基于微信小程序的田間灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為解決傳統(tǒng)田間灌溉管理中存在的效率低、操作復(fù)雜以及資源浪費(fèi)等問(wèn)題，文章基于微信小程序平臺(tái)，結(jié)合云開(kāi)發(fā)服務(wù)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一套智能化田間灌溉管理系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)前后端分離架構(gòu)，利用微信小程序的即時(shí)性和易用性，提供直觀的用戶界面，后端依托云開(kāi)發(fā)服務(wù)實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。核心創(chuàng)新功能包括：基于角色的訪問(wèn)控制（RBAC） 的用戶管理模塊、具備自我診斷能力的閥門(mén)控制模塊，以及持續(xù)采集氣象數(shù)據(jù)并優(yōu)化灌溉策略的小氣候監(jiān)測(cè)模塊。通過(guò)集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了灌溉過(guò)程的自動(dòng)化與精準(zhǔn)化，顯著提高了灌溉管理效率。相較于傳統(tǒng)灌溉方案，系統(tǒng)能夠減少約20%的水資源浪費(fèi)，并提高30%的管理效率，同時(shí)降低了人力成本。該系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)灌溉方式中的管理煩瑣、數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)和響應(yīng)不及時(shí)等問(wèn)題，也推動(dòng)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化與現(xiàn)代化。

關(guān)鍵詞：微信小程序；田間灌溉系統(tǒng)；閥門(mén)控制；小氣候監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2025）09-0071-04 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識(shí)碼（OSID） ：

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進(jìn)，如何高效且可持續(xù)地利用水資源，尤其是在灌溉方面，已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究的重要課題。傳統(tǒng)灌溉方式常存在精確控制不足、缺乏自動(dòng)化管理的問(wèn)題，這不僅導(dǎo)致水資源浪費(fèi)，還影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性。近年來(lái)，智能灌溉系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)逐漸興起，為水資源的高效利用提供了新的解決方案[1-2]。

本文提出了一種基于微信小程序的大田灌溉系統(tǒng)，依托微信小程序的便捷性和普及性，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器監(jiān)測(cè)與智能決策，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)田灌溉的精確控制[3]。系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度、氣象數(shù)據(jù)及作物生長(zhǎng)狀況，利用數(shù)據(jù)分析優(yōu)化灌溉方案，從而科學(xué)管理水肥資源，減少水資源浪費(fèi)并提升作物產(chǎn)量與質(zhì)量。簡(jiǎn)潔的用戶界面和實(shí)時(shí)反饋功能，使農(nóng)民能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行管理，顯著提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化水平與管理效率。

1 田間灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

田間灌溉系統(tǒng)可分為農(nóng)場(chǎng)工人、技術(shù)員以及管理員三種角色，角色的功能需求如表1所示。農(nóng)場(chǎng)工人注冊(cè)登錄后，可以查詢與控制當(dāng)前管轄區(qū)域的設(shè)備，查看最近一次灌溉記錄和計(jì)劃下次灌溉時(shí)間，也可以對(duì)管轄區(qū)域的設(shè)備進(jìn)行定期的維護(hù)與報(bào)修[4]。技術(shù)員注冊(cè)登錄后，可以管理灌溉策略，包括設(shè)置不同作物的灌溉頻率和水量。分析歷史數(shù)據(jù)，優(yōu)化灌溉方案。

調(diào)整傳感器閾值，確保監(jiān)測(cè)精度。監(jiān)控小氣候條件，調(diào)整灌溉參數(shù)。管理員擁有最高權(quán)限，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的配置管理、設(shè)備管理、用戶管理、數(shù)據(jù)分析與報(bào)告導(dǎo)出以及權(quán)限控制。在系統(tǒng)配置管理方面，管理員設(shè)置系統(tǒng)級(jí)參數(shù)和報(bào)警規(guī)則[5]；在設(shè)備管理中，負(fù)責(zé)添加、刪除或修改灌溉設(shè)備，確保設(shè)備正常運(yùn)行，并更新硬件設(shè)備信息，如添加新傳感器或維護(hù)現(xiàn)有設(shè)備狀態(tài)。用戶管理方面，管理員可對(duì)農(nóng)場(chǎng)工人和技術(shù)員的賬號(hào)進(jìn)行增刪改，以確保系統(tǒng)訪問(wèn)的安全性。通過(guò)數(shù)據(jù)分析與報(bào)告導(dǎo)出功能，管理員可生成灌溉日志、歷史數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)報(bào)告，支持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)分析和決策。

1.2 框架設(shè)計(jì)

該田間灌溉系統(tǒng)基于微信小程序平臺(tái)，采用MINA框架構(gòu)建，主要由數(shù)據(jù)邏輯處理模塊和用戶界面展示模塊兩大部分組成。用戶界面展示模塊使用WXML（WeChat XML） 定義頁(yè)面結(jié)構(gòu)，通過(guò)WXSS（We?Chat Style Sheets） 優(yōu)化界面樣式，并結(jié)合JavaScript和相關(guān)API實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交互效果，提升了界面的響應(yīng)性和操作便捷性。數(shù)據(jù)邏輯處理模塊利用MINA框架的強(qiáng)大支持，采用JavaScript 處理前端請(qǐng)求，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、驗(yàn)證與計(jì)算，并執(zhí)行灌溉策略和協(xié)調(diào)硬件設(shè)備。特別地，邏輯層負(fù)責(zé)解析傳感器數(shù)據(jù)、調(diào)整灌溉方案，并調(diào)度設(shè)備，以確保實(shí)時(shí)監(jiān)控與精確決策。視圖層與邏輯層通過(guò)高效的數(shù)據(jù)綁定與事件響應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)互相同步，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)變化時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)灌溉動(dòng)作，并實(shí)時(shí)更新界面狀態(tài)，保證了操作的即時(shí)反饋和用戶體驗(yàn)的流暢性。

1.3 功能設(shè)計(jì)

田間灌溉系統(tǒng)根據(jù)不同用戶角色的需求，提供了個(gè)性化的功能模塊，以便為農(nóng)場(chǎng)工人、技術(shù)員和管理員提供針對(duì)性的服務(wù)。以下是各角色在微信小程序中的具體功能設(shè)計(jì)，如圖2所示[6]。

1.3.1 農(nóng)場(chǎng)工人

農(nóng)場(chǎng)工人完成注冊(cè)與登錄后，系統(tǒng)會(huì)動(dòng)態(tài)展示個(gè)性化的底部導(dǎo)航菜單，提供設(shè)備管理、灌溉控制、維護(hù)與報(bào)修等功能。

設(shè)備管理：首屏展示所轄區(qū)域設(shè)備的狀態(tài)，包括閥門(mén)、傳感器等的在線和運(yùn)行狀態(tài)。

灌溉控制：提供簡(jiǎn)潔的操作界面，支持手動(dòng)啟動(dòng)或停止灌溉，并顯示最近一次灌溉及下次灌溉的預(yù)定時(shí)間。

維護(hù)與報(bào)修：工人可記錄定期維護(hù)情況或提交故障報(bào)告，確保設(shè)備問(wèn)題及時(shí)反饋并處理。

1.3.2 技術(shù)員

技術(shù)員可利用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)功能優(yōu)化灌溉管理，提升農(nóng)田生產(chǎn)效益。

數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化：通過(guò)歷史數(shù)據(jù)圖表回顧灌溉效果，優(yōu)化策略并發(fā)現(xiàn)改進(jìn)空間。

傳感器校準(zhǔn)：調(diào)整傳感器的靈敏度，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，實(shí)時(shí)監(jiān)控小氣候變化并優(yōu)化灌溉參數(shù)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控：技術(shù)員可監(jiān)控小氣候數(shù)據(jù)與傳感器數(shù)據(jù)，精確制定灌溉決策。

1.3.3 管理員

管理員作為系統(tǒng)的最高權(quán)限用戶，負(fù)責(zé)整體系統(tǒng)的運(yùn)行與管理。

設(shè)備與用戶管理：全局管理設(shè)備信息，包括添加、刪除、更新設(shè)備狀態(tài)；管理用戶賬戶并分配權(quán)限。

日志與統(tǒng)計(jì)導(dǎo)出：支持一鍵導(dǎo)出灌溉日志與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，用于報(bào)告生成或存檔管理。

系統(tǒng)配置：設(shè)置報(bào)警規(guī)則和系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)性能，提前發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)是田間灌溉系統(tǒng)的核心組成部分，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和管理與灌溉活動(dòng)相關(guān)的各類數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)包括用戶賬戶管理、作物類型、灌溉日志、設(shè)備狀態(tài)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)表的設(shè)計(jì)，同時(shí)通過(guò)合理的索引機(jī)制提升數(shù)據(jù)訪問(wèn)效率。系統(tǒng)EER模型如圖3所示。

1.4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用戶表（Users） ：存儲(chǔ)系統(tǒng)中所有用戶的基本信息，如ID、用戶名、密碼和角色類型，角色決定權(quán)限和訪問(wèn)范圍。

灌溉日志表（IrrigationLogs） ：記錄灌溉操作的詳細(xì)信息，包括灌溉ID、時(shí)間、作物ID、水量和區(qū)域，用于歷史追蹤和分析。

設(shè)備表（Devices） ：存儲(chǔ)設(shè)備信息，如狀態(tài)、位置和類型，支持設(shè)備監(jiān)控和維護(hù)。

傳感器數(shù)據(jù)表（SensorData） ：存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)（如溫度、濕度、土壤濕度） ，用于驅(qū)動(dòng)灌溉決策。

2 田間灌溉系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟

在開(kāi)發(fā)田間灌溉系統(tǒng)之前，開(kāi)發(fā)者首先需要完成以下準(zhǔn)備工作，并將其融入系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的初期階段。

微信開(kāi)發(fā)者平臺(tái)注冊(cè)：開(kāi)發(fā)者需在微信開(kāi)發(fā)者平臺(tái)注冊(cè)項(xiàng)目，并獲取專屬的APPID。

選擇開(kāi)發(fā)環(huán)境：推薦使用微信開(kāi)發(fā)者工具，集成了代碼編輯、即時(shí)預(yù)覽和高效調(diào)試功能，以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程。同時(shí)，啟用云開(kāi)發(fā)以支持云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和服務(wù)。

硬件設(shè)備準(zhǔn)備：確保設(shè)備如灌溉控制器和傳感器具備互聯(lián)網(wǎng)通信能力，并預(yù)定義硬件接口協(xié)議，確保各組件的兼容性。

安全措施：在系統(tǒng)架構(gòu)中集成用戶數(shù)據(jù)保護(hù)、API 訪問(wèn)控制等安全機(jī)制，保障系統(tǒng)的安全性。

團(tuán)隊(duì)協(xié)作與文檔編制：編制開(kāi)發(fā)文檔，并確保團(tuán)隊(duì)間有清晰的協(xié)作機(jī)制，為項(xiàng)目順利實(shí)施打下基礎(chǔ)。

2.2 用戶管理模塊

用戶管理模塊是田間灌溉系統(tǒng)的核心部分，提供了高效且安全的用戶認(rèn)證與授權(quán)機(jī)制。該模塊的關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

微信OAuth 2.0授權(quán)：通過(guò)微信小程序API 使用OAuth 2.0 協(xié)議進(jìn)行用戶身份認(rèn)證，獲取用戶的基本信息（如昵稱、頭像等） ，簡(jiǎn)化注冊(cè)流程。

基于角色的訪問(wèn)控制（RBAC） ：根據(jù)用戶身份分配權(quán)限，支持動(dòng)態(tài)調(diào)整。例如，農(nóng)場(chǎng)工人可以查詢和控制區(qū)域設(shè)備，技術(shù)員可以管理灌溉策略，管理員擁有系統(tǒng)配置權(quán)限。

// 角色權(quán)限判斷示例

if （user.role === ′worker′） {

// 允許執(zhí)行區(qū)域設(shè)備控制}

else if （user.role === ′technician′） {

// 允許執(zhí)行灌溉策略管理}

else if （user.role === ′admin′） {

// 允許執(zhí)行系統(tǒng)配置與用戶管理}

數(shù)據(jù)交互：用戶登錄后，系統(tǒng)通過(guò) API 獲取用戶的授權(quán)信息，并根據(jù)角色返回對(duì)應(yīng)的功能模塊和權(quán)限數(shù)據(jù)。通過(guò) 云開(kāi)發(fā) 實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的高效交互。

安全性保障：使用微信小程序提供的安全認(rèn)證 和API簽名技術(shù)，確保每次API請(qǐng)求的真實(shí)性和安全性。

2.3 閥門(mén)控制模塊

閥門(mén)控制模塊是田間灌溉系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)根據(jù)指令控制水流開(kāi)關(guān)。該模塊的實(shí)現(xiàn)涉及以下關(guān)鍵技術(shù)。

指令解析與執(zhí)行：模塊接收來(lái)自用戶或系統(tǒng)的控制指令，這些指令可通過(guò)用戶界面或自動(dòng)化規(guī)則生成。指令通過(guò) 微信小程序的事件觸發(fā)機(jī)制 傳遞到設(shè)備端，轉(zhuǎn)化為電磁閥開(kāi)關(guān)操作。

// 控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)的指令示例

if （instruction === ′open′） {

// 執(zhí)行開(kāi)閥門(mén)操作

deviceControl.openValve（）;

} else if （instruction === ′close′） {

// 執(zhí)行關(guān)閥門(mén)操作

deviceControl.closeValve（）;

｝

自我診斷與故障恢復(fù)：系統(tǒng)添加有自我診斷功能，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)異常（如閥門(mén)故障、通信中斷） ，模塊會(huì)自動(dòng)進(jìn)行恢復(fù)操作。如果無(wú)法恢復(fù)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)API調(diào)用發(fā)送告警通知管理員。

數(shù)據(jù)交互：通過(guò)小程序與后端服務(wù)器的交互，控制指令和設(shè)備狀態(tài)被實(shí)時(shí)更新。每次設(shè)備狀態(tài)的變化都會(huì)通過(guò)云開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行同步。

安全性保障：閥門(mén)控制系統(tǒng)使用了認(rèn)證機(jī)制和訪問(wèn)控制列表（ACL） ，確保只有授權(quán)用戶能夠發(fā)送控制指令，避免非法操作。

2.4 小氣候監(jiān)測(cè)模塊

小氣候監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)多種氣象數(shù)據(jù)支持灌溉策略優(yōu)化，涉及以下關(guān)鍵技術(shù)。

傳感器數(shù)據(jù)采集與上傳：在農(nóng)場(chǎng)部署多個(gè)微型氣象站，配備高精度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度、濕度、光照等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過(guò)設(shè)備端上傳至云端，系統(tǒng)通過(guò)微信小程序的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)綁定功能顯示在用戶界面。

// 數(shù)據(jù)綁定示例

Page（{

data： {

temperature： 0，

humidity： 0

}，

onLoad： function（） {

const db = wx.cloud.database（）;

db.collection（′sensorData′）.get（）.then（res =gt; {

this.setData（{

temperature： res.data[0].temperature，

humidity： res.data[0].humidity

}）;

}）;

}

}）;

數(shù)據(jù)分析與決策支持：系統(tǒng)通過(guò)分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史趨勢(shì)，輔助農(nóng)事規(guī)劃。該模塊通過(guò)氣象數(shù)據(jù)優(yōu)化灌溉時(shí)間和水量，提高水資源利用效率，并利用云平臺(tái)的存儲(chǔ)與計(jì)算能力進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3總結(jié)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于微信小程序的田間灌溉管理系統(tǒng)，通過(guò)前后端分離架構(gòu)和云開(kāi)發(fā)服務(wù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了灌溉過(guò)程的自動(dòng)化和精準(zhǔn)化。系統(tǒng)創(chuàng)新性地集成了基于角色的訪問(wèn)控制（RBAC） 機(jī)制的用戶管理、自我診斷能力的閥門(mén)控制，以及實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)優(yōu)化灌溉策略的小氣候監(jiān)測(cè)模塊。與傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)能顯著減少水資源浪費(fèi)和提高管理效率，降低了人力成本并推動(dòng)了農(nóng)業(yè)管理的智能化。

未來(lái)工作將集中在三個(gè)方面：首先，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法結(jié)合氣象、土壤和作物數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)灌溉策略調(diào)整模型，實(shí)時(shí)優(yōu)化灌溉決策，提高效率并減少水資源浪費(fèi)；其次，基于傳感器數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行歷史，開(kāi)發(fā)故障預(yù)測(cè)模型，通過(guò)時(shí)間序列分析監(jiān)測(cè)設(shè)備健康，提前識(shí)別潛在故障，預(yù)計(jì)可減少40%的設(shè)備故障率并降低維護(hù)成本；最后，通過(guò)引入自然語(yǔ)言處理技術(shù)，提升用戶交互體驗(yàn)，簡(jiǎn)化操作。