

$result=mysql_query（“SELECT*FROM sensor”）；//“SELECT*FROM humidity”

（3）當(dāng)用戶發(fā)送控制信號(hào)時(shí)改變數(shù)據(jù)庫(kù)變量如下程序所示：if （strstr（$content，“打開通風(fēng)扇”））{$con=mysql_connect（SAE_MYSQL_HOST_M.′：′.SAE_MYSQL_PORT，SAE_MYSQL_USER，SAE_MYSQL_PASS）；

$dati=date（“h：i：sa”）；

mysql_select_db（“app_mao18862601272”，$con）；//修改數(shù)據(jù)庫(kù)名

$sql=“UPDATE switch SET timestamp=‘$dati，TF=‘1

WHERE ID=‘1”；//修改開關(guān)狀態(tài)值

if（！mysql_query（$sql，$con））

{

die（‘Error： . mysql_error（））；

}

else{

mysql_close（$con）；

$reply=“好的??！/n已經(jīng)打開！”；

}

}

（4）其他控制方式與（3）類似，當(dāng)接收相關(guān)信息時(shí)，改變數(shù)據(jù)變量狀態(tài)，并且反饋給用戶界面。

4系統(tǒng)運(yùn)行與改進(jìn)

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行良好，微信平臺(tái)能正常實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)能利用微信控制相應(yīng)的調(diào)節(jié)設(shè)備，如水泵、暖風(fēng)機(jī)等。本系統(tǒng)還有許多不足需要下一步的改進(jìn)：（1）無(wú)線通信的傳輸速率在穩(wěn)定性方面須要進(jìn)一步加強(qiáng)，傳輸?shù)木嚯x受環(huán)境的影響較大，可根據(jù)情況采用有線的方式實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信，改進(jìn)無(wú)線傳輸模塊，采用具有自組網(wǎng)和路

由功能的ZigBee模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。（2）可以選用更高級(jí)的微信公眾賬號(hào)，如企業(yè)號(hào)，讓微信二級(jí)菜單更加形象化，而不是使用測(cè)試號(hào)推廣應(yīng)用產(chǎn)品。（3）在上位機(jī)上建立不同農(nóng)作物的專家系統(tǒng)，可以根據(jù)不同作物的生長(zhǎng)階段自動(dòng)地修改系統(tǒng)控制參數(shù)以達(dá)到適宜作物生長(zhǎng)的最佳環(huán)境，這可能與微信有一定的沖突。

5結(jié)論

設(shè)計(jì)1種以Arduino UNO R3單片機(jī)為控制核心，基于微信公眾平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過(guò)WiFi傳到新浪云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶實(shí)時(shí)通過(guò)移動(dòng)終端遠(yuǎn)程操作的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，突破傳統(tǒng)方式，方便及時(shí)獲得監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，便于溫室的管理。

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