最新现代农业监测系统中气象监测系统的设计与开发

现代农业监测系统中气象监测系统的设计与开发

摘要

根据现代农业气象服务的需要，针对设施农业专业气象服务业务需求开发了一套基于GPRS无线网络的小气候观测系统。通过在山东、天津等地的实际测试．硬件系统运行稳定，可广泛应用于设施农业小气候观测中。

关键词GPRS；观测；温室；小气候；现代农业监测系统

前言：

设施农业生产作为一种新兴产业，它的发展已充分显示出了不可估量的经济效益和社会效益，成为现代农业的重要组成部分。近年来，我国日光温室面积呈现快速增长的态势，已成为三北地区尤其是华北地区越冬蔬菜种植的主要设施类型。但温室内部环境的变化主要受到外界天气变化的影响，尤其是低温寡照、强降温、大风、暴雪等灾害性天气，所以，对设施农业进行气象条件监测和灾害性天气预报预警，对温室的安全高效生产十分重要”“J。针对设施农业的专业化气象服务目前还在摸索当中E5-91，真正进入业务化的还很少。进行预报预警服务的前提是对日光温室内的小气候进行长时间稳定的观测。目前全国各地气象系统均在野外布置了若干自动气象站¨…，而适用于野外的自动气象站在温室内部这种高温高湿的环境中，工作的稳定性与可靠性很难得到保证”“。因此，需要开发服务于设施农业小气候观测的气象观测设备。NL-5型农林小气候信息采集系统是浙江托普仪器研制的农业气象观测设备，能够对农业大棚内的温度、湿度、二氧化碳浓度、总辐射、光合有效辐射等要素进行观测，观测结果可以以无线方式传输。也可以存储在SD卡中。通过读卡器调出数据。随机配备的供电系统能够在无市电的地点提供7 d以上的工作电能．并配备太阳能电池板，保证数据的可靠性。整个系统还可选配LED大屏幕显示系统，能够实时显示测最结果。

随着农业科技的发展，以及国家对三农的的高度重视，特别是国家2012农业国家一号文件颁发后。国家科技园、各大农业园区、农场等农业机构企业积极寻求在良种培育、节本降耗、节水灌溉、农机装备、新型肥药、疫病防控、加工贮运、循环农业、海洋农业、农村民生等方面的高新技术，力求突破现存的农业技术瓶颈，真正实现现代化农业。

浙江托普仪器有限公司和浙江大学合作积极响应科技兴农政策突出农业科

技创新重点，研发出农业物联网智能控制系统通过通过射频识别（rfid）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备等新型技术将农业和互联网连接起来提大大提高了农业生产的工作效率和精细管理，避免了“瘦肉精”、“毒辣椒粉”、“红心鸭蛋”等问题的再次发生，保证了食品的安全和产量。目前此物联系统已在全国多家科技园、示范园区、农场、科研所、院校等区域成功运行，技术稳定成熟，功能齐全。为在农业种植业、畜牧养殖业等领域的生产关键环节建立智能化控制、信息化管理的现代农业项目提供了强有力的技术支持。物联网的实施将大大提高国家推进科技创新增强农产品的步伐。农业物联网将开启农业生产腾飞的新篇章。托普农业物联网核心产品均属于自有品牌，自主研发生产。

托普农业物联网系统主要包括三个层次：

感知层：采用各种传感器（如温湿度、光照、CO2、风向、风速、雨量、土壤温湿度等）获取植物的各类信息。

传输层：信息通过无线网络传输系统和信息路由设备传到控制中心，各个节点可以自由配对、任意监控、互不干扰。

应用层：根据WSN获取植物实时生长环境。图温湿度、光照参数等，收集各个节点的数据，进行存储和管理实现整个测试点的信息动态显示，并根据各类信息进行自动灌溉、施肥、喷药、降温补光等控制、对异常信息进行自动报警。加装摄像头可以对每个大棚和整个园区进行实时监控。

1设施农业气象监测系统的总体功能与设计

现代农业监测系统中设施农业气象监测服务系统主要包括传感器阵列、采集器、数据传输模块、中央数据处理单元与服务产品分发等部分。整体的系统流程图如图1所示。通过灵活配置传感器组成传感器阵列．对日光温室内部的小气候进行精细化观测。采用了通用型数据采集器配合GPRS通信模块进行数据传输。该采集器硬件采用模块化设计。可以根据用户的需求进行配置，从而可以很好地满足

用户的监测要素配置要求。通过市电与太阳能供电的双路耦合．更符合农村地区供电不稳定的实际情况。选备件中包括LED显示屏。将采集器采集到的数据在现场显示，有效地提高气象数据的可视化效果。数据通过GPRS无线传输后，在数据中心服务器通过编程实现现场数据的入库工作，可以实现多点实时观测，并将观测结果在数据中心或其内部网络上进行杳询与显示。自动气象站的加密观测资料通过前期的经纬度配准有选择地同步至数据中心服务器，实现温室内部数据与外部数据的互补。数据处理单元可读取数据库中温室内部外部的观测资料，结合气象台常规预报结论，依据温室小气候预报模式作出设施农业专业气象预报服务，并通过web服务器、webgis、led显示屏、手机短消息、110teS服务器等服务渠道对外发布。

2硬件设计

现代农业监测系统从硬件角度考虑。整个设施农业专业气象服务系统的现场观测终端主要包括采集器、传感器、数据发送模块与电源模块。其中采集器采用通用型数据采集器，可以采集6路模拟信号和8路数字信号，或者采集12路模

拟信号。每路模拟测鼍通道都具有3种工作方式：测量1个电阻或者同时测量3个单端电压和1个电流或者1个单端电压1个差分电压及1个电流。可以采集各种模拟信号．可以根据用户需要外接辐射、湿度、气压等多种模拟量输出的气象要素传感器。采集器配有专用调试串口，可以通过此串口对采集器进行参数配置及读取相关数据。操作时，可以用PC机通过一条串口线接入调试串口，在PC 机上通过串口调试助手软件向采集器发送数据，通过串口向通用型采集器传递常用命令，如：GETMINDATA!返回当前分钟数据；GETHOURDATA!返回当前小时数据等。

现代农业监测系统无线数据传输通过GPRS模块实现，该模块通过RS-232串行数据接口进行通信，设备提供2个RS-232串行数据接口，各个串口采用标准串口线序，提供2种连接，包括日常工作连接方式(通过串口线与采集器连接用于日常发送数据)

与Pc机或笔记本连接方式(用于对GPRS模块进行设置)。GPRS模块工作参数的配置：COMM00用于设置GPRS相关参数，表l是出厂时的参数值，共包括4个参数项，每个参数项位数不足时，前补空格。

现代农业监测系统传感器是整个现场终端的探测单元，其中温度传感器采用天津气象仪器厂生产的DWHC2型温湿传感器，DWHC2探头配备新型HygroClipo 传感器，具有100％可互换性、高湿环境下精度高、良好的长期稳定性。地温传感器的测温元件是铂电阻(Ptloo)，铂电阻通常制成薄膜状，外涂防潮、防腐蚀的保护层，气象用铂电阻还有镀铬的金属防辐射层。考虑到金属电阻接入测量电路时，电流会产生热效应，测量电流和引线电阻应尽量小。一般，元件电阻约为几十欧姆，而测量电流常取几毫安至几十毫安。需要进行高精度测量时，一般采用四线制接法，以消除引线电阻的影响。这个Ptl00电阻温度计随环境温度改变，电阻值随之变化。传统的CO：传感器对于像CO：这样的不可燃气体的测量比较困难，化学传感器很难胜任这项工作，使用寿命也很短。其他的各种间接测量方法，由于它们通常不仅仅对一种气体组成度敏感。所以其精度很低且漂移量较大。光学气体检测是把被测气体吸入一个测量室，测量室的一端安装有光源而另一端装有滤光镜和探测器。滤光镜的作用是只容许某一特定波长的光线通过，探测器则测量通过测量室的光通量，探测器所接收到的光通量取决于环境中被测气体的浓度。采用红外二氧化碳传感器；主要技术指标如下：量程0—5 000 cm3／m3，检测分辨率-4-10 cm3／m3，测量精度±5％。总辐射传感器采用TBQ-2型总辐射传感器。该总辐射传感器主要用来测量波长为280～3 000 rim太阳总辐射。该传感器有双层石英玻璃罩、感应元件、遮光板、表体干燥剂筒等部件组成。可广泛应用于太阳能利用、气象、农业、建筑材料老化及大气污染等部门做太阳辐射能量的测量。光合有效辐射传感器采用RY—GH型光合有效辐射表，能够测量400—700 nm波长范围内自然光的光合有效辐射。该表采用硅光探测器，并通过一个400～700 Hill的光学滤光器，当有光照时产生一个与入射辐射强度成正比的电压信号，并且其灵敏度与入射光的直射角度的余弦成正比。设施农业专业气象服务系统的现场终端整体图如图2所示。

数据中心端的硬件主要包括数据中心服务器，数据处理终端与各个服务终端。数据库均采用SQLserver 2000sp4，通过socks编程实现移动互联网到数据库的数据传输。通过前期对观测站点的GPS定位，获得各温室观测站点的经纬度信息。从现有的自动气象站中挑选与其最接近的站点组成观测组，将选定的自动气象站数据通过配置SQLSER、[·ER数据库同步的方式将数据实时导入中心数据库服务器。

3软件设计

数据接收软件是基于VB开发的socks程序，主界面可以显示GPRS方式通信的子站的信息，子站上传的信息，以及对子站的操作，可以明显地显示上线台站的信息。

主界面最上方为菜单和工具栏，显示框显示通过GPRS方式与中心站连通的子站的信息：首先将管辖的自动站信息设置后，就会出现显示框内的提示，一般没有连接的时候，连接状态为红色的小球，连接成功状态就会显示为绿色的小球，点击台站可以显示出各个台站上各时次的数据。通过简单设置中心站参数(主要包括台站号与端口号)接收软件即可正常工作，接收软件主界面如图3所示。

中心站软件能否运转，关键要把它的参数设置好，才能正常地运转工作(图

4)。中心站IP不需要设定，是系统自动获取到的。中心端口号推荐使用5002，如果要更换，需要终端部分也要进行重新设置端口号，不然GPRS通信不会成功。所有的设置将关系到通信的成功与否，辅助通信方式是指在主要通信方式连接失败时启用，当终端向中心站发送报警数据时，主要通讯方式和辅助通信方式同时启用。“应用”按钮将设置的参数进行保存，但不退出该界面，如果要保存退出点击“确定”按钮就可以。端口设置必须正确，波特率使用“9600”，校验位(“None”)，数据位(“8”)，停止位(“l”)，选择成功后点击“确定”按钮即可，如放弃设置点击“取消”。

台站参数设置既可以查询台站信息，也可以添加或更新台站信息。如果要添加或更新台站信息，打开锁，保存修改按钮被激活，输入信息后，点击保存修改按钮即可(图5)。每次保存只是当前显示的台站信息。如果要查询请在查询参数号中输入参数号，然后点击“查询”按钮。所有的信息将会出现。

在中心站可以对终端采集器进行远程设置(图6)，主要是可以更改台站号、时钟对时与传输间隔等。终端采集器在出厂的时候均设置为“N0001”，所以为了避免在现场更改麻烦，就按照“N000l”台站号与中心站连接，等待连接成功后在此界面下更改台站号，终端台站号更改后，还要在该软件的台站信息中将原来的台站号进行相应的更改。读取参数就是可以读取现在台站的相廊信息。

该系统能将整点数据形成规定的相应报文，可以通过FrP方式传输到更高一级单位，但是传输前要做好设置工作。主要是选择上传文件所在文件夹，上传文件的文件夹位置是通过路径设置进行初始设置(图7)；另外就是服务器端开通用户及密码；还有就是服务器的数据存储路径。

4结论

稳定的观测系统是实现温室精细化小气候预报的基础，该系统从2009年研制成功以来，在天津、山东两地共安装10余套，经过长期工作检验，系统运行稳定，基本能满足业务的需要。在长期连续观测数据的基础上，利用开发的业务服务系统结合预报模式，可以预测温室内未来几日气温等环境因子的变化，将此结果与作物生长指标及灾害阈值进行对比分析，判断是否构成影响日光温室正常生产的气象灾害。若构成灾害，则启动日光温室气象灾害预警服务流程，没有构成灾害的，则以气象监测和预测为主，根据目前和未来的气象条件，调取农业生产知识库，提出农事建议。同时，气象灾害预警服务采取中期、短期、临近预警相结合，监测预报与灾后评估相结合，取得了较好的服务效果。

参考文献

[1]崔建云，董晨娥，左迎之，等．外部环境气象条件对日光温室气象条件的影响[J]．气象，2006。32(3)：lOl一106．

[2]魏瑞江，康西言，姚树然，等．低温寡照天气形势及温室蔬菜致灾环境[J]．气象科技，2009．37(1)：64—66．

[3]刘洪，郭文利，李慧君．北京地区日光温室光环境模拟及分析[J]．应用气象学报，2008，19(3)：350—355．

[4]魏瑞江，李春强，康西言．河北省日光温室低温寡照灾害风险分析【J]．自然灾害学报。2008，17(3)：56—62．

[5]张永红，葛徽衍，李秀琳。等．关中东部设施农业气侯资源分布及变化特征[J]．中国农业气象，2009(2)：153—157．