现代农业自动气象观测系统的设计与应用
2024-12-15池浩源赵雪明姜方达彭禹奇赵磊
摘要:为了保障粮食安全,提高粮食产量,我们设计了现代农业自动气象观测系统。此系统可以实时监测空气中的温度和湿度、风向、风速,土壤中的温度和湿度、降雨量,空气中的二氧化碳浓度,等等。通过建立一个实时的大气观测要素—土壤—农作物长势的农业自动气象观测系统,用于及时掌握农作物的生长环境的变化,有助于农业气象灾害监测实现自动化,减少自然灾害带来的损失,对于建设高标准农田、率先实现农业现代化具有重要意义。
关键词:现代农业气象观测系统;气象灾害监测自动化;农业现代化
全球自然灾害的频繁发生,保证粮食安全便成为世界性的议题。随着我国农业科技的发展,吉林省农业已经进入了高速的发展阶段。天气的观测更是对农业起着决定性的作用,洪涝灾害导致粮食的大面积减产,所以提前了解天气情况便可减少损失。传统的农业气象观测系统发展得较为缓慢,没有实现全面的自动化观测,因此,急需构建全自动化的现代农业气象观测。现代农业自动气象观测是指在自然状态下对农田气象要素的监测,以目前的监测方式,无法进行实时监测,监测到的信息也无法满足农业气象服务,难以提高粮食产量,因此急需设计和应用功能齐全、性能先进的现代农业自动气象观测系统。此观测系统能够对气象灾害起到实时监测的作用,对保障粮食安全、提高粮食产量、率先实现农业自动气象观测有重要意义。
1现代农业自动气象观测系统的结构
现代农业自动气象观测系统是由主采集器、空气温湿分采、土壤温湿分采、辐射分采、图像传感器、其他气象要素等传感器、通信系统、存储系统和供电系统组成[1]。各个传感器一起协作,全天候地采集空气中的温度和湿度,土壤中的温度和湿度,风向、风速、降雨量、二氧化碳的浓度,为农作物的生长提供一个实时监测的功能,实现了实时数据自动采集、存储和应用。现代农业自动气象观测系统的主采集器和各分采集器之间采取的是主从结构,采用CAN通信技术。现代农业自动气象观测系统的核心是主采集器,它的主要功能是数据的采集、处理、传输和存储。它主要是由电源、嵌入式处理器、存储器、时钟电路、通信接口、指示灯、数字及模拟传感器接口等多种电路模块构成[2]。图1为现代农业自动气象观测系统结构图。
主采集器通过5G/4G的方式传送给数据处理系统,分采集器采集数据后,将采集到的数据实时传送给主采集器,并接受主采集器的管理。主采集器起到一个核心的作用。
2现代农业自动气象观测系统硬件组成
现代农业自动气象观测系统是由传感器、数据采集器、嵌入式软件和其他配件组成。嵌入式系统有着低功耗,特别是ARM架构的处理器以低功耗和高能效著称。实时性、嵌入式处理器通过硬件支持的实时任务调度和中断处理机制来满足实时性要求,且嵌入式处理器一般尺寸比较小,适用于各种小尺寸的空间限制。嵌入式处理器也集成了多个功能模块和高速计算能力,能够提供出色的计算和图形处理能力。因此,主采集器可以同时接入其他多个分采集器。
2.1空气温湿度传感器
空气温度传感器中的热敏元件(如热敏电阻、热电偶等)能够感知周围环境的温度变化,并将其转化为电信号输出。湿度传感器主要基于湿敏元件(如湿敏电阻、湿敏电容等)。湿度传感器是湿敏元件在基片上覆盖的一层用感湿材料制成的膜,当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时,元件的电阻率和电阻值或电容量都会发生变化,通过测量这些变化量即可得知环境中的湿度。我们可在35cm、45cm、85cm和155cm等高度挂接温湿度传感器,这样可以多层次立体地测量,获得温度和湿度的数据更为精确,可以更好地服务于农作物的生长。
2.2土壤温湿度传感器
土壤温度传感器通常由一个热敏元件和一个温度测量电路组成。当土壤温度变化时,热敏元件会改变其电阻或电势差,温度测量电路负责测量这些变化,并将其转换为对应的温度值。土壤湿度传感器通过测量土壤的电阻值或电容值来判断土壤中的水分含量。当土壤湿度传感器探头插入土壤中时,由于土壤中水分含量的不同,土壤的电阻值或电容值会发生变化。通过测量这些变化,传感器可以计算出土壤的湿度值。土壤温度对作物的生长和发育有重要影响,通过土壤温度传感器,农民可以实时监测土壤温度,并根据温度的变化调整作物的种植和管理策略;土壤湿度是影响作物生长的关键因素之一。通过土壤湿度传感器,人们可以实时监测土壤湿度情况,确保作物得到适宜的水分供应。我们可以在不同的深度接入一些土壤温湿度传感器,这样就可以实时获取土壤中的温度、湿度含水量等农业气象要素,有利于及时掌握农作物生长环境的变化。
2.3辐射分传感器
辐射分传感器通常与各种辐射传感器相连,通过有线或无线的方式接收传感器发送的数据。首先,接收到的数据经过预处理,包括数据校验、格式转换等,以确保数据的准确性和一致性。其次,辐射分传感器对预处理后的数据进行计算和分析,生成符合数据字典要求的整包数据。最后,辐射分传感器将整包数据通过通信接口上传至数据中心或监测站。测量范围为0~1400W/m,相同类型的传感器具有互换性。
2.4光合有效传感器
光合有效辐射是指波长范围为400~700nm的太阳能辐射,一般采用硅光探测器。这部分辐射能够被植物用于光合作用。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,每台光合有效辐射表都可以给出各自的灵敏度,并可直接与数字电压表或数据采集器相连,可在全天候条件下使用,广泛应用于农业气象、农作物生长的研究。
2.5图像传感器
图像传感器是一种把光信号转变成电信号的设备,结构一般都是由光学镜头、感光元件、图像处理器、控制电路与外围接口组成。图像传感器在现代农业中的应用主要体现在农作物实景自动监测技术中,这项技术利用图像传感器捕捉农作物在自然光照条件下的图像,并通过机器学习、图像处理技术以及无线多媒体网络技术,将采集到的图像传输至计算机终端进行分析,图像通过内置的识别算法提取特征参数,进而反演得到农作物生长特征信息。这使得农业生产者能够及时了解作物的生长状况,对作物生长环境进行有效评估,并采取相应措施以提高作物产量和质量。
2.6其他各种传感器
风向、风速传感器可以协助农业工作者预测风向和风速的变化,预防农作物因飓风受损。翻斗式雨量传感器能够将降雨量转化为电信号,预防了农作物的洪涝灾害,广泛应用于气象监测、水文研究、农业灌溉、城市排水等多个领域[3]。气压传感器采用国外压阻式传感器的芯片封装,经精密温度补偿,具有高精度、高灵敏度的特点,可以测量大气压力和气象参数等。二氧化碳传感器是测量农业生态环境中CO2含量的一种智能型一体化探头。它适用于在苛刻、潮湿的CO2测量环境中稳定、精确测量CO2的浓度。红外温度传感器由热电堆和热敏电阻构成,两种探头都被放置在铝制导管内,通过探测物体发出的红外辐射能量来测量其温度[4]。
2.7通信及供电系统
使用5G/4G无线通信的方式,将数据传输到省级区域站软件或国家级云平台里,方便数据的存储与应用。使用太阳能电池和蓄电池(直流12V)结合的方式,以防阴雨天没有电供应,导致数据无法传输。图2为通信系统链接的模拟图。
3现代农业气象自动观测系统的地址选择要求
观测地段应选择在农田区域的作物地段,考虑农业基地、种植大户等重点服务对象。应与土地使用单位或个人取得联系,明确要求,保证观测地段的相对稳定,水改旱、旱改水可能性小,远离近期和中长期拟建项目用地。站址应代表当地农业产量水平、耕作制度和地形、地势、土壤和作物类型。观测地段应远离河流、水库等大型水体,尽量减少气候的影响。现代农业气象自动站和土壤水分自动站地下水位深度大于2m。通信与供电:站点位置能满足太阳能供电和5G/4G/GPRS通信条件。设备维护:安装环境能够保证设备安全和维护需要。观测环境:具备良好的观测环境,满足建站环境要求。周围除观测作物外,其他物体影子应不会投射到图像传感器拍摄的作物区域范围(电线杆、高层建筑等),因此选址时考虑避开,站点附近没有强的反光物体。观测地段尽可能交通便利,便于安装时设备运往现场。图3为现代农业气象自动观测站选址图。
4现代农业气象自动观测系统的应用
现代农业自动气象观测系统可以安装在玉米和水稻的标准田中,自动观测系统可以实时监测空气中的温度和湿度、风向、风速,土壤中的温度和湿度、降雨量,空气中的二氧化碳浓度等环境要素,帮助农户进行精准监测。通过监测气象数据,系统能够预测和预警可能发生的气象灾害,如大风、大雨、降温,从而帮助农户及时采取措施,减少损失[5]。当然,现代农业气象自动观测设备也可以安装在进行科学研究的试验田里,更好地服务于科研人员。自动观测系统为农业科学研究提供了大量可靠的气象数据,有助于研究气候变化对农业生产的影响,推动了农业科学的发展。现代农业气象自动观测系统也可以安装在水库、容易山顶滑坡的地理位置,起到一个监控数据的作用。为监测发生洪涝灾害,起到一个提前预防的作用,减少人民群众的财产损失,期间如遇到各种传感器损坏问题,应及时进行更换,保障农作物顺利生长,保障人民财产安全。图4为现代农业气象自动观测系统的应用效果图。
结语
现代农业自动气象观测系统在农业生产中扮演着至关重要的角色,它利用先进的传感器技术和数据处理技术,为农业生产提供及时、准确的气象信息。与传统的人工监测相比,无论是从测量的频次和准确率上都有大幅提升。系统提供的精准气象数据有助于农户对作物制定合适的播种时间、施肥时间、灌溉时间等,实现精准管理,从而提高作物产量和品质;系统也可以通过自动气象观测系统及时的预警来采取科学的防范措施,有效降低气象灾害对农业生产造成的损失。此外,自动气象观测系统对农业气象灾害监测实现自动化,对于高标准农田建设、率先实现农业现代化具有重要意义。
参考文献:
[1]赵雪明,詹克磊,巩力源,等.自动农业气象观测系统设计与开发[J].农业与技术,2020,40(18):112114.
[2]别致宜,杨晓岭.DTD4型冻土自动观测仪的安装及维护[J].内蒙古科技与经济,2023(18):122124.
[3]闫蓉,安光辉,祁淑梅.SL31型双翻斗雨量计常见故障以及台站维护[J].青海农林科技,2014(02):8385.
[4]程昌玉,梁海河,王柏林.红外与铂电阻地表温度测值分析对比[J].气象科技,2010,38(04):450455.
[5]胡跃鑫.基于物联网技术的农业小气候环境中的研究及其应用[D].沈阳:沈阳建筑大学,2017.
*通讯作者:赵雪明(1982—),男,汉族,黑龙江佳木斯人,本科,高级工程师,主要负责新型自动气象站和海岛站的研究工作。