基于云计算的智慧气象农业生产监控系统的研发

2016-01-02武斐斐刘云伦郑轶刘春涛

移动信息 2016年3期

武斐斐刘云伦郑轶刘春涛

武斐斐刘云伦郑轶刘春涛

青岛市崂山区气象局，山东青岛 266000

我国是个灾害多发的国家，在频繁发生的自然灾害中，气象灾害约占70%，每年都给国民经济带来巨大损失。对设施农业影响较大的气象灾害主要包括暴雨、风灾、雪害、阴雨寡照、低温冻害等。为有效利用气象资源，减小气象灾害对设施农业的影响，我们在青岛市气象局设施农业基地实验开发了一套基于云计算的智慧气象农业生产监控系统。智慧气象观测系统依托部署在农业生产现场的各种传感节点实现小区域内多点连续测定土壤温湿、空气温湿、二氧化碳、水质及含氧量等要素。通过智慧气象云平台实时监测和记录与种植、养殖相关的大环境和小气候因子，并以此为基础建立其生长环境数据库，研究和筛选最佳环境因子组合，实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能分析和智能决策。

云计算；气象农业；生产监控系统

1 气象在智慧农业生产监控中的应用

1.1 气象与地理信息系统

气象条件对农业生产活动都有很大的影响[1]。而我国幅员辽阔，不同地域的气象条件又千差万别。比如在对江南早稻育秧期有影响的春季低温连阴雨，对晚稻抽穗杨花有影响的寒露风，北方冬麦区的小麦干热风，对水稻、高粱、玉米和大豆等有影响的东北夏季低温。对农作物收获有影响的华南及江淮秋雨和干旱、雨涝、霜冻、高温、冰雹、大风等灾害性天气。即使是在我们青岛市这一相对较小的地域空间内，也存在南北地域、沿海与内陆、山地与平原的地理因素差距。这些地理因素的差异，同样使得我们的气候条件存在不同。因此，这些气候状况则需要我们从地理上加以区分。结合地理信息的数据，认识和掌握当地的天气气候规律，对农业生产预先进行分析、决策、指导，积极采取防御措施趋利避害，是非常重要的。

建立更加开放的气象信息可视化平台，地方的气象部门由于人才、经费等投入不足，资料工作特别是历史资料信息化和管理工作明显滞后，诸多气象资料尚为进行数字化和信息化，许多纸质档案急需抢救和修复。采用图形化的数据处理技术，结合GIS等图形处理系统开发可视化的数据产品在气候资料和气象科技档案领域基本处于空白。随着国家对气象科学的投入逐步加大，昔日的这些难题得以解决，大量的历史数据入库、归档、分类整理以后，所面临的下一阶段任务就是数据的可视化工程。虽然从气象专业的角度来说，目前的业务系统已经能够满足日常工作的需要，但是考虑到我们所服务的对象是各层次各行业广大的非气象工作人员，因此如何来满足大众的气象资料需求是非常重要的。

1.2 气象行业应用及其关键技术

整个平台完成一个分布式系统基础架构，将此架构和农业气象大数据进行结合。用户可以在不了解分布式底层细节的情况下，开发分布式程序。充分利用集群的威力高速运算和存储。实现了一个分布式文件系统，HDFS。HDFS有着高容错性的特点，并且设计用来部署在普通的信息服务器上。而且它提供高传输率来访问气象设备中的应用程序的数据，实现超大农业气象数据集的应用程序。

农业气象版的CloudStack是一个开源的具有高可用性及扩展性的云计算平台。在开源的基础上，完成农业气象信息云计算的二次开发。实现加速高伸缩性的公共和私有云（IaaS）的部署、管理、配置。

农业气象信息云计算共享平台和数据中心运营商可以快速、轻松地建立在其现有的基础设施提供云服务的需求，弹性云计算服务。农业生产用户（包括现场设备、下级数据中心、现场管理中心）可以充分利用云计算提供更高的效率，无限的规模和更快地部署新农业模型服务和系统的最终用户。可以让农业生产用户快速和方便地在现有的架构上建立自己的农作物生产模型服务。可以帮助用户更好地协调服务器、存储、网络资源，从而构建一个IaaS平台。

2 平台的设计

系统主要分为两部分控制区域：

（1）系统导航区，仿照微软的Windows XP操作系统，用户通过按键完成整个系统的导航，保证系统的人机交互性，提供用户的体验满意度[2]。

（2）GIS地图展示、控制区，其中包括种植区域管理，从站数据管理，灌溉管道，泵站信息管理，电动阀信息管理几部分。

种植区域信息采集、电磁阀采集、喷带信息采集。在GIS平台的左上角选择采集模式，用户就可以在GIS平台上绘制自己的想要的灌区、喷灌带等线性标示，也可以添加图钉按钮标注电动阀等坐标点信息。下图是采集喷灌带的操作，直接在地图上绘制即可。同时还包括泵站信息管理、电动阀信息管理等。

数据统计分析，实时的将20路采集器的数据同步到服务器后台，在系统上可以按照设备、时间进行检索，显示出一台设备的具体的采集信息，包括光照、二氧化碳、空气温湿度、土壤温湿度。以报表的是形式展示出来。

系统中为作物种植专家添加了系统设置权限，专家登录后可以将自己的擅长的物种生长习性量化成各种数据指标后输入到系统，其中包括：空气温湿度、土壤温湿度、光照、二氧化碳。系统会自动根据当前的农业气象信息（同步当地的农业气象局的数据库信息）的情况，进行智能的控制，同时也可以进行人工控制的决策支持。系统通过图表可以直观的展示出专家系统的实际效果，绿色的横线是专家设定的理想空气温度值，红色的折线是实际采集空气温度的数据，当系统开启自动控制时，实际采集的数据会围绕设定值上下波动，波动的幅度会越来越小，最终接近理想值，但是由于种植现场的实际情况，有时会发生数据的波动，都会第一时间反映到图表上。

以黄瓜为例，黄瓜的适宜生长的空气温度24℃，系统输入后，选择自动控制。系统会跟进设定数据进行设备的自动调控，当采集器的温度超过24℃后，服务器给控制器发送指令，打开风机，降低温度；当温度低于24℃时关闭通风口，保证温度上升。达到最适宜黄瓜生长的温度。完成植物最佳的生长的卡尔文循环。

系统的核心是指实时地获取地块中每个小区土壤、农作物的信息，诊断作物的长势和产量在空间上差异的原因，并按每一个小区做出决策，准确地在每一个小区上进行灌溉、施肥、喷药，以达到最大限度的提高水、肥和杀虫剂的利用效率，增加产量，减少环境污染的目的。

3 平台的应用

目前，我们正在青岛市设施农业试验基地进行相关的课题研究，通过气象资料的共享，平台的建立，实现对实验暖棚的智慧气象农业生产监控，我们的基地管理者只需坐在办公室，通过对气象数据的分析，就可以实现对暖棚通风、增氧、灌溉等的智能控制，如果对相关农业生产有疑问，我们还可以在线请教相关气象和农业专家，减少了基地人员的工作量，提高了生产效率。我们在今年基地暖棚的播种前期，向管理人员提供了设施农业蔬菜发育指标，对暖棚的播种提出了合理的规划方案，以便后期对暖棚更好的实现智慧生产监控，提高农作物的产量。我们将实时监控作物的生长发育，通过智慧生产监控平台，适时发布天气专报，对实验暖棚的作物有影响的天气，如，大风、雷电、冰雹、暴雨、寒潮、暴雪等我们将提前发出预警，在线通知基地管理者，并给出防御指南，把损失降到最低。通过设施基地实验，我们实现了气象对农业生产的直通式服务，真正使气象应用到农业生产，为农业生产服务。后期，我们将通过智慧农业生产监控平台的进一步完善，结合我们的农业专家和气象专家，对设施农业作物进行更深入的研究，通过平台推广我们的研究成果，降低生产和监控成本，提高农作物产量，给设施农业种植大户提供更为合理和有效的农业和气象服务，以便在青岛本地特色效益农业和休闲观光农业等方面实现对此平台的推广应用。