基于微信平臺的蘿卜小氣候監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

李沁耘，劉 濤，宮志宏，黎貞發(fā)，于 紅

（1.天津農(nóng)學(xué)院 計算機與信息工程學(xué)院，天津 300380；2.天津市氣候中心，天津 300074；3.天津市西青區(qū)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(chǎn)量達(dá)4 000萬t，是世界第一大蘿卜生產(chǎn)國。蘿卜產(chǎn)量、品質(zhì)的好壞很大程度取決于生長環(huán)境中的氣候條件。因此，做好蘿卜生產(chǎn)設(shè)施小氣候的監(jiān)測預(yù)警服務(wù)是未來蘿卜高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)的關(guān)鍵。

設(shè)施氣候條件是影響蘿卜生長發(fā)育的主要因素。目前，國內(nèi)針對設(shè)施園藝氣候監(jiān)測的相關(guān)研究較多，如黎貞發(fā)等利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)集小氣候?qū)崟r監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)警、自動化控制等技術(shù)于一體的氣象監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。孫志貴等通過多重因素關(guān)聯(lián)規(guī)則學(xué)習(xí)方法，構(gòu)建基于互聯(lián)網(wǎng)氣象數(shù)據(jù)、設(shè)施農(nóng)業(yè)小氣候環(huán)境數(shù)據(jù)及作物生育期等多重因素的設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)警和生產(chǎn)管理專家知識規(guī)則，開發(fā)基于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘和專家知識決策技術(shù)的設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警及智能決策推送服務(wù)系統(tǒng)。李慧等開發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺的水產(chǎn)養(yǎng)殖遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了多傳感器節(jié)點的信息遠(yuǎn)程采集和數(shù)據(jù)存儲功能。宮志宏等基于Android手機平臺，構(gòu)建了一種作物苗情災(zāi)情快速上報系統(tǒng)，為獲取實時農(nóng)情數(shù)據(jù)和開展災(zāi)后救援工作提供可靠支撐。劉書倫等設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺的農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)了對多傳感器節(jié)點（空氣溫濕度、光照、土壤濕度、電磁閥、變頻器等）遠(yuǎn)程采集和控制，以及對多個控制器節(jié)點的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。鄧曉棟基于Android平臺設(shè)計了一種溫室大棚環(huán)境因子遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控，并設(shè)計了APP，實現(xiàn)了移動終端的實時監(jiān)測和控制。以上研究為后者在利用智能手機進行數(shù)據(jù)監(jiān)測以及服務(wù)方面提供了重要的參考價值。目前將實時監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警和實時農(nóng)情、災(zāi)情上報的服務(wù)集于一體的平臺很少，而且很多平臺是基于APP開發(fā)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(shù)據(jù)時代的產(chǎn)物，成本低、運用簡單、使用廣泛，目前已逐步成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域智能手機應(yīng)用研究的熱點。

本研究基于衛(wèi)青蘿卜生產(chǎn)者在實際生產(chǎn)中的氣象監(jiān)測與生產(chǎn)服務(wù)需求，將數(shù)據(jù)采集端、云服務(wù)器端和小程序端進行結(jié)合，設(shè)計并開發(fā)了基于微信平臺的蘿卜小氣候監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)。監(jiān)測與服務(wù)系統(tǒng)通過實時監(jiān)測棚室小氣候環(huán)境，依托于衛(wèi)青蘿卜各生育期的氣象指標(biāo)，為農(nóng)戶生產(chǎn)決策提供科學(xué)指導(dǎo)，實現(xiàn)了設(shè)施衛(wèi)青蘿卜監(jiān)測預(yù)警精細(xì)化、精準(zhǔn)化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于微信平臺的蘿卜小氣候環(huán)境監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集端、云服務(wù)器端和小程序端三部分組成。數(shù)據(jù)采集端負(fù)責(zé)采集、傳輸數(shù)據(jù)，服務(wù)器端負(fù)責(zé)接收、存儲、處理數(shù)據(jù)，小程序端負(fù)責(zé)實時展示監(jiān)測數(shù)據(jù)、提供預(yù)報預(yù)警以及農(nóng)情、災(zāi)情上報等服務(wù)。系統(tǒng)采用B/S和C/S混合架構(gòu)，農(nóng)民用戶可以通過微信小程序隨時查看小氣候站監(jiān)測的數(shù)據(jù)和氣象部門發(fā)出的預(yù)報預(yù)警服務(wù)信息，同時可以通過微信小程序?qū)⑥r(nóng)情信息上傳到云服務(wù)器端，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

1.1 數(shù)據(jù)采集端

數(shù)據(jù)采集端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和存儲。棚內(nèi)的監(jiān)測設(shè)備采用便攜式智能小氣候監(jiān)測儀FLHBZ_B02，該設(shè)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(wǎng)絡(luò)連接至云服務(wù)器端；支持GPS定位；配置1.14寸TFT液晶屏，可以直觀顯示設(shè)備及采樣信息；配置觸控按鍵，通過不同觸摸方式實現(xiàn)點亮液晶屏、開關(guān)機或者啟動GPS等功能；配置USB TYPE-C接口，設(shè)備充電和數(shù)據(jù)調(diào)試更方便。該設(shè)備實現(xiàn)了氣象要素的采集、顯示，同時具備低功耗、低成本等特性。設(shè)備設(shè)置每10 min向云服務(wù)器端發(fā)送1次數(shù)據(jù)。

1.2 云服務(wù)器端

云服務(wù)器端負(fù)責(zé)采集端數(shù)據(jù)的接收、存儲、處理。衛(wèi)青蘿卜氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)通過4G移動網(wǎng)絡(luò)存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫中，庫表為采集數(shù)據(jù)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(jīng)度、緯度、供電電壓等。衛(wèi)青蘿卜的信息使用MySQL數(shù)據(jù)庫建立站點表，如衛(wèi)青蘿卜氣象指標(biāo)庫表、衛(wèi)青蘿卜產(chǎn)品信息表、衛(wèi)青蘿卜站點信息表等。棚外氣象數(shù)據(jù)包括天氣實況數(shù)據(jù)、預(yù)報預(yù)警數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)均來源于和風(fēng)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(jiān)測數(shù)據(jù)、預(yù)報預(yù)警信息和氣象服務(wù)產(chǎn)品等功能，基于MINA框架進行開發(fā)，通過視圖層和邏輯層組成。視圖層使用WXML和WXSS來實現(xiàn)，負(fù)責(zé)界面的布局和樣式；邏輯層使用JS即JavaScrip語言來實現(xiàn)，負(fù)責(zé)界面數(shù)據(jù)的交互。

系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為：Windows Server 2019+tomcat 9+JDK1.8+IntelliJ IDEA 2019.3.5+微信開發(fā)者工具；系統(tǒng)測試環(huán)境為：智能手機榮耀30S。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

基于微信平臺的蘿卜小氣候監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)的功能主要由實時監(jiān)測、預(yù)報預(yù)警、農(nóng)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(yīng)的子模塊。

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計圖

2.1 實時監(jiān)測模塊

實時監(jiān)測模塊包括棚內(nèi)的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)、棚外的自動站實況信息。棚內(nèi)的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)是由固定式小氣候站監(jiān)測設(shè)備提供的，能夠?qū)崟r顯示大棚內(nèi)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(jiān)測的數(shù)據(jù)，方便用戶直觀地獲取棚內(nèi)信息。設(shè)施農(nóng)業(yè)棚外實況信息是通過和風(fēng)天氣提供實時天氣數(shù)據(jù)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(yù)報預(yù)警模塊

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

2.3 農(nóng)情互動模塊

農(nóng)情互動模塊包括衛(wèi)青蘿卜服務(wù)產(chǎn)品、專家指導(dǎo)農(nóng)戶農(nóng)事活動和農(nóng)戶實時農(nóng)情災(zāi)情上報3個子模塊。服務(wù)產(chǎn)品模塊主要是分析近期天氣對衛(wèi)青蘿卜的影響，同時為農(nóng)戶管理衛(wèi)青蘿卜提供科學(xué)依據(jù)，以pdf文檔形式展示在小程序上；專家指導(dǎo)農(nóng)戶農(nóng)事活動模塊是通過對話框的形式來溝通交流；實時農(nóng)情災(zāi)情上報模塊是農(nóng)戶通過將當(dāng)前位置、時間、作物、受災(zāi)情況等信息發(fā)送至云服務(wù)器端，來實現(xiàn)農(nóng)情災(zāi)情上報功能。

2.4 蘿卜專題模塊

蘿卜專題模塊包含衛(wèi)青蘿卜的品種介紹、氣象條件適宜度分析、農(nóng)事管理以及發(fā)展歷程4個子模塊。通過對衛(wèi)青蘿卜的品種介紹，農(nóng)戶可以選擇優(yōu)質(zhì)品種實現(xiàn)高產(chǎn)高質(zhì)；根據(jù)專家提供的衛(wèi)青蘿卜適宜氣象條件，結(jié)合當(dāng)前生育期氣象數(shù)據(jù)，分析衛(wèi)青蘿卜環(huán)境適宜度，方便農(nóng)戶科學(xué)管理大棚；農(nóng)事管理模塊是通過專家獲取《保護地沙窩蘿卜栽培技術(shù)規(guī)范》，將各生育期肥水管理、病蟲害防治技術(shù)以列表形式展示；衛(wèi)青蘿卜的發(fā)展歷程以堆疊圖形式展示了衛(wèi)青蘿卜近年種植面積及產(chǎn)量變化特征。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)交互的方式

3.1.1 采集端數(shù)據(jù)獲取 當(dāng)傳感器設(shè)備觀測到數(shù)據(jù)時，會自動觸發(fā)監(jiān)聽事件，服務(wù)器監(jiān)聽程序就會監(jiān)聽到設(shè)備上傳數(shù)據(jù)操作，數(shù)據(jù)控制中心界面會顯示“注冊”“斷開連接”指令，說明數(shù)據(jù)控制中心正在接收設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，之后進行解析，通過配置文件連接數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，最終采集端數(shù)據(jù)獲取成功。

3.1.2 小程序數(shù)據(jù)交互 后臺使用SpringBoot框架、MyBatis框架進行開發(fā)。使用SpringBoot框架添加@RestController注解，可以開發(fā)HTTPS請求接口，小程序端通過該接口向服務(wù)器端發(fā)送請求，服務(wù)器端將請求的信息放在數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)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(guān)操作，后臺與MySQL數(shù)據(jù)庫交互時，使用ProductMapper.xml文件的標(biāo)簽，通過該標(biāo)簽可復(fù)用SQL語句片段，在執(zhí)行SQL語句標(biāo)簽時直接引用即可。注意實體類中的字段名稱及類型與數(shù)據(jù)庫中的字段名稱及類型必須保持一致，否則無法獲取數(shù)據(jù)。

3.1.3 預(yù)警預(yù)報數(shù)據(jù)及位置的獲取 獲取棚外數(shù)據(jù)時，在index.js文件中編寫Weather:function()函數(shù)，通過wx.request()發(fā)起HTTPS網(wǎng)絡(luò)請求，與此同時，必須設(shè)置自己的用戶認(rèn)證key，獲取key需要進入和風(fēng)天氣的控制臺，點擊應(yīng)用管理，創(chuàng)建應(yīng)用即可，應(yīng)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(shù)據(jù)，在index.wxml文件中將獲取到的數(shù)據(jù)顯示在小程序界面上，并進行界面整體布局。獲取位置數(shù)據(jù)時，通過genCodeLocation:function(lat,longi)函數(shù)，來獲取位置信息，并調(diào)用Weather(lat,longi)函數(shù)獲取當(dāng)?shù)氐奶鞖鈱崨r，從而獲得精確的地理位置及天氣信息。獲取預(yù)警信息時，獲取接口數(shù)據(jù)，通過getWarning:function()函數(shù)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)請求，在onLoad:function(res)函數(shù)中調(diào)用getWarning()，可以獲得天津市氣象局發(fā)出的預(yù)警信息，結(jié)合該信息，可以直接推送防災(zāi)措施。

3.1.4 產(chǎn)品文件展示方式 產(chǎn)品文件是通過西青區(qū)氣象局業(yè)務(wù)人員獲得，將獲取到的文件以pdf格式上傳到云存儲，后臺經(jīng)過解析，可以獲取url接口，通過調(diào)用wx.downloadFile()函數(shù)，最終將產(chǎn)品展示在小程序上。

3.2 數(shù)據(jù)存儲的方式

本系統(tǒng)從小氣候站獲取到的數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)組ySQL數(shù)據(jù)庫中。MySQL數(shù)據(jù)庫軟件體積小，使用簡單，且支持多種操作系統(tǒng)，所以使用MySQL數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)。在服務(wù)器上部署MySQL數(shù)據(jù)庫，根據(jù)系統(tǒng)功能的需求，設(shè)計了tabtimedatam、condition、information、station、device等表，用來存儲設(shè)備采集到的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、衛(wèi)青蘿卜氣象指標(biāo)數(shù)據(jù)、衛(wèi)青蘿卜生育期信息、棚室站點信息、儀器設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等。

3.3 數(shù)據(jù)展示的方式

微信小程序在邏輯層將數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)送給視圖層進行展現(xiàn)，同時接受視圖層事件反饋。wxml文件用于描述頁面的結(jié)構(gòu)，具有數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，均來自于對應(yīng)頁的js文件中Page方法的data對象。

本系統(tǒng)微信小程序根據(jù)微信官方文檔提供的框架、組件來實現(xiàn)。scroll-view標(biāo)簽實現(xiàn)了小程序的頁面滾動；picker組件實現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，數(shù)據(jù)以圖表形式直觀展示；navigator標(biāo)簽當(dāng)中的url屬性可以實現(xiàn)小程序內(nèi)頁面的跳轉(zhuǎn)。

4 系統(tǒng)測試

基于微信平臺的蘿卜小氣候環(huán)境監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)于2021年秋季在天津市西青區(qū)辛口鎮(zhèn)蔬菜基地（39°04'N,116°54'E）進行測試。經(jīng)測試，此系統(tǒng)可以實時獲取棚室內(nèi)、外空氣溫濕度、土壤溫濕度及光照強度等數(shù)據(jù)，同時能夠及時為生產(chǎn)者提供氣象災(zāi)害預(yù)警信息以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理決策建議，還可以根據(jù)蘿卜關(guān)鍵生育期氣象條件需求，展示相關(guān)氣象部門的服務(wù)產(chǎn)品，部分小程序界面及功能如圖3所示。結(jié)果表明，此系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性與實用性，基本滿足了農(nóng)戶的實際需求，可以進行大范圍地推廣。

圖3 智能監(jiān)測與服務(wù)系統(tǒng)主要界面示意圖

5 結(jié)論與展望

本研究設(shè)計了基于微信平臺的蘿卜小氣候環(huán)境監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)，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(shù)據(jù)，還可以將這些數(shù)據(jù)同步展示在小程序端，并且結(jié)合衛(wèi)青蘿卜生育期的適宜氣象條件，為生產(chǎn)管理者提供決策服務(wù)。同時本系統(tǒng)通過實時監(jiān)測預(yù)警信息，可以為生產(chǎn)管理者提供實時、個性化的科學(xué)指導(dǎo)，大大提高了系統(tǒng)的實用性。系統(tǒng)是基于微信平臺開發(fā)的，可以調(diào)用微信原生的API，很大程度降低了系統(tǒng)開發(fā)成本，在一定程度上，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。