自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

趙雪明 詹克磊 鞏力源

摘 要：率先實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化需要科技的支撐，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，關(guān)鍵是農(nóng)業(yè)科技現(xiàn)代化。農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害直接影響國家糧食安全，對此本文設(shè)計了自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)，可監(jiān)測農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食豐收具有重要意義。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)氣象;自動觀測;設(shè)計

中圖分類號：S16 ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200930037

1 概述

2015年，習(xí)近平總書記對吉林省提出“率先實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、爭當(dāng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)排頭兵”的殷切希望。5a來，吉林省在率先實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的道路上取得了重大突破，2019年全省糧食產(chǎn)量達到387.8億kg，凈增量居全國首位。習(xí)近平總書記2020年7月在吉林省調(diào)研時強調(diào)，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，關(guān)鍵是農(nóng)業(yè)科技現(xiàn)代化，要加強農(nóng)業(yè)與科技融合，加強農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，科研人員要把論文寫在大地上，用最好的技術(shù)種出最好的糧食。氣象工作對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起著非常重要的作用，氣象為農(nóng)服務(wù)工作成為各級氣象部門的基本業(yè)務(wù)工作，常規(guī)的氣象要素觀測從人工觀測向自動觀測發(fā)展。但農(nóng)業(yè)氣象綜合觀測業(yè)務(wù)發(fā)展較慢，并沒有實現(xiàn)全面的自動觀測，農(nóng)業(yè)氣象觀測是對自然狀態(tài)下農(nóng)田區(qū)域的氣象要素進行觀測，但當(dāng)前的觀測手段在時效、內(nèi)容等方面均無法滿足氣象為農(nóng)服務(wù)工作及農(nóng)業(yè)氣象科學(xué)研究的需求，因此需要設(shè)計開發(fā)功能齊全、性能先進的自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)使用模塊化結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集器配備各類型傳感器不僅可以全天候不間斷地采集多路空氣溫度、濕度、土壤溫度、土壤水分、氣壓、降水、光照、CO2等氣象要素，還可以進行作物長勢觀測、作物生長環(huán)境監(jiān)測及設(shè)備運行環(huán)境監(jiān)測，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸、存儲、處理及應(yīng)用。系統(tǒng)按照《農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站功能規(guī)格需求書》及《作物氣象自動觀測站功能規(guī)格需求書》的要求采用模塊化設(shè)計，由主采集器、土壤分采集器、溫濕分采集器、輻射分采集器以及氣象要素傳感器、圖像傳感器、冠層高度傳感器、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等組成。主采集器和各分采集器之間采用主從結(jié)構(gòu)，利用CAN總線技術(shù)實現(xiàn)通信。主采集器是整個農(nóng)田區(qū)域自動觀測系統(tǒng)的核心，硬件部分主要由高穩(wěn)定性電源、嵌入式處理器、大容量數(shù)據(jù)存儲器、高精度時鐘電路、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換電路以及多路數(shù)字及模擬傳感器接口、通信接口、指示燈電路等多種電路模塊構(gòu)成。其主要功能是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸及整個采集器系統(tǒng)的管理。主采集器掛接各分采集器和智能氣象傳感器。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

主采集器在總線結(jié)構(gòu)中既具備系統(tǒng)中心處理機的功能，又起到1個分采集器的作用。主采集器通過無線（4G/5G）方式將數(shù)據(jù)傳送給遠程數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。分采集器接受主采集器的管理，對自身所掛接的傳感器進行數(shù)據(jù)采集和處理，并實時地把測量數(shù)據(jù)發(fā)送到主采集器。

3 硬件設(shè)計

農(nóng)業(yè)氣象自動觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)主采集器硬件核心使用嵌入式處理器，嵌入式處理具有以下特點：體積小、低功耗、低成本、高性能;內(nèi)存容量大，數(shù)據(jù)處理效率高，可以完成多種任務(wù)，ARM處理器主頻高，高速的運算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用;程序存儲空間大，根據(jù)測量要素和采集系統(tǒng)的不同，軟件可以隨時進行開發(fā)設(shè)計;ARM處理器本身提供多種功能，方便使用。

嵌入式處理器在性能、功耗以及功能上都能滿足農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)自動觀測的需求。主采集器掛接3個分采集器以及其它要素傳感器，具有多功能、多要素的特點。

3.1 土壤分采集器

土壤分采集器掛接7支土壤溫度傳感器和8支土壤水分傳感器，可以采集地表、5cm、10cm、15cm、20cm、30cm、40cm等深度的土壤溫度，以及0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm、50～60cm、70～80cm、90～100cm等層級的土壤濕度。可以采集土壤溫度、土壤體積含水量、土壤重量含水率、土壤相對濕度等農(nóng)業(yè)氣象要素。土壤溫度傳感器使用鉑電阻傳感器，利用鉑電阻隨溫度的變化電阻阻值呈線性變化的特點來測量溫度;土壤水分傳感器采用FDR（頻域反射）原理進行觀測，利用電磁脈沖的原理，根據(jù)電磁波在土壤中的傳播頻率來測量土壤的介電常數(shù)，從而得到土壤含水率。土壤溫度及土壤水分的觀測數(shù)據(jù)對于春播生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)病蟲害防治意義重大。

3.2 溫濕度分采集器

溫濕度分采集器掛接4支溫濕度傳感器，可測量距地面30cm、40cm、80cm、150cm等高度的空氣溫度和相對濕度等要素。多層次的立體測量可以在不同植株高度的作物中進行應(yīng)用?？諝鉁囟葌鞲衅骱屯寥罍囟葌鞲衅饕彩褂勉K電阻傳感器，但是測量范圍及精度有所不同;空氣相對濕度傳感器使用濕敏電容，當(dāng)空氣中的水汽進入濕敏電容的介電層，介電系數(shù)會發(fā)生變化，進而導(dǎo)致電容器電容量發(fā)生變化，電容量的變化和相對濕度成正比。

3.3 輻射分采集器

輻射分采集器掛接總輻射傳感器、光合有效輻射傳感器和日照傳感器，可以測量日照情況，以及掌握作物光合作用情況。總輻射傳感器的工作原理基于熱電效應(yīng)，利用熱電堆和冷面產(chǎn)生的電動勢差來測量輻射量，測量光譜范圍為0.28～3.0μm的太陽總輻射量;光合有效輻射傳感器主要測量400～700nm波長范圍內(nèi)自然光的輻射量;日照傳感器可測量太陽直接輻射和日照時數(shù)。

3.4 各氣象要素傳感器

氣壓傳感器使用硅電容式絕對壓力傳感器，可以測量大氣壓力。風(fēng)傳感器使用EL15系列風(fēng)傳感器，可以測量風(fēng)向和風(fēng)速數(shù)據(jù)，風(fēng)向觀測利用一個低慣性的風(fēng)向標(biāo)部件作為感應(yīng)元件，利用格雷碼盤進行光電掃描輸出信號;風(fēng)速碼盤輸出頻率信號。雨量傳感器使用翻斗式雨量傳感器，可以采集降水?dāng)?shù)據(jù)。CO2傳感器可以監(jiān)測CO2濃度，研究作物生長期間CO2濃度變化情況。

3.5 圖像傳感器

圖像傳感器是對農(nóng)作物生長狀況觀測的關(guān)鍵組成部分，是進行農(nóng)作物生長狀況自動觀測的基礎(chǔ)，負責(zé)農(nóng)作物圖像的采集，可以對作物發(fā)育期、株高、密度、覆蓋度/葉面積、苗情分類、干旱、洪澇、倒伏、病蟲害等信息進行監(jiān)測。吉林省主要農(nóng)作物玉米的觀測，可識別發(fā)育期為出苗、3葉期、7葉期、拔節(jié)期、抽雄期、乳熟期、成熟期等;水稻的觀測識別發(fā)育期為移栽期、返青期、分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、乳熟期、成熟期等。采集到圖像后，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心站進行智能圖像識別。圖像傳感器一般由光學(xué)鏡頭、CCD或者CMOS感光元件、圖像處理器、控制電路、通信模塊等組成。

3.6 供電及通信系統(tǒng)

供電系統(tǒng)使用太陽能電池和蓄電池結(jié)合的方法，使用直流12V供電。通信方式使用無線（4G/5G）通信方式將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理計算機或者中心站數(shù)據(jù)服務(wù)器，進行數(shù)據(jù)存儲及后續(xù)的應(yīng)用。

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括嵌入式處理器軟件（ARM編程）和綜合數(shù)據(jù)處理軟件。嵌入式處理器軟件在主采集器中運行，包括對各分采集器以及智能傳感器的管理、數(shù)據(jù)的采集以及傳輸?shù)裙δ埽浖鞒倘鐖D2所示。主采集器通電后，程序初始化，然后檢測各傳感器和分采集器狀態(tài)，進行各通道數(shù)據(jù)采集并存儲到主采集器的CF卡上，再通過無線數(shù)據(jù)通信控制器將數(shù)據(jù)傳輸至終端計算機或數(shù)據(jù)中心站服務(wù)器。

綜合數(shù)據(jù)處理軟件在計算機上運行，包括數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)處理等功能。終端計算機軟件流程如圖3所示。終端計算機接收到主采集器上傳的數(shù)據(jù)后，進行數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等，之后將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，進行后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)及應(yīng)用。

5 自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)的應(yīng)用

自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)發(fā)展需求，在測量性能、數(shù)據(jù)質(zhì)量、要素擴充性、可靠性、可維護性等方面有長足進步。與常規(guī)的人工觀測相比，自動觀測在觀測頻次、觀測要素上更加優(yōu)越，自動觀測更具有客觀性、可以充分滿足農(nóng)業(yè)氣象觀測業(yè)務(wù)的新標(biāo)準(zhǔn)、新需求。通過建立實時大氣—土壤—作物長勢及環(huán)境一體化的觀測系統(tǒng)，對于及時掌握作物生長環(huán)境、開展農(nóng)事活動和現(xiàn)代化農(nóng)田管理、科學(xué)評估氣象因子對作物的影響、監(jiān)測評估農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害、制作作物產(chǎn)量預(yù)報具有重要應(yīng)用價值。

自動農(nóng)業(yè)氣象觀測系統(tǒng)既可以安裝在大面積的農(nóng)田中，也可以安裝在農(nóng)業(yè)科學(xué)實驗田中。能夠改善目前我國農(nóng)業(yè)氣象觀測較為落后的局面，增加農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)領(lǐng)域，提高農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)能力，為農(nóng)業(yè)科學(xué)研究和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收提供科學(xué)的氣象觀測數(shù)據(jù)，進一步提高農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測、農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害防御、農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃、農(nóng)作物產(chǎn)量預(yù)報等氣象服務(wù)能力。

參考文獻

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（責(zé)任編輯 ?賈燦）