基于虚拟仪器和微信公众平台的温室环境监测系统

许江淳 岳秋燕 任向阳等

摘要将物联网技术与微信公众平台相结合，设计了一套接入方便、交互友好的温室监测系统。该系统以虚拟仪器为核心，STM8S105C6单片机作为数据处理器和多个传感器实现温室环境监测，传感器采集温室内信息，通过RS232传至Lab VIEW进行显示存储及报警。监测系统的服务器与公众平台服务器连接，从而实现移动终端对温室情况的实时查询和历史回溯等功能。

关键词温室测系统；Lab VIEW；数据处理；微信公众平台；物联网技术

中图分类号S126文献标识码A文章编号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

作者簡介许江淳（1962- ），男，云南昆明人，副教授，硕士生导师，从事嵌入式系统技术及应用、SOC及FPGA系统技术应用、自动化控制系统应用等研究。

收稿日期20160108温室是利用温室效应原理，采用自动控制技术等现代工程技术和工业化生产方式为动植物提供可控的适宜的生长环境[1]。为了实现高效生产的的科学化，推动我国农业的发展，对温室中环境参数的科学管理极为重要。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用[2-3]。灵活高效的软件能帮助人们创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。农业自动化是在物联网的影响之下物联化体现，温室环境监测是温室自动化的基础，设计结合虚拟仪器这种图形化编程语言的温室环境监测系统具有非常重要的意义[4-5]。

随着移动终端及移动网络的发展，移动终端的数据通讯功能被越来越多的运用在实时监测方面，也有文献报导基于智能手机终端对温室监测系统进行开发和应用[6-7]。近年来微信的发展非常迅速，微信公众平台也为开发者提供了一个优异的平台及解决方案。基于微信公众平台开发温室监测系统，为温室管理者提供丰富的温室信息查询等服务。笔者基于虚拟仪器和对微信公众平台的开发，将物联网技术与微信公众平台相结合，设计了一套接入方便、交互友好的温室监测系统。

1系统设计

系统由多个传感器及安装有Lab VIEW的计算机组成。传感器采集温室内的信息，通过RS232传至Lab VIEW，各环节之间互不干扰。Lab VIEW将所采集到的信息进行存储显示及报警并与公众平台服务器连接，从而把所采集到的信息发送至移动终端。

1.1硬件部分设计该系统数采集中心主要由两部分组成：①传感器，包括温湿度传感器、烟雾传感器、二氧化碳传感器及光敏电阻传感器；②STM8S105C6微处理器，主要完成数据采集和对执行机构的控制工作。

1.1.1传感器。该系统采用已校准数字信号输出的温湿度复合传感器DHT11和MQ2烟雾传感器、二氧化碳传感器TGS4160及光敏传感器。它们均采用传感变送一体化设计，适用于一般室内温湿度、CO2浓度、光照强度、烟雾浓度的测量；配有RS232通信接口，采用标准的SWIM通信协议。各传感器性能指标见表1。

1.1.2STM8S中的AD转换。 STM8S系列ADC是一个逐次逼近模数转换器，模数转换器的分辨率为10 bit，最大转换值为1 024，最多包含16通道，配置左对齐或右对齐的寄存器为ADC_CR2。AD转换速度取决于ADC的时钟信号，时钟的预分频因子是由ADC_CR2寄存器的SPSEL[2∶0]决定的，ADC转换可由定时器1的TRGO事件或是外部引脚ADC_ETR的上升沿触发，也可通过设置ADON位来软件触发，用于选择触发源的寄存器为ADC_CR2。最大的转换速度为3.5 μs。ADC模块结构见图1。

1.1.2STM8S中的AD转换。 STM8S系列ADC是一个逐次逼近模数转换器，模数转换器的分辨率为10 bit，最大转换值为1 024，最多包含16通道，配置左对齐或右对齐的寄存器为ADC_CR2。AD转换速度取决于ADC的时钟信号，时钟的预分频因子是由ADC_CR2寄存器的SPSEL[2∶0]决定的，ADC转换可由定时器1的TRGO事件或是外部引脚ADC_ETR的上升沿触发，也可通过设置ADON位来软件触发，用于选择触发源的寄存器为ADC_CR2。最大的转换速度为3.5 μs。ADC模块结构见图1。

的參考电压设置在模拟电压范围内，最小为2.75 V，选择模拟通道寄存器ADC_CSR，关闭施密特触发器为ADC_TDRL（H），数据存储在2个8位的寄存器中，当读第一个数据寄存器时，第二个数据寄存器被锁存，阻止被下一次转换结果覆盖，并等待被读取，读取寄存器的顺序取决于数据的对齐模式，左对齐先高后低，右对齐先低后高，ALIGN位用来选择转换后的数据对齐方式。单次转换模式，ADC仅执行一次转换，连续转换模式，ADC循环的进行转换。

2Lab VIEW监测软件开发

由传感器采集到的室内环境的数据在STM8S105C6里进行了处理和转换，Lab VIEW的程序设计要完成的部分是将处理完成的数据在PC机上进行接收，并以波形和数值的形式显示出来，以及设定适宜的室内环境温湿度等的数值范围，与接收到的数据值进行比较，超出设定值报警灯进行报警，同时储存数据以及互联网通讯。程序框图设计见图2。

上位机软件采用Lab VIEW编写，程序由左至右依次是串口的初始化、数据在PC机上的存储、参数的采集及显示、参数的阈值的判定及报警部分，PC与STM8S105C6单片机串口通讯采用RS232通信协议，VISA串口初始化设置串口号为COM3、波特率设置为9 600、数据比特为8、停止位设置为10、奇偶位设置为0。大多数植物的生长适宜温度为12～33 ℃，温室内温度的测量范围为0～50 ℃，湿度的测量范围为0～100%RH，不同的植物最适宜生长的CO2浓度不同，大气的CO2浓度为300 μL/L，MQ2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的SnO2。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。根据这些数据在Lab VIEW上设置适宜的监测范围，超出这些范围进行报警。

前面板主要用来实现对数据的实时显示，从左到右依次是温度报警灯、温度计、停止按钮、湿度报警灯、湿度计、光照强度报警灯、CO2浓度报警灯、烟雾浓度报警灯、各个温室环境参数波形图以及VISA串口设置框、数据储存框、进行互联网通信设置框，如图3所示。

3微信公众平台的开发

微信是腾讯公司推出的一款为智能终端提供即时通讯服务的应用程序，它支持跨通信运营商、跨操作系统平台，通过网络快速发送包含文本、图片、语音等信息。通过对微信公众平台的开发，可实现移动终端对温室情况的实时查询和历史回溯等功能。具体实现路线见图 4。首先需把存有温室监测数据的服务器与微信公众平台服务器进行连接，公众平台开发要求开发者设置 URL 及 Token（用来验证）。URL 指向用于存储采集数据的服务器，公众平台服务器要求接入开发者计算机的端口必须为 80，非 80端口无法正常的接收和发送数据。该研究使用“花生壳”申请二级域名，由于温室内计算机大部分都是非公网 IP，需要对路由器进行端口映射设置，才能建立起用户服务器与公众平台服务器的连接[8]。公众平台服务器的连接请求通过 HTTP 的 GET 参数传输，会额外带上 signature、time stamp、nonce 3个参数，signature 是 对 time stamp、nonce 及 Token 进 行 SHA1 加密后的字符串，监测系统服务器收到公众平台服务器的请求后同样进行加密算法，得到 signature 后与公众平台服务器的signature 对比，从而排除恶意第三方的连接。该研究使用 PHP 进行开发，在用户微信客户端向温室监测系统服务器发送消息时，微信公众服务器会将消息以特定格式的XML 形式发给公众账号服务器，包含发送方的 ID、消息类型以及消息内容等。在温室监测系统服务器对 XML 进行解析后则可读取用户客户端所发出的请求，从本地MySQL数据库中读取相应数据以 XML 格式发回给公众平台服务器，在用户微信客户端则能接收到相应数据。温室环境监测记录见图5。

4结语

该研究通过对微信公众平台的开发，实现了利用智能手机终端对温室环境的监测，并用于温室环境监测的数据反馈，为温室管理人员提供了良好的接入及用户体验。相比于其他智能手机系统开发移动终端应用程序，该方法更加容易实现，设备使用及管理人员的操作也更为简单。微信作为一款成熟的软件，在跨平台、跨操作系统的移动终端的兼容性上都具有很大的优势。且用户完全可以根据自己对温室的环境需求增加传感器等模块和在Lab VIEW上调用不同的功能模块，改变设定的参数，完成对温室的个人需求设置。

但是通过微信公众平台进行开发也具有一定的局限性，公众账号所提供的接口受微信平台本身限制，在消息的主动推送上也受限制（订阅号每天 1 条，服务号每月 1 条），而且微信本身为了避免公众账号对微信用户的打扰，订阅号的推送消息不对用户进行提醒，用户只有在聊天界面打开订阅号时才能查看消息。这意味着在异常报警的实时性受到了一定程度的影响，用户要获取相关信息时必须首先向微信公众平台账号发送相应的命令。在实际应用中，不仅可以将微信公众平台与温室监测系统相结合，而且只要针对采集前端进行开发，就可以应用于温室其他的状态监测及管理上，具有广泛的应用前景。

参考文献

[1] 陶然，王树文，薛圆满，等.智能化的温室环境控制系统的研究[J].农机化研究，2015（2）：53-54.

[2] 李敏，孟臣.温室大棚计算机测控系统研制[J].计算机与农业，2013（6）：9-11.

[3] 王贵恩，洪添胜，王卫星，等.南方温室节水调温自动控制系统的研制[J].广西大学学报（自然科学版），2003，28（1）：57-60.

[4] 李永芳，朱荣新，姚肩仓.利用Data Socket技术实现网络化虚拟仪器[J].现代电子技术，2013（19）：50-51.

[5] 毛顿，郭庆平.Lab VIEW中用Data Socket技术实现网络化应用[J].现代电子技术，2014（3）：70-71.

[6] 刘金宁，孟晨，方晨，等.Data Socket技术及其网络化虚拟仪器[J].网络与总线，2003（3）：31-33.

[7] 王希华，赵伟.Data Socket技术及其在远程测控中应用[J].仪表技术，2001（5）：17-18.

[8] 颜全生.温室的自动控制设计及实现[J].电力系统及其自动化学报，2001，13（4）：65-69.44