灣店村蘑菇大棚小氣候觀測及氣象服務系統(tǒng)的建設

摘要為提高灣店村防災減災水平，研制了一套蘑菇大棚小氣候觀測及氣象服務系統(tǒng)。利用智能傳感器和信息網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)了蘑菇大棚小氣候觀測及氣象預警服務的自動化和智能化，并取得了良好的應用效果。對該系統(tǒng)的結構、工作原理和建設方案進行了闡述。

關鍵詞小氣候；氣象服務；智能傳感器；信息網(wǎng)絡

中圖分類號S126；P409文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）23-0214-04

Microclimate Observation and Construction of Meteorological Service System for Mushroom Greenhouse in Wandian Village

FAN Qi

（Henan Meteorology Detection and Data Center， Zhengzhou，Henan 450003）

AbstractIn order to improve disaster prevention and mitigation level in Wandian Village， we developed a set of microclimate observation and meteorological service system for mushroom greenhouses. By using smart sensors and information network technology， microclimate observation and weather warning service realized the automation and intelligence， and good application effect was achieved.The architecture，operational principle，construction schemes of this system were expounded.

Key wordsMicroclimate；Meteorological service；Smart sensors；Information network

作者簡介樊奇（1988—），男，河南開封人，助理工程師，碩士，從事氣象技術保障和研究工作。

收稿日期2017-06-09

灣店村位于河南省信陽市新縣西南部，地處江淮流域，雨量充沛，土質(zhì)肥沃。河南省氣象局扶貧工作隊根據(jù)灣店村的地理優(yōu)勢和氣候條件，引進了“四菇連種項目”，并取得了良好的經(jīng)濟效益。為賦予蘑菇生產(chǎn)氣象科技元素，有力扶持“四菇連種項目”的健康成長，同時增強灣店村氣象災害監(jiān)測及預警能力，提高防災減災水平[1-3]，筆者所在的河南省氣象探測數(shù)據(jù)中心研制了一套蘑菇大棚小氣候觀測及氣象服務系統(tǒng)，用于探索蘑菇科學生產(chǎn)條件，指導種植戶合理作業(yè)，并及時方便地向當?shù)卮迕裉峁庀箢A報、災害預警等信息。筆者對該系統(tǒng)的結構、工作原理和建設方案進行了闡述。

1系統(tǒng)結構

蘑菇大棚小氣候觀測及氣象服務系統(tǒng)主要由小氣候自動觀測系統(tǒng)、六要素氣象站、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、氣象監(jiān)測分析平臺、Web應用平臺、手機APP客戶端、LED顯示屏構成，其系統(tǒng)結構如圖1所示。其中，小氣候自動觀測系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)安裝在蘑菇大棚內(nèi)部，六要素氣象站安裝在大棚附近的開闊場地，LED顯示屏安裝在大棚外的道路旁，氣象監(jiān)測分析平臺和Web應用平臺部署在河南省氣象局信息中心服務器上，手機APP客戶端由種植戶根據(jù)需要自行下載安裝。

2工作原理

小氣候自動觀測系統(tǒng)、六要素氣象站、視頻監(jiān)控系統(tǒng)分別采集大棚內(nèi)小氣候數(shù)據(jù)、氣象環(huán)境數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)分別通過無線（如3G、4G等）或有線方式發(fā)送到河南省氣象局的氣象監(jiān)測分析平臺，經(jīng)氣象監(jiān)測分析平臺分析、處理后，將小氣候數(shù)據(jù)、氣象環(huán)境數(shù)據(jù)、天氣預報、氣象災害預警等信息制作成產(chǎn)品，發(fā)布到Web應用平臺、LED顯示屏及種植戶的手機APP客戶端。

3建設方案

3.1小氣候自動觀測系統(tǒng)

蘑菇的生長、管理、采摘都與氣象因子密切相關，適宜的氣象環(huán)境對于提高蘑菇產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要作用[4]。影響蘑菇生長的環(huán)境因子主要有空氣溫濕度、氧氣和CO2含量、基質(zhì)溫濕度、基質(zhì)酸堿度等，依據(jù)蘑菇種植對大棚環(huán)境因子的敏感度以及大棚內(nèi)的實際種植情況，該系統(tǒng)對大棚內(nèi)空氣溫濕度、基質(zhì)溫濕度進行梯度觀測。

小氣候自動觀測系統(tǒng)主要由空氣溫濕度傳感器、基質(zhì)溫濕度傳感器以及數(shù)據(jù)通信器組成。由于蘑菇大棚內(nèi)部為高溫、高濕環(huán)境，且考慮到種植管理過程中的安全問題，安裝在大棚內(nèi)部的傳感器等設備必須具備較高的防護等級，且不得使用強電電源。因此，該系統(tǒng)的空氣溫濕度傳感器、基質(zhì)溫濕度傳感器采用電池供電，并由可透過無線信號的密封殼體包覆，分別安裝在大棚內(nèi)支架和培育基質(zhì)中。大棚內(nèi)蘑菇種植共分為6層，觀測1、3、6層的空氣溫濕度和基質(zhì)溫濕度，無線傳感器的安裝位置如圖2所示。

數(shù)據(jù)通信器安裝在蘑菇大棚外，供電方式不受限制，既可使用內(nèi)部電池供電，也可采用外接電源。數(shù)據(jù)通信器和各傳感器之間通過ZigBee或WiFi無線網(wǎng)絡協(xié)議組網(wǎng)通訊。可接入的通訊節(jié)點數(shù)量不少于200個，局地通信距離不小于1 km，與中心站軟件可通過無線或有線方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

3.2視頻監(jiān)控系統(tǒng)

蘑菇生產(chǎn)不僅與環(huán)境因子有關，技術人員的生產(chǎn)操作對其同樣也有較大的影響。記錄技術員的日常操作，并結合大棚內(nèi)環(huán)境因子數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，對于建立蘑菇種植的標準化方式和提高大棚生產(chǎn)效益具有重要意義。該系統(tǒng)通過智能記錄技術員的生產(chǎn)操作，并定時向省中心站發(fā)送蘑菇生長狀態(tài)圖片，為蘑菇種植技術研究提供相關依據(jù)。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由攝像機、圖像采集器、WiFi定向發(fā)射/接收器、監(jiān)控主機等組成。其中，攝像機安裝在大棚內(nèi)中間位置通道的上方，拍攝方向正對蘑菇架的位置。WiFi定向發(fā)射器/接收器配套使用，分別安裝在大棚和監(jiān)控室外壁上。通過WiFi定向發(fā)射器/接收器，圖像采集器將拍攝到的視頻數(shù)據(jù)以無線通信的方式發(fā)送到監(jiān)控主機，監(jiān)控主機也可遙控攝像機的方向，使其找準最佳拍攝角度。

3.3六要素氣象站

暴雨是灣店村的主要氣象災害，發(fā)生頻率高、災害影響大。此外，由于灣店村境內(nèi)地貌形態(tài)多為山地，土壤多是黏結力差的風化麻骨石，暴雨很容易造成山體滑坡、泥石流，從而造成嚴重的洪澇災害[5-6]。為防御暴雨災害，減少災害損失，提高災害性天氣監(jiān)測水平和預報精度并及時發(fā)布預警信息是非常必要的。

通過在現(xiàn)場建設六要素氣象站，增加該區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)采集空間密度，可以提高當?shù)氐臑暮π蕴鞖獗O(jiān)測水平和預報精度，配合其附近設置的LED顯示屏以及手機APP等，保證預警、預報信息的及時發(fā)布，從而提高當?shù)胤罏臏p災水平。

該系統(tǒng)采用國務院氣象主管機構業(yè)務主管部門列裝的

六要素氣象站，觀測要素包括空氣溫濕度、風速、風向、雨量、大氣壓力。

3.4氣象監(jiān)測分析平臺

氣象監(jiān)測分析平臺是整個小氣候觀測及氣象服務系統(tǒng)的核心，主要包括數(shù)據(jù)采集和處理、數(shù)據(jù)庫管理、系統(tǒng)管理等功能。

（1）數(shù)據(jù)采集和處理。

①數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集包括實時數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)補測2個部分：一方面，利用氣象監(jiān)測分析平臺實時采集氣象數(shù)據(jù)；另一方面，氣象監(jiān)測分析平臺自動進行數(shù)據(jù)完整性檢查，可對最近缺失的數(shù)據(jù)進行自動補傳，或由人工操作進行數(shù)據(jù)補傳。

②數(shù)據(jù)解析。根據(jù)不同設備通信協(xié)議的特點，確定不同的檢查方法，檢查接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式。

③數(shù)據(jù)入庫。對原始數(shù)據(jù)進行標準化處理并寫入中間文件，對中間文件中標準格式的數(shù)據(jù)進行解析入庫處理。

（2）數(shù)據(jù)庫管理。

①基本信息維護：觀測站點信息的添加、刪除、更改、查找。

②報文數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)讀取、解析、數(shù)據(jù)入庫、報文備份等。

③其他功能：數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)庫備份與清除、入庫記錄查看、系統(tǒng)日志查看等。

（3）系統(tǒng)管理。

①參數(shù)管理：對系統(tǒng)的應用軟件參數(shù)以及硬件設備參數(shù)進行設置、修改及下發(fā)，包括站點信息、設備信息、設備工作參數(shù)、網(wǎng)絡通信參數(shù)、數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)等。

②同步時鐘：定時自動或人工手動與設備終端進行校時，確保系統(tǒng)內(nèi)時間的同步。

③系統(tǒng)監(jiān)控：記錄用戶的登錄和注銷狀態(tài)、操作種類、操作時間，形成用戶操作日志；記錄各個監(jiān)測設備的運行狀態(tài)（在線狀態(tài)及故障信息），形成系統(tǒng)日志。

3.5Web應用平臺

Web應用平臺是基于B/S架構而設計的集實時數(shù)據(jù)與狀態(tài)的監(jiān)測、數(shù)據(jù)查詢、分析和統(tǒng)計于一體的PC客戶端軟件，主要包括運行狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)應用、遠程監(jiān)控等功能，用戶通過訪問Web應用平臺的外網(wǎng)地址，登錄后即可使用。

（1）運行狀態(tài)監(jiān)控。

通過調(diào)用百度地圖API，系統(tǒng)可自動根據(jù)臺站參數(shù)配置進行定位，并根據(jù)臺站運行狀況進行顯示。當臺站運行正常時，臺站圖標顯示為藍色圖標；當臺站運行異常時，則顯示為紅色圖標等，如圖3所示。

（2）實時數(shù)據(jù)監(jiān)控。

在實時數(shù)據(jù)監(jiān)控頁面中，可查看蘑菇大棚內(nèi)的空氣溫濕度、基質(zhì)溫濕度的實時數(shù)據(jù)，并以曲線圖的方式顯示各要素的數(shù)據(jù)走勢，在左側的視頻監(jiān)控窗口中可查看實時監(jiān)控視頻，如圖4所示。

（3）歷史數(shù)據(jù)查詢。

用戶可根據(jù)實際需要，按照臺站編號、觀測要素和觀測時間查詢歷史數(shù)據(jù)，并將查詢結果以表格視圖或曲線視圖的形式進行顯示，如圖5所示。

（4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

系統(tǒng)能夠?qū)諝鉁囟取⒖諝鉂穸取⒒|(zhì)溫濕度等觀測數(shù)據(jù)按照日最高值、日平均值以及日最低值進行統(tǒng)計分析，用戶可根據(jù)實際需要，自定義臺站編號、觀測要素或觀測時間等查詢條件，篩選統(tǒng)計結果，如圖6所示。

3.6手機APP客戶端

氣象監(jiān)測分析應用客戶端APP，是基于Android系統(tǒng)開發(fā)的移動應用客戶端，用戶登錄后可實時遠程查看大棚內(nèi)空氣溫濕度和基質(zhì)溫濕度數(shù)據(jù)、六要素氣象站數(shù)據(jù)以及視頻監(jiān)控，并具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、信息推送等功能，如圖7所示。

4小結及展望

筆者在深入了解蘑菇生長環(huán)境的基礎上，結合灣店村的實際情況，成功研制了一套蘑菇大棚小氣候觀測及氣象服務系統(tǒng)，對于探索蘑菇科學生產(chǎn)條件、增強當?shù)胤罏臏p災能力具有重要意義。

目前，該系統(tǒng)已建成并投入使用，可對蘑菇大棚內(nèi)空氣溫濕度、基質(zhì)溫濕度、技術員日常操作、周邊氣象環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，基本實現(xiàn)了蘑菇大棚小氣候觀測及氣象服務平臺的統(tǒng)一化、智能化。由于該系統(tǒng)尚不具備大棚內(nèi)小氣候調(diào)節(jié)功能，因此研制配套的小氣候智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，結合大棚內(nèi)環(huán)境因子數(shù)據(jù)，實現(xiàn)大棚內(nèi)小氣候智能調(diào)節(jié)，將是今后研究的方向。

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