基于虛擬儀器和微信公眾平臺(tái)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

許江淳 岳秋燕 任向陽(yáng)等

摘要將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與微信公眾平臺(tái)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套接入方便、交互友好的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以虛擬儀器為核心，STM8S105C6單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理器和多個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)，傳感器采集溫室內(nèi)信息，通過(guò)RS232傳至Lab VIEW進(jìn)行顯示存儲(chǔ)及報(bào)警。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的服務(wù)器與公眾平臺(tái)服務(wù)器連接，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端對(duì)溫室情況的實(shí)時(shí)查詢和歷史回溯等功能。

關(guān)鍵詞溫室測(cè)系統(tǒng)；Lab VIEW；數(shù)據(jù)處理；微信公眾平臺(tái)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

中圖分類號(hào)S126文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2016）04-301-03

Greenhouse Environment Detection System Based on the Virtual Instrument and WeChat Public Platform

XU Jiangchun， YUE Qiuyan， REN Xiangyang et al（Kunming University of Science and Technology， Kunming， Yunnan 650000）

AbstractBy combining the networking technology with WeChat public platform， a interactive and friendly greenhouse monitoring system was designed with convenient access. With virtual instrument as the core， STM8S105C6 microcontroller was used as data processors and multiple sensors to achieve greenhouse environmental monitoring. Information was collected by sensors inside the greenhouse， and transmitted to Lab VIEW for display and alarm storage via RS232. Server of monitoring system was connected with public platform server， so as to realize the realtime and historical backtracking query functions of greenhouse conditions by mobile terminal.

Key wordsGreenhouse measurement system； Lab VIEW； Data processing； WeChat public platform； Networking technology

作者簡(jiǎn)介許江淳（1962- ），男，云南昆明人，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事嵌入式系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用、SOC及FPGA系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用、自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用等研究。

收稿日期20160108溫室是利用溫室效應(yīng)原理，采用自動(dòng)控制技術(shù)等現(xiàn)代工程技術(shù)和工業(yè)化生產(chǎn)方式為動(dòng)植物提供可控的適宜的生長(zhǎng)環(huán)境[1]。為了實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)的的科學(xué)化，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對(duì)溫室中環(huán)境參數(shù)的科學(xué)管理極為重要。虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用[2-3]。靈活高效的軟件能幫助人們創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，模塊化的硬件能方便地提供全方位的系統(tǒng)集成，標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件平臺(tái)能滿足對(duì)同步和定時(shí)應(yīng)用的需求。農(nóng)業(yè)自動(dòng)化是在物聯(lián)網(wǎng)的影響之下物聯(lián)化體現(xiàn)，溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)是溫室自動(dòng)化的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)結(jié)合虛擬儀器這種圖形化編程語(yǔ)言的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有非常重要的意義[4-5]。

隨著移動(dòng)終端及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)通訊功能被越來(lái)越多的運(yùn)用在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面，也有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)基于智能手機(jī)終端對(duì)溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[6-7]。近年來(lái)微信的發(fā)展非常迅速，微信公眾平臺(tái)也為開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)優(yōu)異的平臺(tái)及解決方案?；谖⑿殴娖脚_(tái)開(kāi)發(fā)溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為溫室管理者提供豐富的溫室信息查詢等服務(wù)。筆者基于虛擬儀器和對(duì)微信公眾平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與微信公眾平臺(tái)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套接入方便、交互友好的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由多個(gè)傳感器及安裝有Lab VIEW的計(jì)算機(jī)組成。傳感器采集溫室內(nèi)的信息，通過(guò)RS232傳至Lab VIEW，各環(huán)節(jié)之間互不干擾。Lab VIEW將所采集到的信息進(jìn)行存儲(chǔ)顯示及報(bào)警并與公眾平臺(tái)服務(wù)器連接，從而把所采集到的信息發(fā)送至移動(dòng)終端。

1.1硬件部分設(shè)計(jì)該系統(tǒng)數(shù)采集中心主要由兩部分組成：①傳感器，包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、二氧化碳傳感器及光敏電阻傳感器；②STM8S105C6微處理器，主要完成數(shù)據(jù)采集和對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制工作。

1.1.1傳感器。該系統(tǒng)采用已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器DHT11和MQ2煙霧傳感器、二氧化碳傳感器TGS4160及光敏傳感器。它們均采用傳感變送一體化設(shè)計(jì)，適用于一般室內(nèi)溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度、煙霧濃度的測(cè)量；配有RS232通信接口，采用標(biāo)準(zhǔn)的SWIM通信協(xié)議。各傳感器性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.1.2STM8S中的AD轉(zhuǎn)換。 STM8S系列ADC是一個(gè)逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率為10 bit，最大轉(zhuǎn)換值為1 024，最多包含16通道，配置左對(duì)齊或右對(duì)齊的寄存器為ADC_CR2。AD轉(zhuǎn)換速度取決于ADC的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘的預(yù)分頻因子是由ADC_CR2寄存器的SPSEL[2∶0]決定的，ADC轉(zhuǎn)換可由定時(shí)器1的TRGO事件或是外部引腳ADC_ETR的上升沿觸發(fā)，也可通過(guò)設(shè)置ADON位來(lái)軟件觸發(fā)，用于選擇觸發(fā)源的寄存器為ADC_CR2。最大的轉(zhuǎn)換速度為3.5 μs。ADC模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1.1.2STM8S中的AD轉(zhuǎn)換。 STM8S系列ADC是一個(gè)逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率為10 bit，最大轉(zhuǎn)換值為1 024，最多包含16通道，配置左對(duì)齊或右對(duì)齊的寄存器為ADC_CR2。AD轉(zhuǎn)換速度取決于ADC的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘的預(yù)分頻因子是由ADC_CR2寄存器的SPSEL[2∶0]決定的，ADC轉(zhuǎn)換可由定時(shí)器1的TRGO事件或是外部引腳ADC_ETR的上升沿觸發(fā)，也可通過(guò)設(shè)置ADON位來(lái)軟件觸發(fā)，用于選擇觸發(fā)源的寄存器為ADC_CR2。最大的轉(zhuǎn)換速度為3.5 μs。ADC模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

的參考電壓設(shè)置在模擬電壓范圍內(nèi)，最小為2.75 V，選擇模擬通道寄存器ADC_CSR，關(guān)閉施密特觸發(fā)器為ADC_TDRL（H），數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在2個(gè)8位的寄存器中，當(dāng)讀第一個(gè)數(shù)據(jù)寄存器時(shí)，第二個(gè)數(shù)據(jù)寄存器被鎖存，阻止被下一次轉(zhuǎn)換結(jié)果覆蓋，并等待被讀取，讀取寄存器的順序取決于數(shù)據(jù)的對(duì)齊模式，左對(duì)齊先高后低，右對(duì)齊先低后高，ALIGN位用來(lái)選擇轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)對(duì)齊方式。單次轉(zhuǎn)換模式，ADC僅執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換，連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，ADC循環(huán)的進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2Lab VIEW監(jiān)測(cè)軟件開(kāi)發(fā)

由傳感器采集到的室內(nèi)環(huán)境的數(shù)據(jù)在STM8S105C6里進(jìn)行了處理和轉(zhuǎn)換，Lab VIEW的程序設(shè)計(jì)要完成的部分是將處理完成的數(shù)據(jù)在PC機(jī)上進(jìn)行接收，并以波形和數(shù)值的形式顯示出來(lái)，以及設(shè)定適宜的室內(nèi)環(huán)境溫濕度等的數(shù)值范圍，與接收到的數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較，超出設(shè)定值報(bào)警燈進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)以及互聯(lián)網(wǎng)通訊。程序框圖設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

上位機(jī)軟件采用Lab VIEW編寫(xiě)，程序由左至右依次是串口的初始化、數(shù)據(jù)在PC機(jī)上的存儲(chǔ)、參數(shù)的采集及顯示、參數(shù)的閾值的判定及報(bào)警部分，PC與STM8S105C6單片機(jī)串口通訊采用RS232通信協(xié)議，VISA串口初始化設(shè)置串口號(hào)為COM3、波特率設(shè)置為9 600、數(shù)據(jù)比特為8、停止位設(shè)置為10、奇偶位設(shè)置為0。大多數(shù)植物的生長(zhǎng)適宜溫度為12～33 ℃，溫室內(nèi)溫度的測(cè)量范圍為0～50 ℃，濕度的測(cè)量范圍為0～100%RH，不同的植物最適宜生長(zhǎng)的CO2濃度不同，大氣的CO2濃度為300 μL/L，MQ2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的SnO2。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。根據(jù)這些數(shù)據(jù)在Lab VIEW上設(shè)置適宜的監(jiān)測(cè)范圍，超出這些范圍進(jìn)行報(bào)警。

前面板主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，從左到右依次是溫度報(bào)警燈、溫度計(jì)、停止按鈕、濕度報(bào)警燈、濕度計(jì)、光照強(qiáng)度報(bào)警燈、CO2濃度報(bào)警燈、煙霧濃度報(bào)警燈、各個(gè)溫室環(huán)境參數(shù)波形圖以及VISA串口設(shè)置框、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存框、進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)置框，如圖3所示。

3微信公眾平臺(tái)的開(kāi)發(fā)

微信是騰訊公司推出的一款為智能終端提供即時(shí)通訊服務(wù)的應(yīng)用程序，它支持跨通信運(yùn)營(yíng)商、跨操作系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)送包含文本、圖片、語(yǔ)音等信息。通過(guò)對(duì)微信公眾平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端對(duì)溫室情況的實(shí)時(shí)查詢和歷史回溯等功能。具體實(shí)現(xiàn)路線見(jiàn)圖 4。首先需把存有溫室監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的服務(wù)器與微信公眾平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行連接，公眾平臺(tái)開(kāi)發(fā)要求開(kāi)發(fā)者設(shè)置 URL 及 Token（用來(lái)驗(yàn)證）。URL 指向用于存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)的服務(wù)器，公眾平臺(tái)服務(wù)器要求接入開(kāi)發(fā)者計(jì)算機(jī)的端口必須為 80，非 80端口無(wú)法正常的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。該研究使用“花生殼”申請(qǐng)二級(jí)域名，由于溫室內(nèi)計(jì)算機(jī)大部分都是非公網(wǎng) IP，需要對(duì)路由器進(jìn)行端口映射設(shè)置，才能建立起用戶服務(wù)器與公眾平臺(tái)服務(wù)器的連接[8]。公眾平臺(tái)服務(wù)器的連接請(qǐng)求通過(guò) HTTP 的 GET 參數(shù)傳輸，會(huì)額外帶上 signature、time stamp、nonce 3個(gè)參數(shù)，signature 是 對(duì) time stamp、nonce 及 Token 進(jìn) 行 SHA1 加密后的字符串，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)器收到公眾平臺(tái)服務(wù)器的請(qǐng)求后同樣進(jìn)行加密算法，得到 signature 后與公眾平臺(tái)服務(wù)器的signature 對(duì)比，從而排除惡意第三方的連接。該研究使用 PHP 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，在用戶微信客戶端向溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送消息時(shí)，微信公眾服務(wù)器會(huì)將消息以特定格式的XML 形式發(fā)給公眾賬號(hào)服務(wù)器，包含發(fā)送方的 ID、消息類型以及消息內(nèi)容等。在溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)器對(duì) XML 進(jìn)行解析后則可讀取用戶客戶端所發(fā)出的請(qǐng)求，從本地MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)以 XML 格式發(fā)回給公眾平臺(tái)服務(wù)器，在用戶微信客戶端則能接收到相應(yīng)數(shù)據(jù)。溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)記錄見(jiàn)圖5。

4結(jié)語(yǔ)

該研究通過(guò)對(duì)微信公眾平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了利用智能手機(jī)終端對(duì)溫室環(huán)境的監(jiān)測(cè)，并用于溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)反饋，為溫室管理人員提供了良好的接入及用戶體驗(yàn)。相比于其他智能手機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)移動(dòng)終端應(yīng)用程序，該方法更加容易實(shí)現(xiàn)，設(shè)備使用及管理人員的操作也更為簡(jiǎn)單。微信作為一款成熟的軟件，在跨平臺(tái)、跨操作系統(tǒng)的移動(dòng)終端的兼容性上都具有很大的優(yōu)勢(shì)。且用戶完全可以根據(jù)自己對(duì)溫室的環(huán)境需求增加傳感器等模塊和在Lab VIEW上調(diào)用不同的功能模塊，改變?cè)O(shè)定的參數(shù)，完成對(duì)溫室的個(gè)人需求設(shè)置。

但是通過(guò)微信公眾平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)也具有一定的局限性，公眾賬號(hào)所提供的接口受微信平臺(tái)本身限制，在消息的主動(dòng)推送上也受限制（訂閱號(hào)每天 1 條，服務(wù)號(hào)每月 1 條），而且微信本身為了避免公眾賬號(hào)對(duì)微信用戶的打擾，訂閱號(hào)的推送消息不對(duì)用戶進(jìn)行提醒，用戶只有在聊天界面打開(kāi)訂閱號(hào)時(shí)才能查看消息。這意味著在異常報(bào)警的實(shí)時(shí)性受到了一定程度的影響，用戶要獲取相關(guān)信息時(shí)必須首先向微信公眾平臺(tái)賬號(hào)發(fā)送相應(yīng)的命令。在實(shí)際應(yīng)用中，不僅可以將微信公眾平臺(tái)與溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，而且只要針對(duì)采集前端進(jìn)行開(kāi)發(fā)，就可以應(yīng)用于溫室其他的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及管理上，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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