基于微信公众平台的农产品冷链配送测控系统

摘  要： 為解决传统农业环境监控系统成本高、效率低等问题，本文将微信公众平台与农业物联网技术相结合设计了基于微信公众平台的农产品冷链配送测控系统。该系统通过无线传感器网络实现农产品冷链配送环境信息的无线、实时、动态采集，并以新浪云服务器为媒介，通过移动4 G网络与微信服务器进行数据信息的实时交互，从而实现农业冷链配送环境信息的远程监测。测试结果表明：（1）通过微信公众平台使用户通过微信公众号实现了环境温度、湿度、气体浓度、光照度的监测，以及继电器的控制;（2）环境监测数据在30 s后便可传至用户微信公众号，传输虽有时延但不影响系统的正常使用;（3）系统通过采用休眠、唤醒等低功耗措施，使容量1500 mAh的锂电池系统至少可以使用半年以上。该系统具有功耗低、组网灵活、使用方便等的优点，能够较好的满足农产品冷链配送的应用需求。

关键词： 农业物联网;微信公众平台;无线传感器网络;新浪云服务器;环境监测

中图分类号： TP273    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.10.010

本文著录格式：王钧. 基于微信公众平台的农产品冷链配送测控系统[J]. 软件，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，随着物联网技术的不断发展，我国部分农业发达省份已经将物联网技术应用于农业领域，实现农业生产过程中环境温度、湿度、光照度等数据信息的采集，部分实现了农业的数字化，并取得一定的成效[1-3]。但与国外相比，我国的农业的自动化程度仍处于较落后的水平，农业物联网技术在农业领域的普及率仍很低，大部分地区农业环境数据的采集仍处于人工监测阶段，对农业环境数据掌握的很少，没能充分发挥其潜在价值，很大程度的制约和影响了我国现代化农业的发展进程[4-7]。同时，由于我国地域辽阔，农业生产地区经济、科技水平相对较为落后，通信网络覆盖差，很难实现农业环境信息的远距离传输。

邵斌[8]基于物联网技术设计了农田环境监测系统;张江南[9]等通过将大数据技术和农业物联网技术结合，设计了基于数据中心的农业物联网系统，提高了物联网采集数据管理分析的能力;朱建雷[10]将传感器采集到的数据通过智能网关上传到云平台，通过云平台可以实现数据的存储、分析。目前，物联网技术已经得到了快速的发展，但如何方便快捷的实现数据存储和管理仍存在许多的问题。

为此，本文通过4 G移动通信网络将无线传感器网络采集的农产品冷链配送车内的环境数据发送至微信公众平台，利用新浪云服务器，实现农产品冷链配送环境数据的存储管理，用户通过微信软件方便的实现数据的查询和设备的控制功能，从而实现冷链配送环境的远程监测，更好的实现了农业环境信息的共享。

1  系统总体设计

农产品冷链配送测控系统是对农产品冷链配送环境进行监测和相关设备控制的系统，核心部分是嵌入式网关，通过嵌入式网关与无线传感器网络的协调器节点进行连接，将监测到的数据通过新浪云服务器实时反馈到手机微信公众平台的公众号端，实现对冷链环境的整体监测和设备的控制，系统结构如图1所示。

2  硬件设计

基于微信公众平台的农产品冷链配送测控系统硬件设计内容包括：无线传感器网络终端节点和协调器节点设计以及嵌入式网关的设计。无线传感器网络终端节点通过SPI接口与各种传感器和继电器连接，实现环境信息的采集，并通过无线信号发送至协调器节点;嵌入式网关设计主要完成核心板的设计，以及通过I/O接口和无线传感器网络的协调器节点、4G模块、GPS模块、CMOS摄像头模块进行连接，从而实现嵌入式网关与无线传感器网络和移动4G网络进行数据通信。

2.1  传感器模块的设计

本设计根据农产品冷链配送测控系统的需要，選择的传感器主要包括温湿度传感器、光照度传感器、气体浓度传感器等[11]。其中，温湿度传感器采用SHT75数字型温湿度传感器，该传感器功耗较低，其中工作电流为550 μA，而待机时电流仅为0.3 μA，测量精度可以达到±0.3℃和小于等于1.8%[12]。光照度传感器选用HA2003，该传感器可以在DC5V的电压进行工作，待机电流为1 μA，测量误差为±5%，测量范围为0-20万Lux[13]。气体浓度传感器选用H550型气体浓度传感器，该传感器的工作电流15 mA，精度可达±30 ppm[14]。

2.2  无线传感器网络硬件设计

本设计无线传感器网络节点分为终端节点、协调器节点[15-16]。终端节点由CC2530模块、无线收发模块以及传感器模块组成。其中，传感器模块包括温湿度、光照度、气体浓度等传感器，终端节点通过SPI接口将传感器采集的环境数据发送至CC2530模块，CC2530模块再将采集的数据传送至无线收发模块，由该模块将环境数据以无线的方式发送至协调器节点。协调器节点由CC2530模块和无线收发模块组成，该节点主要负责组建整个无线传感器网络，并与各个终端节点进行通信。同时，协调器节点通过RS-485串口电路与嵌入式网关实现数据的收发，无线传感器网络节点硬件结构如图2所示。

2.3  嵌入式网关硬件设计

嵌入式网关作为整个农产品冷链配送测控系统的核心，要求其具有较强的数据处理能力和丰富的对外输入、输出接口。嵌入式网关由嵌入式微处理器、4 G移动通信模块、GPS模块、CMOS摄像头，电源模块，以及各种对外输入、输出接口等组成，嵌入式网关硬件结构如图3所示。

（1）嵌入式微处理器采用三星公司生产的Exynos 4412 ARM微处理器，该处理器拥有四枚主频达到1.6GHz的Cortex-A9通用处理核心，并且通过动态电压频率调整技术，降低了处理器的功耗。同时，该处理器还提供了丰富的外围I/O接口，非常适合作为本设计嵌入式网关的处理器。

（2）4G移动模块采用华为公司生产的ME909s-  821模块，该模块同时支持移动、电信、联通4G网络，下行速率最高可达150 Mbit/s，上行速率最高可达50 Mbit/s，完全能够满足农业环境信息的实时传送。

（3）GPS模块采用ATK 1218-BD可以实现GPS和北斗的双模定位，定位精度更高。

（4）CMOS摄像头模块采用RS-HD10BW-V03  模块可以实现600线高清低照度摄像。

（5）电源模块该模块可以为无线传感器网络的协调器节点以及嵌入式网关提供3.3、4.2和5.0 V的直流电源。

（6）此外，嵌入式网关还具有2个UART接口，3个USB接口，以及数据线和液晶显示屏接口等。

3  系统软件

3.1  无线传感器网络程序设计

无线传感器网络由调器节点负责完成整个无线网络传感器网络的建立，协调器节点首先对2.4 GHz的无线信道进行扫描，并将没有被占用的空闲信道作为本无线传感器网络通信的信道;同时，协调器节点还负责制定无线传感器网络的参数指标，并且为网络的各个终端节点分配网络地址，当终端节点获得网络地址后便成功加入该网络，可以与协调器节点进行通信;组网完成后，协调器节点等待各个终端节点定时向其发送终端节点所采集的车厢内环境数据。协调器节点在接受到监测数据后，通过RS-485串口将数据转发至与其相连的嵌入式网关，协调器节点程序流程图如4所示[17]。

无线传感器网络的终端节点会接收到协调器节点发送的创建无线传感器网络的信息，并根据需要申请加入该网络，当终端节点获得协调器发送的网络地址后便加入该网络。此时，终端节点可以定时以无线的通信方式向协调器节点发送采集的车厢内环境数据。

为了解决系统功耗的问题，无线传感器网络的软件设计采用了动态配置传感器环境数据的采样间隔以及终端节点休眠时间和唤醒机制，从而有效的降低了无线传感器网络的功耗。终端节点程序流程图如5所示。

3.2  嵌入式网关程序设计

嵌入式网关实现了无线传感器网络与移动4 G网络之间的数据传输，将无线传感器网络采集的冷链配送车厢内环境数据传入了互联网。通过嵌入式网关，让用户在通过微信软件远程访问无线传感器网络采集的各种车厢内环境数据的同时，也可以向无线传感器网络中的协调器节点发送控制命令，从而实现农产品冷链配送测控系统的远程控制与监测。

为了现实物联网系统的功能，嵌入式网关应用程序的开发主要分为人机交互界面开发、数据通信开发和网络开发三部分。嵌入式网关采用源代码开放的Linux操作系统，人机交互界面采用QT软件进行开发，无线传感器网络的协调器节点通过串口与嵌入式网关进行通信，采用TCP/IP协议实现网络开发，嵌入式网关应用程序架构如图6所示。

3.3  微信公众平台程序设计

该系统的开发、测试以及环境部署都在是微信公众平台上完成的，其中编程语言为php，数据库选择的是共享型MySQL数据库，服务器是采用新浪云服务器。通过网络传输模块实现农产品冷链配送车厢内的实时监测，通过微信公众平台可以为用户随时提供安全可靠的实时信息，同时，系统环境的配置可以在短时间内实现，且开发成本较低。农产品冷链配送测控系统在微信公众平台上正常启动后，用户可以通过进入公众号，点击测试号中菜单栏上的电器控制和数据监测按钮对相关设备进行远程控制和获取冷链配送车厢内的环境数据，微信公众平台程序设计流程图如图7所示，微信公众号界面如图8所示。

（1）新浪云服务器搭建

新浪云是新浪公司自主开发的服务器，并在2009年正式试运行，其第一个版本是基于PHP、JAVA、

Python等大型语言的网络应用程序托管型的平台，可以实现网络应用程序的托管服务。

本设计利用新浪云服务器建立起农业环境监测系统与微信公众平台间的连接，新浪云支持用戶的二次开发。在完成农产品冷链配送测控系统的软、硬件开发后，新浪云与农业环境监测系统间通过网络通信模块建立TCP通信，从而实现农产品冷链配送测控系统与新浪云服务器间的数据传输。

为了实现微信公众平台与新浪云服务器的关联，本设计通过php语言在新浪应用引擎上编写程序来检测接收的环境信息并将该信息进行转发。通过将微信公众平台的订阅号工作模式设置为开发者模式来实现用户公众号界面菜单的自定义设计，然后通过点击创建新应用按钮来添加用户自己需要的各种应用，新浪应用引擎允许每个用户最多创建10个免费的应用。在创建应用完成后，选择二级域名和应用名称，通过php语言在新浪应用引擎上编写应用程序，创建的应用即为服务器，同时为应用程序创建自己的数据库。

（2）数据库的创建

当用户发送控制信号到微信公众平台后，通过新浪应用引擎中建立的数据库可以将控制量的状态值保存下来，然后通过移动4G网络将该控制信号传输到远程的嵌入式网关中，通过嵌入式网关实现农产品冷链配送测控系统的控制。数据库中主要存储着各种传感器采集的环境数据信息和控制量的状态值。

目前，常见数据库主要分为两类，一类是关系型数据库（Oracle，DB2，MySQL，SQL Server），另外一类为非关系型数据库（NoSql、MongeDB）。不同数据库都有其各自的优缺点。由于MySQL数据库是免费的软件，可以大大降低开发项目的总体拥有成本，同时该数据库具有快速、健壮以及易用等优点。因此，本设计选用MySQL数据库。

4  系统测试

4.1  测试方案

基于微信公众平台的农产品冷链配送测控系统测试选择在冷链配送车内进行，测试在车厢内共布设3个环境数据采集节点和1个控制节点，其中环境数据采集节点用于采集车内的环境温度、湿度、气体浓度和光照度。控制节点通过继电器控制车厢内灯的亮灭测试，结果如图9所示。

4.2  测试结果

测试结果表明，无线传感器网络在10 s内完成网络建立，30s后用户通过微信公众号便可接收到车内的环境数据信息，信号由于受到日车体的影响，终端节点与协调器节点间的数据传输时出现了一定程度的丢包和时延，但对整个系统的正常使用影响不大，丢包时延结果如图10所示。系统在整个测试过程中可以将采集到的温度、湿度以及气体浓度信息发送到用户手机中，与此同时继电器设备也可以通

过微信软件实现远程控制。本设计对无线传感器网络的终端节点采用了休眠、唤醒等低功耗措施，使容量1500 mAh的锂电池至少可以正常使用半年以上。

5  结论

本设计以嵌入式网关为核心，通过微信公众平台实现冷链配送车内环境的实时监测和设备的远程控制，系统基于微信公众平台使用户可以通过微信公众号对农产品配送环境变化进行监测和利用继电器对相关设备进行控制。终端节点与协调器节点间的数据传输由于受到车体的影响出现了一定程度的丢包和时延，但对整个系统的正常使用影响不大，30 s后用户通过微信公众号便可接收到车内的环境数据信息。无线传感器网络的终端节点通过采用休眠、唤醒等低功耗措施，使容量1500 mAh的锂电池至少可以正常使用半年以上。

参考文献

[1]叶美松， 肖世德， 张志锋， 等. 基于ZigBee 技术的温室大棚系统的设计[J]. 自动化与仪表， 2017， 32（2）： 41-44.

[2]陈家佳， 肖丽. 智能家居中环境监测系统的研究与应用[J]. 世界电子元器件， 2011， 34（11）： 34-38.

[3]杨扬. 智能家居系统应用的研究[J]. 电子测试， 2016（14）： 108-109.

[4]张水保， 徐守志， 李丰杰. 智能温室远程监控系统设计[J].三峡大学学报（自然科学版）， 2012， 34（2）： 76-79.

[5]岳青， 张海辉， 卢博友. 基于WSN的温室环境监测节点设计[J]. 安徽农业科学， 2010， 38（30）： 17219-17221.

[6]王云鹤， 王忠宝. 无线传感器网络节点的设计方法与实现[J]. 时代农机， 2008（10）： 7-8.

[7]赵嘉伟， 吕俐衡， 沈洪吉， 等. zigbee 技术在农业温室大棚中的应用研究[J].科技风， 2017（15）： 217-218.

[8]邵斌. 基于物联网的农田环境监控系统设计方法[J]. 农机化研， 2020，42（02）： 194-198+204.

[9]张江南， 王海.基于数据中心的农业物联网系统的设计[J]. 计算机技术与发展， 2019（9）： 116-119.

[10]朱建雷.基于云平台的农业物联网技术研究[J]. 现代信息科技， 2019， 3（06）： 159-160.

[11]谢嘉， 王世明， 曹守启， 等. 基于Arduino的智能家居系统设计与实现[J]. 电子设计工程， 2018，26（2）： 88-93.

[12]Lian KY， Hsiao SJ， Sung WT. Intelligent multisensory control system based on innovative technology integration via ZigBee and Wi-Fi networks [J]. Journal of Network and Computer Applications， 2012， 36（2）： 756-767.

[13]笪月君. 基于以太网及串口的数据采集模块设计[J]. 工业控制计算机， 2013， 26（11）： 57-61.

[14]罗毅. 基于W5500的串口服務器设计及物联网应用[J]. 中小企业管理与科技， 2018， （03）： 155-157.

[15]袁本华， 董铮. 基于Arduino控制板的温室大棚测温系统设计[J]. 安徽农业科学， 2012， 40（8）： 26-29.

[16]于婷婷， 朱龙图， 闫荆， 等. 农田环境信息采集与远程监测系统[J]. 中国农机化学报， 2016， 37（6）： 220-225.

[17]余攀， 邹承俊， 张玲， 等. 基于无线传感网络的农田远程监测系统设计[J].中国农机化学报， 2016， 37（5）： 223-226.