自动农业气象观测系统设计与开发

赵雪明 詹克磊 巩力源

摘 要：率先实现农业现代化需要科技的支撑，农业现代化，关键是农业科技现代化。农业气象灾害直接影响国家粮食安全，对此本文设计了自动农业气象观测系统，可监测农业气象灾害，对农业生产、粮食丰收具有重要意义。

关键词：农业气象;自动观测;设计

中图分类号：S16       文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200930037

1 概述

2015年，习近平总书记对吉林省提出“率先实现农业现代化、争当现代农业建设排头兵”的殷切希望。5a来，吉林省在率先实现农业现代化的道路上取得了重大突破，2019年全省粮食产量达到387.8亿kg，净增量居全国首位。习近平总书记2020年7月在吉林省调研时强调，农业现代化，关键是农业科技现代化，要加强农业与科技融合，加强农业科技创新，科研人员要把论文写在大地上，用最好的技术种出最好的粮食。气象工作对于农业生产起着非常重要的作用，气象为农服务工作成为各级气象部门的基本业务工作，常规的气象要素观测从人工观测向自动观测发展。但农业气象综合观测业务发展较慢，并没有实现全面的自动观测，农业气象观测是对自然状态下农田区域的气象要素进行观测，但当前的观测手段在时效、内容等方面均无法满足气象为农服务工作及农业气象科学研究的需求，因此需要设计开发功能齐全、性能先进的自动农业气象观测系统。

2 系統总体结构

自动农业气象观测系统使用模块化结构，数据采集器配备各类型传感器不仅可以全天候不间断地采集多路空气温度、湿度、土壤温度、土壤水分、气压、降水、光照、CO2等气象要素，还可以进行作物长势观测、作物生长环境监测及设备运行环境监测，实现数据的自动采集、传输、存储、处理及应用。系统按照《农业小气候自动观测站功能规格需求书》及《作物气象自动观测站功能规格需求书》的要求采用模块化设计，由主采集器、土壤分采集器、温湿分采集器、辐射分采集器以及气象要素传感器、图像传感器、冠层高度传感器、供电系统、通信系统等组成。主采集器和各分采集器之间采用主从结构，利用CAN总线技术实现通信。主采集器是整个农田区域自动观测系统的核心，硬件部分主要由高稳定性电源、嵌入式处理器、大容量数据存储器、高精度时钟电路、高精度模数转换电路以及多路数字及模拟传感器接口、通信接口、指示灯电路等多种电路模块构成。其主要功能是数据采集、数据处理、数据存储、数据传输及整个采集器系统的管理。主采集器挂接各分采集器和智能气象传感器。系统构成如图1所示。

主采集器在总线结构中既具备系统中心处理机的功能，又起到1个分采集器的作用。主采集器通过无线（4G/5G）方式将数据传送给远程数据处理系统。分采集器接受主采集器的管理，对自身所挂接的传感器进行数据采集和处理，并实时地把测量数据发送到主采集器。

3 硬件设计

农业气象自动观测系统数据主采集器硬件核心使用嵌入式处理器，嵌入式处理具有以下特点：体积小、低功耗、低成本、高性能;内存容量大，数据处理效率高，可以完成多种任务，ARM处理器主频高，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用;程序存储空间大，根据测量要素和采集系统的不同，软件可以随时进行开发设计;ARM处理器本身提供多种功能，方便使用。

嵌入式处理器在性能、功耗以及功能上都能满足农业气象数据自动观测的需求。主采集器挂接3个分采集器以及其它要素传感器，具有多功能、多要素的特点。

3.1 土壤分采集器

土壤分采集器挂接7支土壤温度传感器和8支土壤水分传感器，可以采集地表、5cm、10cm、15cm、20cm、30cm、40cm等深度的土壤温度，以及0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm、50～60cm、70～80cm、90～100cm等层级的土壤湿度。可以采集土壤温度、土壤体积含水量、土壤重量含水率、土壤相对湿度等农业气象要素。土壤温度传感器使用铂电阻传感器，利用铂电阻随温度的变化电阻阻值呈线性变化的特点来测量温度;土壤水分传感器采用FDR（频域反射）原理进行观测，利用电磁脉冲的原理，根据电磁波在土壤中的传播频率来测量土壤的介电常数，从而得到土壤含水率。土壤温度及土壤水分的观测数据对于春播生产及农业病虫害防治意义重大。

3.2 温湿度分采集器

温湿度分采集器挂接4支温湿度传感器，可测量距地面30cm、40cm、80cm、150cm等高度的空气温度和相对湿度等要素。多层次的立体测量可以在不同植株高度的作物中进行应用。空气温度传感器和土壤温度传感器也使用铂电阻传感器，但是测量范围及精度有所不同;空气相对湿度传感器使用湿敏电容，当空气中的水汽进入湿敏电容的介电层，介电系数会发生变化，进而导致电容器电容量发生变化，电容量的变化和相对湿度成正比。

3.3 辐射分采集器

辐射分采集器挂接总辐射传感器、光合有效辐射传感器和日照传感器，可以测量日照情况，以及掌握作物光合作用情况。总辐射传感器的工作原理基于热电效应，利用热电堆和冷面产生的电动势差来测量辐射量，测量光谱范围为0.28～3.0μm的太阳总辐射量;光合有效辐射传感器主要测量400～700nm波长范围内自然光的辐射量;日照传感器可测量太阳直接辐射和日照时数。

3.4 各气象要素传感器

气压传感器使用硅电容式绝对压力传感器，可以测量大气压力。风传感器使用EL15系列风传感器，可以测量风向和风速数据，风向观测利用一个低惯性的风向标部件作为感应元件，利用格雷码盘进行光电扫描输出信号;风速码盘输出频率信号。雨量传感器使用翻斗式雨量传感器，可以采集降水数据。CO2传感器可以监测CO2浓度，研究作物生长期间CO2浓度变化情况。

3.5 图像传感器

图像传感器是对农作物生长状况观测的关键组成部分，是进行农作物生长状况自动观测的基础，负责农作物图像的采集，可以对作物发育期、株高、密度、覆盖度/叶面积、苗情分类、干旱、洪涝、倒伏、病虫害等信息进行监测。吉林省主要农作物玉米的观测，可识别发育期为出苗、3叶期、7叶期、拔节期、抽雄期、乳熟期、成熟期等;水稻的观测识别发育期为移栽期、返青期、分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、乳熟期、成熟期等。采集到图像后，传输到数据中心站进行智能图像识别。图像传感器一般由光学镜头、CCD或者CMOS感光元件、图像处理器、控制电路、通信模块等组成。

3.6 供电及通信系统

供电系统使用太阳能电池和蓄电池结合的方法，使用直流12V供电。通信方式使用无线（4G/5G）通信方式将数据传送至数据处理计算机或者中心站數据服务器，进行数据存储及后续的应用。

4 软件设计

软件设计包括嵌入式处理器软件（ARM编程）和综合数据处理软件。嵌入式处理器软件在主采集器中运行，包括对各分采集器以及智能传感器的管理、数据的采集以及传输等功能，软件流程如图2所示。主采集器通电后，程序初始化，然后检测各传感器和分采集器状态，进行各通道数据采集并存储到主采集器的CF卡上，再通过无线数据通信控制器将数据传输至终端计算机或数据中心站服务器。

综合数据处理软件在计算机上运行，包括数据监控、数据质量控制、数据存储以及数据处理等功能。终端计算机软件流程如图3所示。终端计算机接收到主采集器上传的数据后，进行数据处理，包括数据监控、数据质量控制等，之后将数据存储到数据库中，进行后续的产品开发及应用。

5 自动农业气象观测系统的应用

自动农业气象观测系统适应现代农业气象业务发展需求，在测量性能、数据质量、要素扩充性、可靠性、可维护性等方面有长足进步。与常规的人工观测相比，自动观测在观测频次、观测要素上更加优越，自动观测更具有客观性、可以充分满足农业气象观测业务的新标准、新需求。通过建立实时大气—土壤—作物长势及环境一体化的观测系统，对于及时掌握作物生长环境、开展农事活动和现代化农田管理、科学评估气象因子对作物的影响、监测评估农业气象灾害、制作作物产量预报具有重要应用价值。

自动农业气象观测系统既可以安装在大面积的农田中，也可以安装在农业科学实验田中。能够改善目前我国农业气象观测较为落后的局面，增加农业气象服务领域，提高农业气象服务能力，为农业科学研究和农业增产增收提供科学的气象观测数据，进一步提高农业气象监测、农业气象灾害防御、农业气候区划、农作物产量预报等气象服务能力。

参考文献

[1] 胡萌琦，黎家宜，唐新，等.基于虚拟仪器技术的农业气象自动观测系统研究[J].气象研究与应用，2010，32（02）：57-59.

[2]杨爱萍，杜筱玲，郭瑞鸽，等.农田小气候自动观测系统效能评估[J].气象科技，2013，41（02）：278-281.

[3]吉林省人民政府.吉林省率先实现农业现代化总体规划（2016—2025年）[Z].2015.

[4]中国气象局.农业小气候自动观测站功能规格需求书[Z].2016.

[5]中国气象局.作物气象自动观测站功能规格需求书[Z].2012.

（责任编辑  贾灿）