基于云計算的智慧氣象農業生產監控系統的研發

武斐斐 劉云倫 鄭軼 劉春濤

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基于云計算的智慧氣象農業生產監控系統的研發

武斐斐 劉云倫 鄭軼 劉春濤

青島市嶗山區氣象局，山東 青島 266000

我國是個災害多發的國家，在頻繁發生的自然災害中，氣象災害約占70%，每年都給國民經濟帶來巨大損失。對設施農業影響較大的氣象災害主要包括暴雨、風災、雪害、陰雨寡照、低溫凍害等。為有效利用氣象資源，減小氣象災害對設施農業的影響，我們在青島市氣象局設施農業基地實驗開發了一套基于云計算的智慧氣象農業生產監控系統。智慧氣象觀測系統依托部署在農業生產現場的各種傳感節點實現小區域內多點連續測定土壤溫濕、空氣溫濕、二氧化碳、水質及含氧量等要素。通過智慧氣象云平臺實時監測和記錄與種植、養殖相關的大環境和小氣候因子，并以此為基礎建立其生長環境數據庫，研究和篩選最佳環境因子組合，實現農業生產環境的智能感知、智能預警、智能分析和智能決策。

云計算；氣象農業；生產監控系統

1 氣象在智慧農業生產監控中的應用

1.1 氣象與地理信息系統

氣象條件對農業生產活動都有很大的影響[1]。而我國幅員遼闊，不同地域的氣象條件又千差萬別。比如在對江南早稻育秧期有影響的春季低溫連陰雨，對晚稻抽穗楊花有影響的寒露風，北方冬麥區的小麥干熱風，對水稻、高粱、玉米和大豆等有影響的東北夏季低溫。對農作物收獲有影響的華南及江淮秋雨和干旱、雨澇、霜凍、高溫、冰雹、大風等災害性天氣。即使是在我們青島市這一相對較小的地域空間內，也存在南北地域、沿海與內陸、山地與平原的地理因素差距。這些地理因素的差異，同樣使得我們的氣候條件存在不同。因此，這些氣候狀況則需要我們從地理上加以區分。結合地理信息的數據，認識和掌握當地的天氣氣候規律，對農業生產預先進行分析、決策、指導，積極采取防御措施趨利避害，是非常重要的。

建立更加開放的氣象信息可視化平臺，地方的氣象部門由于人才、經費等投入不足，資料工作特別是歷史資料信息化和管理工作明顯滯后，諸多氣象資料尚為進行數字化和信息化，許多紙質檔案急需搶救和修復。采用圖形化的數據處理技術，結合GIS等圖形處理系統開發可視化的數據產品在氣候資料和氣象科技檔案領域基本處于空白。隨著國家對氣象科學的投入逐步加大，昔日的這些難題得以解決，大量的歷史數據入庫、歸檔、分類整理以后，所面臨的下一階段任務就是數據的可視化工程。雖然從氣象專業的角度來說，目前的業務系統已經能夠滿足日常工作的需要，但是考慮到我們所服務的對象是各層次各行業廣大的非氣象工作人員，因此如何來滿足大眾的氣象資料需求是非常重要的。

1.2 氣象行業應用及其關鍵技術

整個平臺完成一個分布式系統基礎架構，將此架構和農業氣象大數據進行結合。用戶可以在不了解分布式底層細節的情況下，開發分布式程序。充分利用集群的威力高速運算和存儲。實現了一個分布式文件系統，HDFS。HDFS有著高容錯性的特點，并且設計用來部署在普通的信息服務器上。而且它提供高傳輸率來訪問氣象設備中的應用程序的數據，實現超大農業氣象數據集的應用程序。

農業氣象版的CloudStack是一個開源的具有高可用性及擴展性的云計算平臺。在開源的基礎上，完成農業氣象信息云計算的二次開發。實現加速高伸縮性的公共和私有云（IaaS）的部署、管理、配置。

農業氣象信息云計算共享平臺和數據中心運營商可以快速、輕松地建立在其現有的基礎設施提供云服務的需求，彈性云計算服務。農業生產用戶（包括現場設備、下級數據中心、現場管理中心）可以充分利用云計算提供更高的效率，無限的規模和更快地部署新農業模型服務和系統的最終用戶。可以讓農業生產用戶快速和方便地在現有的架構上建立自己的農作物生產模型服務。可以幫助用戶更好地協調服務器、存儲、網絡資源，從而構建一個IaaS平臺。

2 平臺的設計

系統主要分為兩部分控制區域：

（1）系統導航區，仿照微軟的Windows XP操作系統，用戶通過按鍵完成整個系統的導航，保證系統的人機交互性，提供用戶的體驗滿意度[2]。

（2）GIS地圖展示、控制區，其中包括種植區域管理，從站數據管理，灌溉管道，泵站信息管理，電動閥信息管理幾部分。

種植區域信息采集、電磁閥采集、噴帶信息采集。在GIS平臺的左上角選擇采集模式，用戶就可以在GIS平臺上繪制自己的想要的灌區、噴灌帶等線性標示，也可以添加圖釘按鈕標注電動閥等坐標點信息。下圖是采集噴灌帶的操作，直接在地圖上繪制即可。同時還包括泵站信息管理、電動閥信息管理等。

數據統計分析，實時的將20路采集器的數據同步到服務器后臺，在系統上可以按照設備、時間進行檢索，顯示出一臺設備的具體的采集信息，包括光照、二氧化碳、空氣溫濕度、土壤溫濕度。以報表的是形式展示出來。

系統中為作物種植專家添加了系統設置權限，專家登錄后可以將自己的擅長的物種生長習性量化成各種數據指標后輸入到系統，其中包括：空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照、二氧化碳。系統會自動根據當前的農業氣象信息（同步當地的農業氣象局的數據庫信息）的情況，進行智能的控制，同時也可以進行人工控制的決策支持。系統通過圖表可以直觀的展示出專家系統的實際效果，綠色的橫線是專家設定的理想空氣溫度值，紅色的折線是實際采集空氣溫度的數據，當系統開啟自動控制時，實際采集的數據會圍繞設定值上下波動，波動的幅度會越來越小，最終接近理想值，但是由于種植現場的實際情況，有時會發生數據的波動，都會第一時間反映到圖表上。

以黃瓜為例，黃瓜的適宜生長的空氣溫度24℃，系統輸入后，選擇自動控制。系統會跟進設定數據進行設備的自動調控，當采集器的溫度超過24℃后，服務器給控制器發送指令，打開風機，降低溫度；當溫度低于24℃時關閉通風口，保證溫度上升。達到最適宜黃瓜生長的溫度。完成植物最佳的生長的卡爾文循環。

系統的核心是指實時地獲取地塊中每個小區土壤、農作物的信息，診斷作物的長勢和產量在空間上差異的原因，并按每一個小區做出決策，準確地在每一個小區上進行灌溉、施肥、噴藥，以達到最大限度的提高水、肥和殺蟲劑的利用效率，增加產量，減少環境污染的目的。

3 平臺的應用

目前，我們正在青島市設施農業試驗基地進行相關的課題研究，通過氣象資料的共享，平臺的建立，實現對實驗暖棚的智慧氣象農業生產監控，我們的基地管理者只需坐在辦公室，通過對氣象數據的分析，就可以實現對暖棚通風、增氧、灌溉等的智能控制，如果對相關農業生產有疑問，我們還可以在線請教相關氣象和農業專家，減少了基地人員的工作量，提高了生產效率。我們在今年基地暖棚的播種前期，向管理人員提供了設施農業蔬菜發育指標，對暖棚的播種提出了合理的規劃方案，以便后期對暖棚更好的實現智慧生產監控，提高農作物的產量。我們將實時監控作物的生長發育，通過智慧生產監控平臺，適時發布天氣專報，對實驗暖棚的作物有影響的天氣，如，大風、雷電、冰雹、暴雨、寒潮、暴雪等我們將提前發出預警，在線通知基地管理者，并給出防御指南，把損失降到最低。通過設施基地實驗，我們實現了氣象對農業生產的直通式服務，真正使氣象應用到農業生產，為農業生產服務。后期，我們將通過智慧農業生產監控平臺的進一步完善，結合我們的農業專家和氣象專家，對設施農業作物進行更深入的研究，通過平臺推廣我們的研究成果，降低生產和監控成本，提高農作物產量，給設施農業種植大戶提供更為合理和有效的農業和氣象服務，以便在青島本地特色效益農業和休閑觀光農業等方面實現對此平臺的推廣應用。

4 結論

對基于云計算的智慧農業氣象生產監控系統的研發和應用做了介紹，智慧氣象為農服務項目主要集合物聯網技術、3S技術及涉農專家智慧，結合青島市設施農業氣象服務的要求，以設立智慧氣象為農服務示范區，發展青島本地特色效益農業和休閑觀光農業的形式實施推廣，因此該系統的研發具有經濟效益和社會效益，其應用前景廣闊。

[1]劉曉曉.氣象監測數據的時空特征分析與建模研究[J].河南大學，2009（4）：104-107.

[2]李振英.氣候變化對我國農業生產的影響[J].農業技術與裝備，2014（21）：39-40.

武斐斐（1983-），女，漢族，山東青島人，本科學歷，助理工程師，青島市嶗山區氣象局。

TP3；TP391.48

A

1009-6434（2016）03-0067-02