基于虛擬儀器和微信公眾平臺的溫室環境監測系統

許江淳 岳秋燕 任向陽等

摘要將物聯網技術與微信公眾平臺相結合，設計了一套接入方便、交互友好的溫室監測系統。該系統以虛擬儀器為核心，STM8S105C6單片機作為數據處理器和多個傳感器實現溫室環境監測，傳感器采集溫室內信息，通過RS232傳至Lab VIEW進行顯示存儲及報警。監測系統的服務器與公眾平臺服務器連接，從而實現移動終端對溫室情況的實時查詢和歷史回溯等功能。

關鍵詞溫室測系統；Lab VIEW；數據處理；微信公眾平臺；物聯網技術

中圖分類號S126文獻標識碼A文章編號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

作者簡介許江淳（1962- ），男，云南昆明人，副教授，碩士生導師，從事嵌入式系統技術及應用、SOC及FPGA系統技術應用、自動化控制系統應用等研究。

收稿日期20160108溫室是利用溫室效應原理，采用自動控制技術等現代工程技術和工業化生產方式為動植物提供可控的適宜的生長環境[1]。為了實現高效生產的的科學化，推動我國農業的發展，對溫室中環境參數的科學管理極為重要。虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用[2-3]。靈活高效的軟件能幫助人們創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集成，標準的軟硬件平臺能滿足對同步和定時應用的需求。農業自動化是在物聯網的影響之下物聯化體現，溫室環境監測是溫室自動化的基礎，設計結合虛擬儀器這種圖形化編程語言的溫室環境監測系統具有非常重要的意義[4-5]。

隨著移動終端及移動網絡的發展，移動終端的數據通訊功能被越來越多的運用在實時監測方面，也有文獻報導基于智能手機終端對溫室監測系統進行開發和應用[6-7]。近年來微信的發展非常迅速，微信公眾平臺也為開發者提供了一個優異的平臺及解決方案。基于微信公眾平臺開發溫室監測系統，為溫室管理者提供豐富的溫室信息查詢等服務。筆者基于虛擬儀器和對微信公眾平臺的開發，將物聯網技術與微信公眾平臺相結合，設計了一套接入方便、交互友好的溫室監測系統。

1系統設計

系統由多個傳感器及安裝有Lab VIEW的計算機組成。傳感器采集溫室內的信息，通過RS232傳至Lab VIEW，各環節之間互不干擾。Lab VIEW將所采集到的信息進行存儲顯示及報警并與公眾平臺服務器連接，從而把所采集到的信息發送至移動終端。

1.1硬件部分設計該系統數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，主要完成數據采集和對執行機構的控制工作。

1.1.1傳感器。該系統采用已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器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計，適用于一般室內溫濕度、CO2濃度、光照強度、煙霧濃度的測量；配有RS232通信接口，采用標準的SWIM通信協議。各傳感器性能指標見表1。

1.1.2STM8S中的AD轉換。 STM8S系列ADC是一個逐次逼近模數轉換器，模數轉換器的分辨率為10 bit，最大轉換值為1 024，最多包含16通道，配置左對齊或右對齊的寄存器為ADC_CR2。AD轉換速度取決于ADC的時鐘信號，時鐘的預分頻因子是由ADC_CR2寄存器的SPSEL[2∶0]決定的，ADC轉換可由定時器1的TRGO事件或是外部引腳ADC_ETR的上升沿觸發，也可通過設置ADON位來軟件觸發，用于選擇觸發源的寄存器為ADC_CR2。最大的轉換速度為3.5 μs。ADC模塊結構見圖1。

1.1.2STM8S中的AD轉換。 STM8S系列ADC是一個逐次逼近模數轉換器，模數轉換器的分辨率為10 bit，最大轉換值為1 024，最多包含16通道，配置左對齊或右對齊的寄存器為ADC_CR2。AD轉換速度取決于ADC的時鐘信號，時鐘的預分頻因子是由ADC_CR2寄存器的SPSEL[2∶0]決定的，ADC轉換可由定時器1的TRGO事件或是外部引腳ADC_ETR的上升沿觸發，也可通過設置ADON位來軟件觸發，用于選擇觸發源的寄存器為ADC_CR2。最大的轉換速度為3.5 μs。ADC模塊結構見圖1。

的參考電壓設置在模擬電壓范圍內，最小為2.75 V，選擇模擬通道寄存器ADC_CSR，關閉施密特觸發器為ADC_TDRL（H），數據存儲在2個8位的寄存器中，當讀第一個數據寄存器時，第二個數據寄存器被鎖存，阻止被下一次轉換結果覆蓋，并等待被讀取，讀取寄存器的順序取決于數據的對齊模式，左對齊先高后低，右對齊先低后高，ALIGN位用來選擇轉換后的數據對齊方式。單次轉換模式，ADC僅執行一次轉換，連續轉換模式，ADC循環的進行轉換。

2Lab VIEW監測軟件開發

由傳感器采集到的室內環境的數據在STM8S105C6里進行了處理和轉換，Lab VIEW的程序設計要完成的部分是將處理完成的數據在PC機上進行接收，并以波形和數值的形式顯示出來，以及設定適宜的室內環境溫濕度等的數值范圍，與接收到的數據值進行比較，超出設定值報警燈進行報警，同時儲存數據以及互聯網通訊。程序框圖設計見圖2。

上位機軟件采用Lab VIEW編寫，程序由左至右依次是串口的初始化、數據在PC機上的存儲、參數的采集及顯示、參數的閾值的判定及報警部分，PC與STM8S105C6單片機串口通訊采用RS232通信協議，VISA串口初始化設置串口號為COM3、波特率設置為9 600、數據比特為8、停止位設置為10、奇偶位設置為0。大多數植物的生長適宜溫度為12～33 ℃，溫室內溫度的測量范圍為0～50 ℃，濕度的測量范圍為0～100%RH，不同的植物最適宜生長的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率較低的SnO2。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。根據這些數據在Lab VIEW上設置適宜的監測范圍，超出這些范圍進行報警。

前面板主要用來實現對數據的實時顯示，從左到右依次是溫度報警燈、溫度計、停止按鈕、濕度報警燈、濕度計、光照強度報警燈、CO2濃度報警燈、煙霧濃度報警燈、各個溫室環境參數波形圖以及VISA串口設置框、數據儲存框、進行互聯網通信設置框，如圖3所示。

3微信公眾平臺的開發

微信是騰訊公司推出的一款為智能終端提供即時通訊服務的應用程序，它支持跨通信運營商、跨操作系統平臺，通過網絡快速發送包含文本、圖片、語音等信息。通過對微信公眾平臺的開發，可實現移動終端對溫室情況的實時查詢和歷史回溯等功能。具體實現路線見圖 4。首先需把存有溫室監測數據的服務器與微信公眾平臺服務器進行連接，公眾平臺開發要求開發者設置 URL 及 Token（用來驗證）。URL 指向用于存儲采集數據的服務器，公眾平臺服務器要求接入開發者計算機的端口必須為 80，非 80端口無法正常的接收和發送數據。該研究使用“花生殼”申請二級域名，由于溫室內計算機大部分都是非公網 IP，需要對路由器進行端口映射設置，才能建立起用戶服務器與公眾平臺服務器的連接[8]。公眾平臺服務器的連接請求通過 HTTP 的 GET 參數傳輸，會額外帶上 signature、time stamp、nonce 3個參數，signature 是 對 time stamp、nonce 及 Token 進 行 SHA1 加密后的字符串，監測系統服務器收到公眾平臺服務器的請求后同樣進行加密算法，得到 signature 后與公眾平臺服務器的signature 對比，從而排除惡意第三方的連接。該研究使用 PHP 進行開發，在用戶微信客戶端向溫室監測系統服務器發送消息時，微信公眾服務器會將消息以特定格式的XML 形式發給公眾賬號服務器，包含發送方的 ID、消息類型以及消息內容等。在溫室監測系統服務器對 XML 進行解析后則可讀取用戶客戶端所發出的請求，從本地MySQL數據庫中讀取相應數據以 XML 格式發回給公眾平臺服務器，在用戶微信客戶端則能接收到相應數據。溫室環境監測記錄見圖5。

4結語

該研究通過對微信公眾平臺的開發，實現了利用智能手機終端對溫室環境的監測，并用于溫室環境監測的數據反饋，為溫室管理人員提供了良好的接入及用戶體驗。相比于其他智能手機系統開發移動終端應用程序，該方法更加容易實現，設備使用及管理人員的操作也更為簡單。微信作為一款成熟的軟件，在跨平臺、跨操作系統的移動終端的兼容性上都具有很大的優勢。且用戶完全可以根據自己對溫室的環境需求增加傳感器等模塊和在Lab VIEW上調用不同的功能模塊，改變設定的參數，完成對溫室的個人需求設置。

但是通過微信公眾平臺進行開發也具有一定的局限性，公眾賬號所提供的接口受微信平臺本身限制，在消息的主動推送上也受限制（訂閱號每天 1 條，服務號每月 1 條），而且微信本身為了避免公眾賬號對微信用戶的打擾，訂閱號的推送消息不對用戶進行提醒，用戶只有在聊天界面打開訂閱號時才能查看消息。這意味著在異常報警的實時性受到了一定程度的影響，用戶要獲取相關信息時必須首先向微信公眾平臺賬號發送相應的命令。在實際應用中，不僅可以將微信公眾平臺與溫室監測系統相結合，而且只要針對采集前端進行開發，就可以應用于溫室其他的狀態監測及管理上，具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1] 陶然，王樹文，薛圓滿，等.智能化的溫室環境控制系統的研究[J].農機化研究，2015（2）：53-54.

[2] 李敏，孟臣.溫室大棚計算機測控系統研制[J].計算機與農業，2013（6）：9-11.

[3] 王貴恩，洪添勝，王衛星，等.南方溫室節水調溫自動控制系統的研制[J].廣西大學學報（自然科學版），2003，28（1）：57-60.

[4] 李永芳，朱榮新，姚肩倉.利用Data Socket技術實現網絡化虛擬儀器[J].現代電子技術，2013（19）：50-51.

[5] 毛頓，郭慶平.Lab VIEW中用Data Socket技術實現網絡化應用[J].現代電子技術，2014（3）：70-71.

[6] 劉金寧，孟晨，方晨，等.Data Socket技術及其網絡化虛擬儀器[J].網絡與總線，2003（3）：31-33.

[7] 王希華，趙偉.Data Socket技術及其在遠程測控中應用[J].儀表技術，2001（5）：17-18.

[8] 顏全生.溫室的自動控制設計及實現[J].電力系統及其自動化學報，2001，13（4）：65-69.44