氣象信息獲取裝備與物聯網智能服務平臺開發

李皓 西北農林科技大學機械與電子工程學院/楊凌乾泰電子科技有限責任公司 張海輝* 西北農林科技大學機械與電子工程學院

鄧一飛 西北農林科技大學機械與電子工程學院/楊凌乾泰電子科技有限責任公司

引言

我國的氣象災害具有種類多、分布廣、發生頻率高、損失差異大的特點，據統計干旱、臺風、洪澇、低溫等氣象災害每年會造成4000萬公頃農田受災，受災人口超過2億，經濟損失超過4000億元。2018年4月5日至7日，突發的一場低溫凍害使得西北地區蘋果減產嚴重，據調查延安市富縣、洛川縣、黃陵縣、寶塔區受凍面積711,333.3公頃，重災面積15,800公頃，預計經濟損失超過30億元，平均減產23%，其中洛川縣減產率達到了42%。氣象信息作為農業生產指導的第一手資料，氣象預報雖然直接為農事作業提供了參考，但是隨著現代農業不斷發展，種植領域專家知識不斷豐富，傳統的天氣預報信息獲取渠道已經嚴重不能滿足當前農業精細化管理的需求，如圖1所示。

圖1 農氣服務存在的困難

國家建立的大規模氣象獲取裝備、系統的監測范圍廣、數據全面、精度控制較高，但是存在信息壁壘，同時其建設成本高，普通農戶、農場很難納入其監測體系之中；民用氣象獲取設備、系統應用便捷、易于維護，但精度又難以達到國省氣象系統標定的標準要求，以此為數據源所能開展的服務范圍僅僅限制于較小的范圍，帶來的經濟效益和社會價值又難以體現。傳統的氣象為農服務系統雖然多且內容廣泛，但是數據源并不統一，而且國省并沒有建立起長效的同步機制，服務質量難以保障；隨著CIMISS系統的推出，有效解決了數據源問題，但是受限于其數據訪問權限集中在氣象局內網，其衍生出來的應用產品也多以專業的氣象產品為主，數據資源難以普惠廣大農戶，更未能與農業專家積累的生產知識相互結合。

因此，研究現有的氣象信息獲取技術并完善拓展用戶對氣象信息的獲取通道，研制一種小型農田氣象感知裝備，研究當前先進的氣象硬件資源與網格預報軟件系統，破除信息壁壘，針對不同作物不同生育期的氣象條件需求開發精準的主動個性化服務平臺，開展基于氣象信息的農業生產指導與災害預警服務試點應用，從而有效對接產業需求，將現代農業、智慧氣象與精準服務互相融合，有助于智慧氣象的推進，促進我國智慧農業朝著又快又好的方向發展。

1.農業小環境氣象信息獲取裝備設計與開發

結合氣象信息監測常用風速風向監測與農業生產實際需求，本文所設計開發的農業小環境氣象信息獲取裝備主要監測因子有以下9種：農業小環境溫度、農業小環境濕度、光照強度、二氧化碳、土壤溫度、土壤濕度、風速及風向、降雨量，同時為滿足室外環境需求，設備增加了自供電太陽能系統，實現設備的快速部署，提高實地應用的便利性，除各類所需監測類型與太陽能自供電系統外，設備融合GPRS技術對監測數據實現自動上傳，匯聚至物聯網智能服務平臺進行后續處理。設備總體設計如圖2所示，本文對各個監測模塊接口、核心處理模塊、數據上傳模塊、電源模塊等關鍵電路進行了設計開發，同時對小環境監測設備的外形進行了設計制作，完成了整套裝備的調試組裝，實現了農業小環境各類氣象因子的遠程實時監測。

圖2 設備總體設計

根據系統需求與實際農業生產需求，設備應具備小環境實時高精度監測，同時具備高適用性，方便不同監測環境的快速安裝調試。裝備的具體技術指標參數如下：

(1）裝備監測類型數量：9類；

(2）每類監測類型精度要求：≥0.5%；

(3）監測時間間隔：5min、10min、30min、1h可調；

(4）通訊方式：GPRS、串口；

(5）供電方式；太陽能自供電系統（帶蓄電池），兼備市電供電功能；

(6）工作時間：單電池供電 ＞7天；

(7）支持監測數據本地存儲功能；

(8）低功耗設計。

2 融合氣象信息的物聯網智能服務平臺開發

融合氣象信息的物聯網智能服務平臺在本文中起到了承上啟下的作用，平臺能夠獲取底層設備的基礎數據，同時為后續章節的個性化服務提供數據基礎支撐，其主要包含三個層次：基礎支撐、數據管理、應用服務。其框架結構如圖3所示：

基礎支撐：通過MUSIC接口獲取上報CIMISS系統的基本氣象站、區域氣象站數據及相關的預報、災情數據；根據數據收發協議，將本文設計的農業小環境氣象信息獲取裝備上報的環境信息數據拆包解析入庫。

數據管理：設計并開發數據庫，包括由MUSIC接口獲取的氣象信息庫和由數據解析后入庫的物聯網環境信息庫。

應用服務：設計開發前臺用戶交互界面，包括實時數據、歷史數據、統計分析、氣象月報統計等模塊。

圖3 智能服務平臺框架

3 基于氣象與農業小環境數據的智能預警與指導服務

基于氣象與農業小環境數據的智能預警與指導服務包含了智能氣象預警服務與智能生產指導服務，系統框架如圖4所示，基于氣象數據和農業小環境氣象信息獲取裝備采集的實時數據，系統智能與氣象等級定義模塊和基于生育期的作物栽培管理知識庫中的規則相匹配，依據基于用戶需求的主動推送服務處理流程，為用戶提供精準、個性化服務。其中氣象預警等級定義為暴雨、高溫、強降溫、大風等4類災害天氣提供了3-4個預警級別，由低到高依次為藍色、黃色、橙色、紅色[11-15]；氣象預警個性化定制中可由用戶選擇關注區域、關注類型、推送方式等個性化需求；基于生育期的作物栽培管理知識庫構建過程中，遵循“作物→生長階段→適宜條件、肥水藥知識”步驟，由專家賬戶完成各類作物的模型構建；生產指導個性化定制由用戶選擇關注的作物、匹配的采集站點、推送方式等個性化需求。通過設計基于氣象與農業小環境數據的智能預警與指導服務，在物聯網智能服務平臺的通用服務基礎上將農業領域專家知識與氣象資源相結合，滿足個性化服務需求，提供普惠性的農氣服務。

圖4 主動推送服務系統框架

4 結論

為滿足利用氣象實時數據、預報數據優勢資源，面向我國廣大農戶、農業生產園區的高效栽培、精準管理、個性服務需求，本文設計了農業小環境氣象信息獲取裝備，開發了融合氣象信息的物聯網智能服務平臺，構建了基于氣象與農業小環境數據的智能預警與指導服務。形成的結論有以下4點：

(1）通過CIMISS方式可以獲取已經覆蓋到各個村鎮的基本氣象站、區域氣象站的實時數據、預報數據，基于已有的氣象數據資源能夠提供廣泛的農氣服務。

(2）針對農業小區域設計的氣象信息獲取裝備可以部署于農業園區內部、園藝設施環境之中，能夠成為已有氣象系統站點的補充，滿足精準服務需求。

(3）開發融合氣象信息的物聯網智能服務平臺能夠將多個通道獲取的氣象數據提供公共數據服務，破除以往專用氣象系統的信息壁壘。

(4）構建基于氣象與農業小環境數據的智能預警與指導服務，基于氣象預警規則、農業領域專家知識，能夠滿足大型園區、中小規模農業生產者的個性化服務需求。