自动农业气象观测系统功能与设计

刘东岩

（内蒙古自治区准格尔旗气象局，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

在高科技迅猛发展的过程中，农田也逐渐呈现出安全、高效和生态的发展趋势，对农业区气象观测工作的要求也越来越高，建立针对性和实时性强、服务水平高、内容丰富的农业气象系统成为农业发展的必然需求，因此，研究自动农业气象观测系统功能与设计具有非常重要的意义。

一、自动农业气象观测系统的总体设计

重点解决急需、成熟性、通用性、可靠性和模块化组态设计是自动农业气象观测系统在设计过程中遵循的基础原则，构建该系统的主要目的就是满足农业气象业务需求，弥补人工观测在观测作物及其他观测项目中的不足。农业气象自动观测原理样机以采集器为核心,搭载各类型传感器,并配备有市电、风能/太阳能一体化电力设备和监控装置,实现了野外24h不间断连续供电。其观测内容包括田间小气候的温、湿、压、风、降水等气象要素以及作物发育期等物候信息、冠层遥测温度、光合有效辐射、土壤温度、湿度等农田小气候信息和地表水位、地下水位等环境信息。系统传感器应用了当前较为成熟的技术，可替代性较强，保证了系统稳定、可靠的运行，并对观测传感器的功能进行进一步的优化。本研究将水稻、小麦、棉花和玉米四类主要粮食和经济作物为主要观测对象，从农业气象灾害、农田小气候、作物生长发育及土壤水分等观测项目入手，探究自动农业气象观测系统的功能与设计。软件及硬件系统是构成自动农业气象观测系统的两大部分，其中前者由信息处理与应用软件、数据自动采集与控制软件两部分构成，土壤水分自动观测传感器、作物生长CCD 自动采集传感器、电源系统、数据采集器等其他系统共同构成了硬件系统。在研究过程中，主要针对水稻、棉花、玉米及小麦四种置于不同生态区的作物，对人工观测、自动观测方式及自动识别算法、自动观测方法进行对比，探究在不同气候区中设备的适应性。

二、自动农业气象观测系统的设计与实现

（一）农作物及自然物候信息采集

农作物及自然物候信息采集包括各类型数字、模拟信号传感器、嵌入式CCD相机和音频采集器, 主要用于农田小气候、自然物候和作物生育期信息的采集, 并按照不同时间频率对气象、环境和生态要素进行记录。数码图像/音频采集装置通过预设模式自动完成多角度、多方位的图像信息和不同时长的声音信号采集,从而实现了对农作物及自然物候的定时定点观测。图像采集器为一个嵌入式图像处理装置, 外壳采用野外视频监控用的9英寸球形外壳,内含控制板、高速云台及解码板。控制板采用嵌入式PC104 结构, 内含图片、音频采集控制软件, 安全性高,性能稳定可靠, 带60G存储器。云台控制板有10个预制位, 由程序自动控制转动位置。云台上搭载800万像素高清晰CCD图像传感器和高速DSP处理器,并接入无线网桥的RJ45接口。整个采集器总重量约为2kg, 拍照及待机时功耗〈5W, 云台在运转时功耗约为15W。音频采集器前端为一个野外全向高保真声音传感器, 用于采集物候音频,后端为嵌入式系统, 采用高速DSP处理器。由程序控制过滤背景杂音, 自动进行数据存储, 通信接口类型为IP。图像、音频信息的采集控制程序基于.NET开发,通过监控中心服务器下发到采集终端。当服务器与采集器终端间的网络连通时, 可由监控中心进行远程操作, 也可根据程序设定自动运行, 在不同预设位置上进行定时采集, 获取多角度、高分辨率的数字图像和不同时长的音频信息。

（二）辅助设施

辅助设施包括动力供应、电源变换、防雷和防盗设备。一是电力设备，作为观测系统正常运行的基本保障, 电力供应是不可忽视的问题。自动站以市电作为常规电力供应系统, 同时安装风力及太阳能发电设备作为辅助, 以确保24h不间断观测。风力发电机启动风速为3 m/s,太阳能电池板功率为60W, 通过直流控制器与12V/60 Ah蓄电池相连。平时, 蓄电池既可从风能/太阳能发电设备充电,也可通过市电充电。当市电中断时,电源控制器自动切换,蓄电池成为观测系统的备用电源。二是网络传输。基于野外作业的特殊情况, 监控中心与野外站点间的通信采用无线网络传输方式。野外无线网桥（WIFI）结构采用802.11A标准, 使用TCP/IP协议,可构成一个小型局域网。WIFI工作在2.4 G频段, 信号不易受干扰,能传输的有效带宽最大能达到11 M, 传输距离在可视范围内,从几百米到几千米不等。三是安全监控。为保障设备安全, 并随时了解采集现场状况,观测场地周边设置了红外光栅防盗报警装置和彩色数码全天候监控摄像机。该摄像机为480线彩色CCD摄像机,低照度（0.1 LUX）彩色转黑白, 外带30m红外灯,可适应夜间工作, 并通过无线网络与远程主控制室连接,进行实时监控。

（三）自动农业气象观测信息处理与应用系统设计

对作物生长发育、生长势头等图像进行实时性的显示，并对土壤水分观测资料与农田小气候观测资料进行处理是自动农业气象观测信息处理与应用系统的两大作用，还能够对系统中的各项观测设备和仪器进行监控，当出现异常情况时启动报警功能，保证系统正常、稳定的运行。在制定农业生产决策时，可以在系统中调取以往相关的数据信息，对不同要素进行组合对比分析，统计农业灾害信息。自动农业气象观测信息处理与应用系统设计平台建立在Oracle、SQL 数据库技术的基础上，可以对各项观测数据的结构、存储格式进行处理，从而显示田间观测图像，完成农业气象观测报表的制作，提供更多的农业气象服务。

结束语：自动农业气象观测系统中自动检测设备在观测频率、内容的丰富性等方面明显优于常规人工观测法，实现了定性观测向定量观测的转化，在一定程度上还降低了观测工作人员的工作量，不必进行大量的野外观测工作，使得成本投入减少，提高了观测数据的准确性，推动现代农业的发展。