基于微信公眾平臺的農產品冷鏈配送測控系統

摘? 要： 為解決傳統農業環境監控系統成本高、效率低等問題，本文將微信公眾平臺與農業物聯網技術相結合設計了基于微信公眾平臺的農產品冷鏈配送測控系統。該系統通過無線傳感器網絡實現農產品冷鏈配送環境信息的無線、實時、動態采集，并以新浪云服務器為媒介，通過移動4 G網絡與微信服務器進行數據信息的實時交互，從而實現農業冷鏈配送環境信息的遠程監測。測試結果表明：（1）通過微信公眾平臺使用戶通過微信公眾號實現了環境溫度、濕度、氣體濃度、光照度的監測，以及繼電器的控制;（2）環境監測數據在30 s后便可傳至用戶微信公眾號，傳輸雖有時延但不影響系統的正常使用;（3）系統通過采用休眠、喚醒等低功耗措施，使容量1500 mAh的鋰電池系統至少可以使用半年以上。該系統具有功耗低、組網靈活、使用方便等的優點，能夠較好的滿足農產品冷鏈配送的應用需求。

關鍵詞： 農業物聯網;微信公眾平臺;無線傳感器網絡;新浪云服務器;環境監測

中圖分類號： TP273? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.010

本文著錄格式：王鈞. 基于微信公眾平臺的農產品冷鏈配送測控系統[J]. 軟件，2019，40（10）：4145

Measurement and Control System of Cold-chain Logistic of

Agricultural Products Based on WeChat Public Number Control

WANG Jun

（College of Information Science and Technology， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China）

【Abstract】： In order to solve the problems of high cost and low efficiency of traditional agricultural environmental monitoring system， this paper combined the Wechat public platform with the Agricultural Internet of Things technology to design the measurement and control System of cold-chain logistic of agricultural products based on the Wechat public platform. The system realized wireless， real-time and dynamic acquisition of cold-chain logistic of agricultural products environment information by the wireless sensor network， and Sina cloud server as the medium， Real-time interaction of data information between mobile 4G network and Wechat server can realize remote monitoring of environmental information of cold-chain logistic of agricultural products. The test results showed that （1） users could monitor the environmental temperature， humidity， gas concentration， illumination and control the relay through the Wechat public number of the Wechat public platform; （2） The environmental monitoring data could be transmitted to the user's Wechat public number after 30 seconds. Although the transmission time was delayed， it did not affect the normal use of the system; （3） By adopting low-power measures such as dormancy and wake-up， the lithium battery system with 1500 mAh capacity can be used for at least half a year. The system had the advantages of low power consumption， flexible networking and convenient use， it could better meet the application needs of cold-chain logistic of agricultural products.

【Key words】： Agricultural internet of things; Wechat public platform; Arduino; Sina cloud server; Environmental monitoring

0? 引言

近些年，隨著物聯網技術的不斷發展，我國部分農業發達省份已經將物聯網技術應用于農業領域，實現農業生產過程中環境溫度、濕度、光照度等數據信息的采集，部分實現了農業的數字化，并取得一定的成效[1-3]。但與國外相比，我國的農業的自動化程度仍處于較落后的水平，農業物聯網技術在農業領域的普及率仍很低，大部分地區農業環境數據的采集仍處于人工監測階段，對農業環境數據掌握的很少，沒能充分發揮其潛在價值，很大程度的制約和影響了我國現代化農業的發展進程[4-7]。同時，由于我國地域遼闊，農業生產地區經濟、科技水平相對較為落后，通信網絡覆蓋差，很難實現農業環境信息的遠距離傳輸。

邵斌[8]基于物聯網技術設計了農田環境監測系統;張江南[9]等通過將大數據技術和農業物聯網技術結合，設計了基于數據中心的農業物聯網系統，提高了物聯網采集數據管理分析的能力;朱建雷[10]將傳感器采集到的數據通過智能網關上傳到云平臺，通過云平臺可以實現數據的存儲、分析。目前，物聯網技術已經得到了快速的發展，但如何方便快捷的實現數據存儲和管理仍存在許多的問題。

為此，本文通過4 G移動通信網絡將無線傳感器網絡采集的農產品冷鏈配送車內的環境數據發送至微信公眾平臺，利用新浪云服務器，實現農產品冷鏈配送環境數據的存儲管理，用戶通過微信軟件方便的實現數據的查詢和設備的控制功能，從而實現冷鏈配送環境的遠程監測，更好的實現了農業環境信息的共享。

1? 系統總體設計

農產品冷鏈配送測控系統是對農產品冷鏈配送環境進行監測和相關設備控制的系統，核心部分是嵌入式網關，通過嵌入式網關與無線傳感器網絡的協調器節點進行連接，將監測到的數據通過新浪云服務器實時反饋到手機微信公眾平臺的公眾號端，實現對冷鏈環境的整體監測和設備的控制，系統結構如圖1所示。

2? 硬件設計

基于微信公眾平臺的農產品冷鏈配送測控系統硬件設計內容包括：無線傳感器網絡終端節點和協調器節點設計以及嵌入式網關的設計。無線傳感器網絡終端節點通過SPI接口與各種傳感器和繼電器連接，實現環境信息的采集，并通過無線信號發送至協調器節點;嵌入式網關設計主要完成核心板的設計，以及通過I/O接口和無線傳感器網絡的協調器節點、4G模塊、GPS模塊、CMOS攝像頭模塊進行連接，從而實現嵌入式網關與無線傳感器網絡和移動4G網絡進行數據通信。

2.1? 傳感器模塊的設計

本設計根據農產品冷鏈配送測控系統的需要，選擇的傳感器主要包括溫濕度傳感器、光照度傳感器、氣體濃度傳感器等[11]。其中，溫濕度傳感器采用SHT75數字型溫濕度傳感器，該傳感器功耗較低，其中工作電流為550 μA，而待機時電流僅為0.3 μA，測量精度可以達到±0.3℃和小于等于1.8%[12]。光照度傳感器選用HA2003，該傳感器可以在DC5V的電壓進行工作，待機電流為1 μA，測量誤差為±5%，測量范圍為0-20萬Lux[13]。氣體濃度傳感器選用H550型氣體濃度傳感器，該傳感器的工作電流15 mA，精度可達±30 ppm[14]。

2.2? 無線傳感器網絡硬件設計

本設計無線傳感器網絡節點分為終端節點、協調器節點[15-16]。終端節點由CC2530模塊、無線收發模塊以及傳感器模塊組成。其中，傳感器模塊包括溫濕度、光照度、氣體濃度等傳感器，終端節點通過SPI接口將傳感器采集的環境數據發送至CC2530模塊，CC2530模塊再將采集的數據傳送至無線收發模塊，由該模塊將環境數據以無線的方式發送至協調器節點。協調器節點由CC2530模塊和無線收發模塊組成，該節點主要負責組建整個無線傳感器網絡，并與各個終端節點進行通信。同時，協調器節點通過RS-485串口電路與嵌入式網關實現數據的收發，無線傳感器網絡節點硬件結構如圖2所示。

2.3? 嵌入式網關硬件設計

嵌入式網關作為整個農產品冷鏈配送測控系統的核心，要求其具有較強的數據處理能力和豐富的對外輸入、輸出接口。嵌入式網關由嵌入式微處理器、4 G移動通信模塊、GPS模塊、CMOS攝像頭，電源模塊，以及各種對外輸入、輸出接口等組成，嵌入式網關硬件結構如圖3所示。

（1）嵌入式微處理器采用三星公司生產的Exynos 4412 ARM微處理器，該處理器擁有四枚主頻達到1.6GHz的Cortex-A9通用處理核心，并且通過動態電壓頻率調整技術，降低了處理器的功耗。同時，該處理器還提供了豐富的外圍I/O接口，非常適合作為本設計嵌入式網關的處理器。

（2）4G移動模塊采用華為公司生產的ME909s-? 821模塊，該模塊同時支持移動、電信、聯通4G網絡，下行速率最高可達150 Mbit/s，上行速率最高可達50 Mbit/s，完全能夠滿足農業環境信息的實時傳送。

（3）GPS模塊采用ATK 1218-BD可以實現GPS和北斗的雙模定位，定位精度更高。

（4）CMOS攝像頭模塊采用RS-HD10BW-V03? 模塊可以實現600線高清低照度攝像。

（5）電源模塊該模塊可以為無線傳感器網絡的協調器節點以及嵌入式網關提供3.3、4.2和5.0 V的直流電源。

（6）此外，嵌入式網關還具有2個UART接口，3個USB接口，以及數據線和液晶顯示屏接口等。

3? 系統軟件

3.1? 無線傳感器網絡程序設計

無線傳感器網絡由調器節點負責完成整個無線網絡傳感器網絡的建立，協調器節點首先對2.4 GHz的無線信道進行掃描，并將沒有被占用的空閑信道作為本無線傳感器網絡通信的信道;同時，協調器節點還負責制定無線傳感器網絡的參數指標，并且為網絡的各個終端節點分配網絡地址，當終端節點獲得網絡地址后便成功加入該網絡，可以與協調器節點進行通信;組網完成后，協調器節點等待各個終端節點定時向其發送終端節點所采集的車廂內環境數據。協調器節點在接受到監測數據后，通過RS-485串口將數據轉發至與其相連的嵌入式網關，協調器節點程序流程圖如4所示[17]。

無線傳感器網絡的終端節點會接收到協調器節點發送的創建無線傳感器網絡的信息，并根據需要申請加入該網絡，當終端節點獲得協調器發送的網絡地址后便加入該網絡。此時，終端節點可以定時以無線的通信方式向協調器節點發送采集的車廂內環境數據。

為了解決系統功耗的問題，無線傳感器網絡的軟件設計采用了動態配置傳感器環境數據的采樣間隔以及終端節點休眠時間和喚醒機制，從而有效的降低了無線傳感器網絡的功耗。終端節點程序流程圖如5所示。

3.2? 嵌入式網關程序設計

嵌入式網關實現了無線傳感器網絡與移動4 G網絡之間的數據傳輸，將無線傳感器網絡采集的冷鏈配送車廂內環境數據傳入了互聯網。通過嵌入式網關，讓用戶在通過微信軟件遠程訪問無線傳感器網絡采集的各種車廂內環境數據的同時，也可以向無線傳感器網絡中的協調器節點發送控制命令，從而實現農產品冷鏈配送測控系統的遠程控制與監測。

為了現實物聯網系統的功能，嵌入式網關應用程序的開發主要分為人機交互界面開發、數據通信開發和網絡開發三部分。嵌入式網關采用源代碼開放的Linux操作系統，人機交互界面采用QT軟件進行開發，無線傳感器網絡的協調器節點通過串口與嵌入式網關進行通信，采用TCP/IP協議實現網絡開發，嵌入式網關應用程序架構如圖6所示。

3.3? 微信公眾平臺程序設計

該系統的開發、測試以及環境部署都在是微信公眾平臺上完成的，其中編程語言為php，數據庫選擇的是共享型MySQL數據庫，服務器是采用新浪云服務器。通過網絡傳輸模塊實現農產品冷鏈配送車廂內的實時監測，通過微信公眾平臺可以為用戶隨時提供安全可靠的實時信息，同時，系統環境的配置可以在短時間內實現，且開發成本較低。農產品冷鏈配送測控系統在微信公眾平臺上正常啟動后，用戶可以通過進入公眾號，點擊測試號中菜單欄上的電器控制和數據監測按鈕對相關設備進行遠程控制和獲取冷鏈配送車廂內的環境數據，微信公眾平臺程序設計流程圖如圖7所示，微信公眾號界面如圖8所示。

（1）新浪云服務器搭建

新浪云是新浪公司自主開發的服務器，并在2009年正式試運行，其第一個版本是基于PHP、JAVA、

Python等大型語言的網絡應用程序托管型的平臺，可以實現網絡應用程序的托管服務。

本設計利用新浪云服務器建立起農業環境監測系統與微信公眾平臺間的連接，新浪云支持用戶的二次開發。在完成農產品冷鏈配送測控系統的軟、硬件開發后，新浪云與農業環境監測系統間通過網絡通信模塊建立TCP通信，從而實現農產品冷鏈配送測控系統與新浪云服務器間的數據傳輸。

為了實現微信公眾平臺與新浪云服務器的關聯，本設計通過php語言在新浪應用引擎上編寫程序來檢測接收的環境信息并將該信息進行轉發。通過將微信公眾平臺的訂閱號工作模式設置為開發者模式來實現用戶公眾號界面菜單的自定義設計，然后通過點擊創建新應用按鈕來添加用戶自己需要的各種應用，新浪應用引擎允許每個用戶最多創建10個免費的應用。在創建應用完成后，選擇二級域名和應用名稱，通過php語言在新浪應用引擎上編寫應用程序，創建的應用即為服務器，同時為應用程序創建自己的數據庫。

（2）數據庫的創建

當用戶發送控制信號到微信公眾平臺后，通過新浪應用引擎中建立的數據庫可以將控制量的狀態值保存下來，然后通過移動4G網絡將該控制信號傳輸到遠程的嵌入式網關中，通過嵌入式網關實現農產品冷鏈配送測控系統的控制。數據庫中主要存儲著各種傳感器采集的環境數據信息和控制量的狀態值。

目前，常見數據庫主要分為兩類，一類是關系型數據庫（Oracle，DB2，MySQL，SQL Server），另外一類為非關系型數據庫（NoSql、MongeDB）。不同數據庫都有其各自的優缺點。由于MySQL數據庫是免費的軟件，可以大大降低開發項目的總體擁有成本，同時該數據庫具有快速、健壯以及易用等優點。因此，本設計選用MySQL數據庫。

4? 系統測試

4.1? 測試方案

基于微信公眾平臺的農產品冷鏈配送測控系統測試選擇在冷鏈配送車內進行，測試在車廂內共布設3個環境數據采集節點和1個控制節點，其中環境數據采集節點用于采集車內的環境溫度、濕度、氣體濃度和光照度。控制節點通過繼電器控制車廂內燈的亮滅測試，結果如圖9所示。

4.2? 測試結果

測試結果表明，無線傳感器網絡在10 s內完成網絡建立，30s后用戶通過微信公眾號便可接收到車內的環境數據信息，信號由于受到日車體的影響，終端節點與協調器節點間的數據傳輸時出現了一定程度的丟包和時延，但對整個系統的正常使用影響不大，丟包時延結果如圖10所示。系統在整個測試過程中可以將采集到的溫度、濕度以及氣體濃度信息發送到用戶手機中，與此同時繼電器設備也可以通

過微信軟件實現遠程控制。本設計對無線傳感器網絡的終端節點采用了休眠、喚醒等低功耗措施，使容量1500 mAh的鋰電池至少可以正常使用半年以上。

5? 結論

本設計以嵌入式網關為核心，通過微信公眾平臺實現冷鏈配送車內環境的實時監測和設備的遠程控制，系統基于微信公眾平臺使用戶可以通過微信公眾號對農產品配送環境變化進行監測和利用繼電器對相關設備進行控制。終端節點與協調器節點間的數據傳輸由于受到車體的影響出現了一定程度的丟包和時延，但對整個系統的正常使用影響不大，30 s后用戶通過微信公眾號便可接收到車內的環境數據信息。無線傳感器網絡的終端節點通過采用休眠、喚醒等低功耗措施，使容量1500 mAh的鋰電池至少可以正常使用半年以上。

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