基于微信平臺的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)

趙麗+張信民+張寶芳+田會峰

摘要：針對傳統(tǒng)溫室系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計1種基于微信平臺的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)。利用微信公眾平臺進行遠程監(jiān)控與管理，以新浪云服務(wù)器為中介，通過WiFi模塊實現(xiàn)單片機Arduino與微信服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互。借助微信實現(xiàn)遠距離監(jiān)控，這樣可以隨時隨地讀取溫室環(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，啟動相應(yīng)的調(diào)節(jié)設(shè)備如噴水機、送風(fēng)機、加熱器、降溫器等，調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，以達到最適宜條件，實現(xiàn)對溫室內(nèi)設(shè)備的遠程操作。

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

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

目前我國智能手機普及率較高，微信簡單、方便操作，利用手機微信平臺可以實時監(jiān)控溫室系統(tǒng)。微信平臺與傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，可實現(xiàn)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的無線化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

1溫室監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計

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-終端模式相比，具有分布靈活、成本較低的優(yōu)點。本系統(tǒng)采用計算機作為監(jiān)控中心，主要負責(zé)溫室控制器上傳數(shù)據(jù)的存儲、顯示，可與多個溫室控制器組網(wǎng)通信，實現(xiàn)一機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的嵌入式系統(tǒng)，計算機通過無線傳輸與溫室控制器通信，解決了現(xiàn)場布線不方便的問題，溫室控制器通過現(xiàn)場控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，簡稱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)中每個溫室都有1個溫室控制器，可完成對數(shù)據(jù)的采集和控制，有獨立的液晶顯示器和鍵盤系統(tǒng)，可獨立地完成智能控制，同時把本溫室的各種環(huán)境參數(shù)和系統(tǒng)的運行狀態(tài)傳輸給上位機的計算機系統(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

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、串口WiFi、溫濕度、光照、CO2濃度、有機發(fā)光二極管（organic light-emitting diode，簡稱OLED）顯示、電機驅(qū)動等模塊構(gòu)成[3]，系統(tǒng)組成框架如圖2所示。

根據(jù)農(nóng)作物最佳生長環(huán)境條件的需求，通過Arduino單片機[4-6]將傳感器感應(yīng)檢測到的溫室大棚環(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，再通過單片機實時顯示在微信上，同時將編程里設(shè)定好的農(nóng)作物最佳生長環(huán)境參數(shù)與實際環(huán)境參數(shù)范圍進行比較，如果存在偏差，則可以通過由單片機控制的外圍設(shè)備（水泵、通風(fēng)扇、遮陽簾、電磁閥、補光燈、暖風(fēng)機等）工作來改善環(huán)境信息參數(shù)，當(dāng)達到農(nóng)作物最佳生長條件時，設(shè)備則會停止工作。

2.2智能溫室系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.2.1串口WiFi模塊硬件設(shè)計本設(shè)計中的ESP8266WiFi模塊用于連接路由器，然后接收手機端發(fā)送的信號，對單片機進行控制。ESP8266是一款超低功耗的模塊，擁有業(yè)內(nèi)極富競爭力的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，專為移動設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用設(shè)計，可將用戶的物理設(shè)備連接到WiFi無線網(wǎng)絡(luò)上，進行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實現(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CO2模塊選用的是MG811。MG811是常用于家庭環(huán)境二氧化碳探測的裝置，二氧化碳氣體敏感元件測試濃度的范圍為0～10 000 μmol/mol。CO2模塊原理如圖4所示。

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

3智能溫室系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1下位機軟件設(shè)計

智能溫室系統(tǒng)通過傳感器實時檢測溫室的信息，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)作物生長的最有利條件時，可以通過由單片機控制的外圍設(shè)備（水泵、通風(fēng)扇、遮陽簾、電磁閥、補光燈、暖風(fēng)機等）工作來改善環(huán)境信息參數(shù)，當(dāng)達到農(nóng)作物最佳生長條件時，設(shè)備就會停止工作。主程序流程如圖6所示。

3.2微信平臺的設(shè)計[7-8]

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

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

（3）登錄注冊時在填寫的郵箱里查找微信激活郵件，點擊其中的鏈接激活微信公眾賬號。

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

（5）提交完成后進入微信公眾賬號信息注冊界面，填寫公眾賬號名稱、上傳賬號頭像、生成訂閱號二維碼等相關(guān)信息。

（6）為與新浪應(yīng)用引擎（sina app engine，簡稱SAE）關(guān)聯(lián)，即實現(xiàn)通過在SAE中編寫程序來檢測微信接收端接收到的信息并發(fā)送相關(guān)內(nèi)容，必須在訂閱號中設(shè)置為開發(fā)者模式來進行自定義菜單（控制訂閱號接收信息及發(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。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/，進入界面選擇“注冊賬號”鏈接，開始進入注冊新浪云賬號流程，該流程與微信公眾賬號注冊流程一致，在此就不再累贅，填寫完賬戶信息之后，進入賬戶信息界面。

在控制臺界面，點擊“創(chuàng)建新應(yīng)用”按鈕，SAE可以免費申請10個應(yīng)用。創(chuàng)建后選擇二級域名和應(yīng)用名稱，開發(fā)語言選擇超文本預(yù)處理器（hypertext preprocessor，簡稱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，將其他軟件平臺鏈接到該應(yīng)用對應(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)庫的設(shè)計在SAE中建立數(shù)據(jù)庫的目的是當(dāng)用戶發(fā)送控制信號到公眾平臺時，使數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)發(fā)生改變，

然后通過WiFi模塊傳輸?shù)絾纹瑱C當(dāng)中作為控制信號。數(shù)據(jù)庫內(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）建立過程。

3.3.3.1傳感器信息數(shù)據(jù)庫建立在控制臺，選中左側(cè)菜單欄中的“數(shù)據(jù)庫與緩存服務(wù)”，進入界面之后點擊管理MySQL，進入數(shù)據(jù)庫建立界面如圖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，各個變量代表的含義：TF為通風(fēng)扇；YL為遮陽簾；NF為暖風(fēng)機；BG為補光燈；PT為噴頭。變量類型選擇int，當(dāng)變量值為1時， 表示該變量

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

3.3.4PHP語言編寫[9]點擊應(yīng)用中的代碼管理，然后進入編寫代碼界面（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進行代碼和微信公眾賬號的關(guān)聯(lián)，程序如下：

//curl模擬GET請求，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，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)庫名

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

（3）當(dāng)用戶發(fā)送控制信號時改變數(shù)據(jù)庫變量如下程序所示：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，改變數(shù)據(jù)變量狀態(tài)，并且反饋給用戶界面。

4系統(tǒng)運行與改進

對系統(tǒng)進行測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)運行良好，微信平臺能正常實時顯示數(shù)據(jù)，同時能利用微信控制相應(yīng)的調(diào)節(jié)設(shè)備，如水泵、暖風(fēng)機等。本系統(tǒng)還有許多不足需要下一步的改進：（1）無線通信的傳輸速率在穩(wěn)定性方面須要進一步加強，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現(xiàn)上位機和下位機的通信，改進無線傳輸模塊，采用具有自組網(wǎng)和路

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

5結(jié)論

設(shè)計1種以Arduino UNO R3單片機為控制核心，基于微信公眾平臺遠程監(jiān)視和控制，將采集數(shù)據(jù)實時通過WiFi傳到新浪云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，用戶實時通過移動終端遠程操作的現(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，方便及時獲得監(jiān)控數(shù)據(jù)，便于溫室的管理。

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