自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)功能與設(shè)計

劉東巖

（內(nèi)蒙古自治區(qū)準格爾旗氣象局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

在高科技迅猛發(fā)展的過程中，農(nóng)田也逐漸呈現(xiàn)出安全、高效和生態(tài)的發(fā)展趨勢，對農(nóng)業(yè)區(qū)氣象觀測工作的要求也越來越高，建立針對性和實時性強、服務(wù)水平高、內(nèi)容豐富的農(nóng)業(yè)氣象系統(tǒng)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然需求，因此，研究自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)功能與設(shè)計具有非常重要的意義。

一、自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)的總體設(shè)計

重點解決急需、成熟性、通用性、可靠性和模塊化組態(tài)設(shè)計是自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)在設(shè)計過程中遵循的基礎(chǔ)原則，構(gòu)建該系統(tǒng)的主要目的就是滿足農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)需求，彌補人工觀測在觀測作物及其他觀測項目中的不足。農(nóng)業(yè)氣象自動觀測原理樣機以采集器為核心,搭載各類型傳感器,并配備有市電、風能/太陽能一體化電力設(shè)備和監(jiān)控裝置,實現(xiàn)了野外24h不間斷連續(xù)供電。其觀測內(nèi)容包括田間小氣候的溫、濕、壓、風、降水等氣象要素以及作物發(fā)育期等物候信息、冠層遙測溫度、光合有效輻射、土壤溫度、濕度等農(nóng)田小氣候信息和地表水位、地下水位等環(huán)境信息。系統(tǒng)傳感器應(yīng)用了當前較為成熟的技術(shù)，可替代性較強，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的運行，并對觀測傳感器的功能進行進一步的優(yōu)化。本研究將水稻、小麥、棉花和玉米四類主要糧食和經(jīng)濟作物為主要觀測對象，從農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害、農(nóng)田小氣候、作物生長發(fā)育及土壤水分等觀測項目入手，探究自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)的功能與設(shè)計。軟件及硬件系統(tǒng)是構(gòu)成自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)的兩大部分，其中前者由信息處理與應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)自動采集與控制軟件兩部分構(gòu)成，土壤水分自動觀測傳感器、作物生長CCD 自動采集傳感器、電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器等其他系統(tǒng)共同構(gòu)成了硬件系統(tǒng)。在研究過程中，主要針對水稻、棉花、玉米及小麥四種置于不同生態(tài)區(qū)的作物，對人工觀測、自動觀測方式及自動識別算法、自動觀測方法進行對比，探究在不同氣候區(qū)中設(shè)備的適應(yīng)性。

二、自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

（一）農(nóng)作物及自然物候信息采集

農(nóng)作物及自然物候信息采集包括各類型數(shù)字、模擬信號傳感器、嵌入式CCD相機和音頻采集器, 主要用于農(nóng)田小氣候、自然物候和作物生育期信息的采集, 并按照不同時間頻率對氣象、環(huán)境和生態(tài)要素進行記錄。數(shù)碼圖像/音頻采集裝置通過預(yù)設(shè)模式自動完成多角度、多方位的圖像信息和不同時長的聲音信號采集,從而實現(xiàn)了對農(nóng)作物及自然物候的定時定點觀測。圖像采集器為一個嵌入式圖像處理裝置, 外殼采用野外視頻監(jiān)控用的9英寸球形外殼,內(nèi)含控制板、高速云臺及解碼板?？刂瓢宀捎们度胧絇C104 結(jié)構(gòu), 內(nèi)含圖片、音頻采集控制軟件, 安全性高,性能穩(wěn)定可靠, 帶60G存儲器。云臺控制板有10個預(yù)制位, 由程序自動控制轉(zhuǎn)動位置。云臺上搭載800萬像素高清晰CCD圖像傳感器和高速DSP處理器,并接入無線網(wǎng)橋的RJ45接口。整個采集器總重量約為2kg, 拍照及待機時功耗〈5W, 云臺在運轉(zhuǎn)時功耗約為15W。音頻采集器前端為一個野外全向高保真聲音傳感器, 用于采集物候音頻,后端為嵌入式系統(tǒng), 采用高速DSP處理器。由程序控制過濾背景雜音, 自動進行數(shù)據(jù)存儲, 通信接口類型為IP。圖像、音頻信息的采集控制程序基于.NET開發(fā),通過監(jiān)控中心服務(wù)器下發(fā)到采集終端。當服務(wù)器與采集器終端間的網(wǎng)絡(luò)連通時, 可由監(jiān)控中心進行遠程操作, 也可根據(jù)程序設(shè)定自動運行, 在不同預(yù)設(shè)位置上進行定時采集, 獲取多角度、高分辨率的數(shù)字圖像和不同時長的音頻信息。

（二）輔助設(shè)施

輔助設(shè)施包括動力供應(yīng)、電源變換、防雷和防盜設(shè)備。一是電力設(shè)備，作為觀測系統(tǒng)正常運行的基本保障, 電力供應(yīng)是不可忽視的問題。自動站以市電作為常規(guī)電力供應(yīng)系統(tǒng), 同時安裝風力及太陽能發(fā)電設(shè)備作為輔助, 以確保24h不間斷觀測。風力發(fā)電機啟動風速為3 m/s,太陽能電池板功率為60W, 通過直流控制器與12V/60 Ah蓄電池相連。平時, 蓄電池既可從風能/太陽能發(fā)電設(shè)備充電,也可通過市電充電。當市電中斷時,電源控制器自動切換,蓄電池成為觀測系統(tǒng)的備用電源。二是網(wǎng)絡(luò)傳輸?；谝巴庾鳂I(yè)的特殊情況, 監(jiān)控中心與野外站點間的通信采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。野外無線網(wǎng)橋（WIFI）結(jié)構(gòu)采用802.11A標準, 使用TCP/IP協(xié)議,可構(gòu)成一個小型局域網(wǎng)。WIFI工作在2.4 G頻段, 信號不易受干擾,能傳輸?shù)挠行捵畲竽苓_到11 M, 傳輸距離在可視范圍內(nèi),從幾百米到幾千米不等。三是安全監(jiān)控。為保障設(shè)備安全, 并隨時了解采集現(xiàn)場狀況,觀測場地周邊設(shè)置了紅外光柵防盜報警裝置和彩色數(shù)碼全天候監(jiān)控攝像機。該攝像機為480線彩色CCD攝像機,低照度（0.1 LUX）彩色轉(zhuǎn)黑白, 外帶30m紅外燈,可適應(yīng)夜間工作, 并通過無線網(wǎng)絡(luò)與遠程主控制室連接,進行實時監(jiān)控。

（三）自動農(nóng)業(yè)氣象觀測信息處理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計

對作物生長發(fā)育、生長勢頭等圖像進行實時性的顯示，并對土壤水分觀測資料與農(nóng)田小氣候觀測資料進行處理是自動農(nóng)業(yè)氣象觀測信息處理與應(yīng)用系統(tǒng)的兩大作用，還能夠?qū)ο到y(tǒng)中的各項觀測設(shè)備和儀器進行監(jiān)控，當出現(xiàn)異常情況時啟動報警功能，保證系統(tǒng)正常、穩(wěn)定的運行。在制定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策時，可以在系統(tǒng)中調(diào)取以往相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，對不同要素進行組合對比分析，統(tǒng)計農(nóng)業(yè)災(zāi)害信息。自動農(nóng)業(yè)氣象觀測信息處理與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計平臺建立在Oracle、SQL 數(shù)據(jù)庫技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以對各項觀測數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、存儲格式進行處理，從而顯示田間觀測圖像，完成農(nóng)業(yè)氣象觀測報表的制作，提供更多的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)。

結(jié)束語：自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)中自動檢測設(shè)備在觀測頻率、內(nèi)容的豐富性等方面明顯優(yōu)于常規(guī)人工觀測法，實現(xiàn)了定性觀測向定量觀測的轉(zhuǎn)化，在一定程度上還降低了觀測工作人員的工作量，不必進行大量的野外觀測工作，使得成本投入減少，提高了觀測數(shù)據(jù)的準確性，推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。