基于微信公眾平臺的智能盆栽監(jiān)測系統(tǒng)*

劉成濤，郭 伏，楊青松

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710048）

1 引言

植物的生長、發(fā)育與能量交換息息相關(guān)。在植物的生長環(huán)境中，溫度、濕度、光照、二氧化碳含量、土壤墑情等因素對其生長的每一階段都至關(guān)重要。而植物在其生長的每一階段里，不僅受周圍環(huán)境某一因素的影響，還受作物間耦合作用的影響[1]。因此，只有對植物生長環(huán)境進行實時監(jiān)控監(jiān)測，在結(jié)合不同植物的生長規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過對環(huán)境參數(shù)的采集和分析，利用模糊智能灌溉技術(shù)實時控制植物生長的環(huán)境條件，才能使植物處于最佳生長狀態(tài)。

為此，開發(fā)出一個基于微信公眾平臺的遠(yuǎn)程智能盆栽監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分，通過無線路由器互相連接。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和微信公眾平臺建立環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能實時獲取監(jiān)測地點的溫度和濕度，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集功能[2]。系統(tǒng)不受時間和地域限制，用戶可以在任何具備網(wǎng)絡(luò)覆蓋條件的場合從所關(guān)注的微信公眾號上獲取并瀏覽采集到的數(shù)據(jù)，且系統(tǒng)支持多用戶，多個手機客戶端可共享一臺服務(wù)器，為用戶提供很大的便捷性。用戶可借此完全掌握所監(jiān)測植物的生長環(huán)境狀況，并可通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使盆栽生長的環(huán)境達(dá)到最優(yōu)化。

2 可編程DLL電路結(jié)構(gòu)

基于微信公眾平臺的智能監(jiān)測系統(tǒng)，針對的是不能實時監(jiān)測以及不能自適應(yīng)這一問題。它綜合利用了計算機技術(shù)、智能控制技術(shù)和農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)，對農(nóng)田信息，如土壤水分、空氣溫濕度、光照和二氧化碳等數(shù)據(jù)進行精確采集[3]，并通過自動化控制技術(shù)智能決策灌溉的時間和用水量，只需要通過控制電磁閥的開關(guān)狀態(tài)就可對作物進行灌溉。本系統(tǒng)以繼電器和水泵模擬電磁閥作為執(zhí)行模塊，與之前的研究相比具備以下幾點特性：

(1)實時性：作物周圍環(huán)境參數(shù)是實時變化的，因此自適應(yīng)控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的采集要做到實時精準(zhǔn)。

(2)自適應(yīng)性：作物周圍環(huán)境耦合關(guān)系復(fù)雜，因此應(yīng)用模糊控制算法，構(gòu)建溫室基本控制模型，實現(xiàn)溫室的自適應(yīng)控制。

(3)安全可靠：作物周圍信息采集的準(zhǔn)確性直接影響作物的生長狀態(tài)，因此不論STM32對環(huán)境參數(shù)的采集還是執(zhí)行機構(gòu)的動作都較為嚴(yán)格。

(4)低成本：低成本是本系統(tǒng)最基本的要求。只有低成本才能實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，才能體現(xiàn)本系統(tǒng)在溫室以及農(nóng)業(yè)大棚中的重要意義。

本智能灌溉控制系統(tǒng)主要由微處理器、電磁閥、水泵、LCD液晶顯示器、傳感器、控制軟件、物聯(lián)網(wǎng)、微信平臺等組成。在為作物灌溉時，通過從農(nóng)作物莊稼場地采集土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照強度等數(shù)據(jù)，并基于控制算法經(jīng)微控制器發(fā)送命令給執(zhí)行機構(gòu)，即驅(qū)動電磁閥使其做出相應(yīng)動作，從而使作物長期處于最佳生長環(huán)境下。本設(shè)計是基于微信公眾平臺的智能監(jiān)測系統(tǒng),主要實現(xiàn)功能包括：土壤水分傳感器數(shù)據(jù)采集；DHT11溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集；LCD液晶數(shù)據(jù)顯示；參數(shù)數(shù)據(jù)存儲云平臺；微信端讀取；達(dá)到灌溉要求時電磁閥的開啟與關(guān)閉。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

傳感器模塊主要包括空氣溫濕度采集電路和土壤含水率采集電路；電源模塊是給整個系統(tǒng)供電；顯示模塊則是顯示當(dāng)前系統(tǒng)所處環(huán)境的空氣溫濕度和土壤含水率數(shù)據(jù)。

執(zhí)行模塊是繼電器驅(qū)動水泵電路[4]，其主要控制原理為：對被控對象（灌溉區(qū)）的溫濕度和土壤水分進行實時采集，通過傳感器將模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量送進控制器中，控制器將傳感器所采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過模糊控制算法進行處理，再傳遞給各執(zhí)行器(即控制器驅(qū)動電磁閥或繼電器)，最終實現(xiàn)作物的水、光、二氧化碳等的自動補償。

微控制器運用模糊控制算法，根據(jù)當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)進行處理，例如當(dāng)溫度或濕度超過或小于預(yù)先設(shè)定的作物最適宜條件時，系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前的數(shù)據(jù)計算出偏差量，據(jù)此做出調(diào)整。系統(tǒng)由此實現(xiàn)了精確采集和實時調(diào)整，避免了作物因人力不能及時調(diào)整導(dǎo)致作物生長受限的局限性。這對于農(nóng)作物生長大有助益，在解決勞力問題的同時也提高了作物的產(chǎn)量。

3 硬件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集與控制模塊

控制模塊(MCU)采用STM32F103，這是ARM芯片家族中通常會被用到的一款，它具有豐富的外設(shè)資源和強大的可擴展性，在同類的產(chǎn)品當(dāng)中有較高的性價比。該模塊主要的作用是被用來控制采集到的溫濕度信息，將數(shù)據(jù)分兩路處理，一路借助Wi-Fi模塊傳入服務(wù)器，另外一路則經(jīng)由串口顯示在LCD屏幕上。

環(huán)境的溫度和濕度等參數(shù)由傳感器DHT11負(fù)責(zé)采集，它是一種復(fù)合式傳感器，于出廠之前已校準(zhǔn)其自身的數(shù)字信號輸出;在加工中也采取某種數(shù)字模塊采集及溫濕度傳感等技術(shù)[5]，從而提高了傳感器的穩(wěn)定度及可靠性。以電阻式濕度探測元件和NTC測溫元件構(gòu)成傳感器的功能核心。對所有DHT11進行特定濕度環(huán)境下的校準(zhǔn)，而后通過程序把采集的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)儲入OTP內(nèi)存，供傳感器在信號檢測的工作過程中按需調(diào)用。接口通信方式選為單線制串行通信，方便快捷。除上述特點外，DHT11的體積也很小，功耗不大，信息傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)20m以上，這些優(yōu)點使得它獲得了廣泛的應(yīng)用。

該系統(tǒng)中DHT11與MCU的具體連接如圖2所示。

圖2 溫濕度DHT11模塊與MCU的連接

3.2 Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊采用的是有人物聯(lián)網(wǎng)科技公司的USR-WIFI232-D2模塊，用于實現(xiàn)Wi-Fi與串口的轉(zhuǎn)換，將不具備網(wǎng)絡(luò)連接功能的單片機接入互聯(lián)網(wǎng)，使其配置為STA模式連接到路由器上，組成一個無線網(wǎng)絡(luò)，從而向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

其原理如圖3所示。如圖可見，Wi-Fi模塊的TXD、RXD分別接到 ARM的 PA10(U1_RXD)與PA11(U1_TXD)上，從而完成ARM端與Wi-Fi模塊的串口。

圖3 Wi-Fi模塊原理圖

3.3 TFT-LCD顯示模塊

液屏顯示模塊原理如圖4所示，在硬件設(shè)計上同時支持LCD彩屏與OLED。

16萬色的LCD彩屏作為顯示元件，相對于普通的數(shù)碼管顯示元件具有更豐富的顯示色彩，且可觸屏操作，嵌入方便，可實現(xiàn)強大的用戶交互系統(tǒng)的設(shè)計。而另一方面，OLED具有功耗小、成本低等優(yōu)勢。本系統(tǒng)采用兩種顯示方式，以適應(yīng)不同用戶與不同場合[6]。

圖4 LCD顯示模塊原理圖

4 軟件設(shè)計

4.1 控制算法

空氣溫度、空氣濕度和土壤濕度是影響作物生長的三個重要因子，互相之間具有較強的耦合關(guān)系；而光照與二氧化碳耦合度較低，易于獨立控制，因此以空氣溫濕度、土壤濕度作為輸入量來說明模糊控制方法。

輸入量模糊化采用瑪達(dá)尼法。如果輸入量X的實際變化范圍為[a,b]，則把[a,b]映射為區(qū)間[-6,6]，并使之離散化，構(gòu)成論域[-6,6]內(nèi)的13個整數(shù)元素的A，即A={-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，此過程即為分級。若X∈[a,b]，將X映射為[-6,6]內(nèi)的離散變量為y，則y與X轉(zhuǎn)換公式為：

由式(1)計算出的y若不是整數(shù)，可將它歸入最接近于y的整數(shù)。然后再將區(qū)間[-6,6]分為若干檔，每一檔對應(yīng)一個語言值，每一語言值對應(yīng)一個模糊集合。若分為7檔，則有{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，集合中各元素的含義分別為：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。每一個這樣的模糊集合對應(yīng)一個隸屬度函數(shù)，一般采用高斯函數(shù)。

輸入變量為空氣濕度偏差H、空氣溫度偏差T、土壤濕度偏差W，其論域皆為[-6,6]；輸出變量為閥門開啟度，其論域為[0,3]。利用MATLAB模糊工具包進行規(guī)則推理，過程如圖5所示。

利用模糊規(guī)則所得結(jié)果如圖6所示。其中，W=-6，H=-2，T=0，U=2.27，表示當(dāng)土壤濕度偏差為NB，空氣濕度偏差為ZO，空氣溫度偏差為ZO時閥門應(yīng)盡量全開。又如W=0，H=1.6，T=6，U=1，則表示當(dāng)土壤濕度偏差為ZO，空氣濕度偏差為PS，空氣溫度偏差為PB時閥門應(yīng)半開。實際控制時控制量“2.27”級和“1”級要轉(zhuǎn)換為精確的物理量才有效。“2.27”和“1”這個等級的控制電壓精確值可根據(jù)事先確定的范圍計算出來。通過這個精確量去控制閥門的電壓，從而實現(xiàn)對閥門開啟度的控制。

圖5 Simulink仿真圖

圖6 模糊控制規(guī)則瀏覽器

4.2 服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫

服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫是通過HTTP協(xié)議的GET請求方式將傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行傳輸?shù)模唧w采用的是目前比較流行的PHP(Hypertext Preprocessor)腳本語言進行代碼實現(xiàn)。

為了將Wi-Fi模塊送上來的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫，這里采用GET的方式。具體的GET請求為：

其中wangerniu.com是阿里云服務(wù)器的主機域名;tj.php為存儲數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫的文件，w為指標(biāo)溫度，s為指標(biāo)濕度。用PHP腳本語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。PHP是一種通用開源腳本語言,幾乎支持所有流行的數(shù)據(jù)庫以及操作系統(tǒng)，而且是免費的，因此使用極其廣泛。此處采用PHP語言來與MYSQL進行數(shù)據(jù)庫連接，如圖7即為PHP實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的語句與界面。

圖7 用PHP實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲

4.3 服務(wù)器與微信公眾平臺

利用微信公眾平臺的遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)，在手機端微信軟件中開展與實現(xiàn)本系統(tǒng)。要使得手機微信公眾號發(fā)送的請求命令能夠被響應(yīng)，需要將手機微信公眾號與服務(wù)器綁定。綁定之后，微信公眾號發(fā)送請求指令到服務(wù)器，服務(wù)器讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)發(fā)送回微信公眾號[7]。該指令和返回消息的具體文字信息是在服務(wù)器端用PHP語言寫好的，比如本系統(tǒng)中公眾微信號發(fā)送請求指令“溫度”，會得到回復(fù)信息當(dāng)前時間的硬件設(shè)備所處位置的溫度數(shù)據(jù)；公眾微信號發(fā)送請求指令“濕度”，同樣會得到回復(fù)信息當(dāng)前時間的硬件設(shè)備所在地的濕度數(shù)據(jù)。這樣的阿里云服務(wù)器-微信服務(wù)器-客戶端消息收發(fā)系統(tǒng)的工作原理如圖8所示。

數(shù)學(xué)知識內(nèi)容是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，很多單純的?shù)學(xué)知識教學(xué)，會讓學(xué)生感到枯燥無味，教師可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，依據(jù)小學(xué)生的心理特點，創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的故事情節(jié)，不但可以吸引學(xué)生的注意力，還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生樂于參與數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)。

圖8 阿里服務(wù)器-微信服務(wù)器-客戶端消息收發(fā)原理

5 系統(tǒng)測試與分析

5.1 參數(shù)采集顯示

程序下載后進行調(diào)試，采集模塊測試如下：

(1)TFTLCD顯示

采用逐步調(diào)試，先對LCD顯示模塊進行調(diào)試，用于顯示本設(shè)計課題、學(xué)校名稱以及后續(xù)要采集的空氣溫度、濕度和土壤濕度數(shù)值。

(2)DHT11空氣溫濕度采集

同樣采用逐步調(diào)試方式，將DHT11傳感器采集的溫濕度值顯示在LCD屏上，此數(shù)據(jù)將用于模糊控制算法中。

該模塊同樣也采用逐步調(diào)試方法，利用AD轉(zhuǎn)換將采集到的土壤濕度值顯示在LCD屏上。此數(shù)值表示當(dāng)前土壤實際濕度，利用AD轉(zhuǎn)換采集10次，求取平均值，再以百分比的形式表示[8]。該數(shù)值將用于模糊神控制算法中。

整體界面顯示效果如圖9所示。

圖9 TFTLCD顯示效果

5.2 微信端與下位機數(shù)據(jù)傳輸

手機用戶通過微信與阿里云平臺連接，下位機將采集來的數(shù)據(jù)發(fā)送給云平臺存儲。微信端可以通過發(fā)送指令的方式讀取當(dāng)前植物所處環(huán)境的參數(shù)數(shù)據(jù)。圖10為微信端讀取到下位機數(shù)據(jù)時的效果。

圖10 微信讀取到下位機的數(shù)據(jù)

5.3 灌溉分析

控制模塊運行情況如下：

本系統(tǒng)以水泵的抽水時間來表示電磁閥的4個狀態(tài)——關(guān)(水泵不工作，抽水時間為0min)、半開(水泵工作，抽水時間 0～3min)、中等(水泵工作，抽水時間 3～4min)、全開(水泵工作，抽水時間 5min)。經(jīng)多次測試，所得空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度三個參量和水泵抽水時間的關(guān)系如表1所示。

表1 空氣溫濕度、土壤濕度與水泵抽水時間的關(guān)系

表1中，如第二組數(shù)據(jù)，空氣溫度12℃，空氣濕度23%，土壤濕度73%時，抽水時間為0 min，表示在當(dāng)前環(huán)境下水泵不抽水，對應(yīng)電磁閥為關(guān)閉狀態(tài)；第四組數(shù)據(jù)中空氣溫度45℃，空氣濕度5%，土壤濕度19%時，抽水時間為2min，表示在當(dāng)前環(huán)境下水泵抽水，對應(yīng)電磁閥為半開狀態(tài)；第五組數(shù)據(jù)中空氣溫度43℃，空氣濕度29%，土壤濕度5%時，抽水時間為5min，表示在當(dāng)前環(huán)境下水泵抽水，對應(yīng)電磁閥為全開狀態(tài)。

6 結(jié)束語

從大量測試實驗的結(jié)果中可知，本設(shè)計的基于微信公眾平臺的智能型環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)運行正常，能夠完成溫濕度參數(shù)的信息采集，完成公眾號的基本信息收發(fā)和高級消息推送功能，也可有效實時遠(yuǎn)程監(jiān)測生活環(huán)境的溫濕度變化情況。該設(shè)備采用目前國內(nèi)較少使用的物聯(lián)網(wǎng)與微信公眾平臺相結(jié)合的模式，使得系統(tǒng)不受時間和地域的限制即可將檢測結(jié)果對外共享，方便其他用戶了解環(huán)境情況;同時還具有用戶操作簡單、高效且易于推廣等優(yōu)點。但由于Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)有時會有延遲，在微信端請求指令的過程中，檢測的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)庫前8～9s的數(shù)據(jù)，使得獲取的當(dāng)前信息可能與LCD顯示屏上的信息出現(xiàn)不同步的現(xiàn)象，在下一步的研究工作中將會針對這一問題著手改善。