基于微信平臺的蘿卜小氣候監測服務系統設計

李沁耘，劉 濤，宮志宏，黎貞發，于 紅

（1.天津農學院 計算機與信息工程學院，天津 300380；2.天津市氣候中心，天津 300074；3.天津市西青區氣象局，天津 300380）

蘿卜作為我國主要蔬菜作物之一，栽培歷史悠久。截至目前，我國每年蘿卜播種面積保持在120萬hm左右，總產量達4 000萬t，是世界第一大蘿卜生產國。蘿卜產量、品質的好壞很大程度取決于生長環境中的氣候條件。因此，做好蘿卜生產設施小氣候的監測預警服務是未來蘿卜高產和優質生產的關鍵。

設施氣候條件是影響蘿卜生長發育的主要因素。目前，國內針對設施園藝氣候監測的相關研究較多，如黎貞發等利用物聯網技術開發集小氣候實時監測、災害預警、自動化控制等技術于一體的氣象監測與災害預警系統。孫志貴等通過多重因素關聯規則學習方法，構建基于互聯網氣象數據、設施農業小氣候環境數據及作物生育期等多重因素的設施農業氣象災害預警和生產管理專家知識規則，開發基于互聯網數據挖掘和專家知識決策技術的設施農業氣象災害監測預警及智能決策推送服務系統。李慧等開發了一種基于物聯網Android平臺的水產養殖遠程監控系統，實現了多傳感器節點的信息遠程采集和數據存儲功能。宮志宏等基于Android手機平臺，構建了一種作物苗情災情快速上報系統，為獲取實時農情數據和開展災后救援工作提供可靠支撐。劉書倫等設計了基于物聯網Android平臺的農業遠程智能節水灌溉系統，實現了對多傳感器節點（空氣溫濕度、光照、土壤濕度、電磁閥、變頻器等）遠程采集和控制，以及對多個控制器節點的遠程監測與控制。鄧曉棟基于Android平臺設計了一種溫室大棚環境因子遠程測控系統，該系統實現了遠程監控，并設計了APP，實現了移動終端的實時監測和控制。以上研究為后者在利用智能手機進行數據監測以及服務方面提供了重要的參考價值。目前將實時監測、預報預警和實時農情、災情上報的服務集于一體的平臺很少，而且很多平臺是基于APP開發的，但APP在實際使用中，下載、登錄步驟相對繁瑣，存在推廣難度大的問題。微信小程序作為大數據時代的產物，成本低、運用簡單、使用廣泛，目前已逐步成為農業領域智能手機應用研究的熱點。

本研究基于衛青蘿卜生產者在實際生產中的氣象監測與生產服務需求，將數據采集端、云服務器端和小程序端進行結合，設計并開發了基于微信平臺的蘿卜小氣候監測服務系統。監測與服務系統通過實時監測棚室小氣候環境，依托于衛青蘿卜各生育期的氣象指標，為農戶生產決策提供科學指導，實現了設施衛青蘿卜監測預警精細化、精準化。

1 系統總體設計

基于微信平臺的蘿卜小氣候環境監測服務系統主要由數據采集端、云服務器端和小程序端三部分組成。數據采集端負責采集、傳輸數據，服務器端負責接收、存儲、處理數據，小程序端負責實時展示監測數據、提供預報預警以及農情、災情上報等服務。系統采用B/S和C/S混合架構，農民用戶可以通過微信小程序隨時查看小氣候站監測的數據和氣象部門發出的預報預警服務信息，同時可以通過微信小程序將農情信息上傳到云服務器端，系統整體架構如圖1所示。

圖1 系統整體框架圖

1.1 數據采集端

數據采集端負責數據的采集和存儲。棚內的監測設備采用便攜式智能小氣候監測儀FLHBZ_B02，該設備采樣要素包括光照、空氣溫濕度、土壤溫濕度，通過4G移動網絡連接至云服務器端；支持GPS定位；配置1.14寸TFT液晶屏，可以直觀顯示設備及采樣信息；配置觸控按鍵，通過不同觸摸方式實現點亮液晶屏、開關機或者啟動GPS等功能；配置USB TYPE-C接口，設備充電和數據調試更方便。該設備實現了氣象要素的采集、顯示，同時具備低功耗、低成本等特性。設備設置每10 min向云服務器端發送1次數據。

1.2 云服務器端

云服務器端負責采集端數據的接收、存儲、處理。衛青蘿卜氣象監測數據通過4G移動網絡存儲到MySQL數據庫中，庫表為采集數據記錄表，包括的字段有時間、空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強度、經度、緯度、供電電壓等。衛青蘿卜的信息使用MySQL數據庫建立站點表，如衛青蘿卜氣象指標庫表、衛青蘿卜產品信息表、衛青蘿卜站點信息表等。棚外氣象數據包括天氣實況數據、預報預警數據，這些數據均來源于和風天氣。

1.3 小程序端

小程序端是基于微信平臺的，主要向用戶展示監測數據、預報預警信息和氣象服務產品等功能，基于MINA框架進行開發，通過視圖層和邏輯層組成。視圖層使用WXML和WXSS來實現，負責界面的布局和樣式；邏輯層使用JS即JavaScrip語言來實現，負責界面數據的交互。

系統開發環境為：Windows Server 2019+tomcat 9+JDK1.8+IntelliJ IDEA 2019.3.5+微信開發者工具；系統測試環境為：智能手機榮耀30S。

2 系統功能設計

基于微信平臺的蘿卜小氣候監測服務系統的功能主要由實時監測、預報預警、農情互動和蘿卜專題4個模塊組成，如圖2所示，每個模塊下有對應的子模塊。

圖2 系統功能設計圖

2.1 實時監測模塊

實時監測模塊包括棚內的氣象監測數據、棚外的自動站實況信息。棚內的氣象監測數據是由固定式小氣候站監測設備提供的，能夠實時顯示大棚內的空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強度這5個氣象要素，小程序界面以表單形式展示實時監測的數據，方便用戶直觀地獲取棚內信息。設施農業棚外實況信息是通過和風天氣提供實時天氣數據API接口，通過高德地圖提供定位API接口，從而獲取了基于位置的棚外天氣實況信息。

2.2 預報預警模塊

預報預警模塊包括棚內未來3 d預報、棚外未來7 d預報和氣象預警信息3個子模塊。棚內未來3 d預報主要針對空氣溫度進行預報，為農戶便捷管理棚室提供了可能；棚外7 d預報是通過和風天氣提供7 d預報的API獲得數據，為農戶管理溫室提供了重要的參考價值；氣象預警信息通過和風天氣提供災害預警API以及天津的LocationID來獲取實時天氣災害預警數據，并且小程序根據預警信息推送相應的防范措施，實現氣象預警的智能化。

2.3 農情互動模塊

農情互動模塊包括衛青蘿卜服務產品、專家指導農戶農事活動和農戶實時農情災情上報3個子模塊。服務產品模塊主要是分析近期天氣對衛青蘿卜的影響，同時為農戶管理衛青蘿卜提供科學依據，以pdf文檔形式展示在小程序上；專家指導農戶農事活動模塊是通過對話框的形式來溝通交流；實時農情災情上報模塊是農戶通過將當前位置、時間、作物、受災情況等信息發送至云服務器端，來實現農情災情上報功能。

2.4 蘿卜專題模塊

蘿卜專題模塊包含衛青蘿卜的品種介紹、氣象條件適宜度分析、農事管理以及發展歷程4個子模塊。通過對衛青蘿卜的品種介紹，農戶可以選擇優質品種實現高產高質；根據專家提供的衛青蘿卜適宜氣象條件，結合當前生育期氣象數據，分析衛青蘿卜環境適宜度，方便農戶科學管理大棚；農事管理模塊是通過專家獲取《保護地沙窩蘿卜栽培技術規范》，將各生育期肥水管理、病蟲害防治技術以列表形式展示；衛青蘿卜的發展歷程以堆疊圖形式展示了衛青蘿卜近年種植面積及產量變化特征。

3 系統關鍵技術

3.1 數據交互的方式

3.1.1 采集端數據獲取 當傳感器設備觀測到數據時，會自動觸發監聽事件，服務器監聽程序就會監聽到設備上傳數據操作，數據控制中心界面會顯示“注冊”“斷開連接”指令，說明數據控制中心正在接收設備傳輸的數據，之后進行解析，通過配置文件連接數據庫，將數據寫入數據庫，最終采集端數據獲取成功。

3.1.2 小程序數據交互 后臺使用SpringBoot框架、MyBatis框架進行開發。使用SpringBoot框架添加@RestController注解，可以開發HTTPS請求接口，小程序端通過該接口向服務器端發送請求，服務器端將請求的信息放在數據包，將數據包封裝到POST中，以json格式傳給前端。MyBatis框架集成了SQL語句的相關操作，后臺與MySQL數據庫交互時，使用ProductMapper.xml文件的標簽，通過該標簽可復用SQL語句片段，在執行SQL語句標簽時直接引用即可。注意實體類中的字段名稱及類型與數據庫中的字段名稱及類型必須保持一致，否則無法獲取數據。

3.1.3 預警預報數據及位置的獲取 獲取棚外數據時，在index.js文件中編寫Weather:function()函數，通過wx.request()發起HTTPS網絡請求，與此同時，必須設置自己的用戶認證key，獲取key需要進入和風天氣的控制臺，點擊應用管理，創建應用即可，應用類型選擇web API，完成之后便可以獲取實時天氣以及未來7 d的數據，在index.wxml文件中將獲取到的數據顯示在小程序界面上，并進行界面整體布局。獲取位置數據時，通過genCodeLocation:function(lat,longi)函數，來獲取位置信息，并調用Weather(lat,longi)函數獲取當地的天氣實況，從而獲得精確的地理位置及天氣信息。獲取預警信息時，獲取接口數據，通過getWarning:function()函數發起網絡請求，在onLoad:function(res)函數中調用getWarning()，可以獲得天津市氣象局發出的預警信息，結合該信息，可以直接推送防災措施。

3.1.4 產品文件展示方式 產品文件是通過西青區氣象局業務人員獲得，將獲取到的文件以pdf格式上傳到云存儲，后臺經過解析，可以獲取url接口，通過調用wx.downloadFile()函數，最終將產品展示在小程序上。

3.2 數據存儲的方式

本系統從小氣候站獲取到的數據通過4G網絡傳輸到MySQL數據庫中。MySQL數據庫軟件體積小，使用簡單，且支持多種操作系統，所以使用MySQL數據庫來存儲數據。在服務器上部署MySQL數據庫，根據系統功能的需求，設計了tabtimedatam、condition、information、station、device等表，用來存儲設備采集到的實時監測數據、衛青蘿卜氣象指標數據、衛青蘿卜生育期信息、棚室站點信息、儀器設備基礎數據等。

3.3 數據展示的方式

微信小程序在邏輯層將數據進行處理后發送給視圖層進行展現，同時接受視圖層事件反饋。wxml文件用于描述頁面的結構，具有數據綁定、列表渲染、條件渲染、模板及事件綁定的能力，wxml文件中所綁定的數據，均來自于對應頁的js文件中Page方法的data對象。

本系統微信小程序根據微信官方文檔提供的框架、組件來實現。scroll-view標簽實現了小程序的頁面滾動；picker組件實現從底部彈起可滾動選擇的功能；通過引入echarts模塊，微信小程序實現數據可視化，數據以圖表形式直觀展示；navigator標簽當中的url屬性可以實現小程序內頁面的跳轉。

4 系統測試

基于微信平臺的蘿卜小氣候環境監測服務系統于2021年秋季在天津市西青區辛口鎮蔬菜基地（39°04'N,116°54'E）進行測試。經測試，此系統可以實時獲取棚室內、外空氣溫濕度、土壤溫濕度及光照強度等數據，同時能夠及時為生產者提供氣象災害預警信息以及農業生產管理決策建議，還可以根據蘿卜關鍵生育期氣象條件需求，展示相關氣象部門的服務產品，部分小程序界面及功能如圖3所示。結果表明，此系統具有較好的穩定性與實用性，基本滿足了農戶的實際需求，可以進行大范圍地推廣。

圖3 智能監測與服務系統主要界面示意圖

5 結論與展望

本研究設計了基于微信平臺的蘿卜小氣候環境監測服務系統，不僅可以自動實時采集空氣溫濕度、土壤溫濕度以及光照強度等數據，還可以將這些數據同步展示在小程序端，并且結合衛青蘿卜生育期的適宜氣象條件，為生產管理者提供決策服務。同時本系統通過實時監測預警信息，可以為生產管理者提供實時、個性化的科學指導，大大提高了系統的實用性。系統是基于微信平臺開發的，可以調用微信原生的API，很大程度降低了系統開發成本，在一定程度上，提高了系統的穩定性。