氣象信息獲取裝備與物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)平臺(tái)開發(fā)

李皓 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院/楊凌乾泰電子科技有限責(zé)任公司 張海輝* 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院

鄧一飛 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院/楊凌乾泰電子科技有限責(zé)任公司

引言

我國的氣象災(zāi)害具有種類多、分布廣、發(fā)生頻率高、損失差異大的特點(diǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)干旱、臺(tái)風(fēng)、洪澇、低溫等氣象災(zāi)害每年會(huì)造成4000萬公頃農(nóng)田受災(zāi)，受災(zāi)人口超過2億，經(jīng)濟(jì)損失超過4000億元。2018年4月5日至7日，突發(fā)的一場低溫凍害使得西北地區(qū)蘋果減產(chǎn)嚴(yán)重，據(jù)調(diào)查延安市富縣、洛川縣、黃陵縣、寶塔區(qū)受凍面積711,333.3公頃，重災(zāi)面積15,800公頃，預(yù)計(jì)經(jīng)濟(jì)損失超過30億元，平均減產(chǎn)23%，其中洛川縣減產(chǎn)率達(dá)到了42%。氣象信息作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)的第一手資料，氣象預(yù)報(bào)雖然直接為農(nóng)事作業(yè)提供了參考，但是隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不斷發(fā)展，種植領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)不斷豐富，傳統(tǒng)的天氣預(yù)報(bào)信息獲取渠道已經(jīng)嚴(yán)重不能滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)精細(xì)化管理的需求，如圖1所示。

圖1 農(nóng)氣服務(wù)存在的困難

國家建立的大規(guī)模氣象獲取裝備、系統(tǒng)的監(jiān)測范圍廣、數(shù)據(jù)全面、精度控制較高，但是存在信息壁壘，同時(shí)其建設(shè)成本高，普通農(nóng)戶、農(nóng)場很難納入其監(jiān)測體系之中；民用氣象獲取設(shè)備、系統(tǒng)應(yīng)用便捷、易于維護(hù)，但精度又難以達(dá)到國省氣象系統(tǒng)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)要求，以此為數(shù)據(jù)源所能開展的服務(wù)范圍僅僅限制于較小的范圍，帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值又難以體現(xiàn)。傳統(tǒng)的氣象為農(nóng)服務(wù)系統(tǒng)雖然多且內(nèi)容廣泛，但是數(shù)據(jù)源并不統(tǒng)一，而且國省并沒有建立起長效的同步機(jī)制，服務(wù)質(zhì)量難以保障；隨著CIMISS系統(tǒng)的推出，有效解決了數(shù)據(jù)源問題，但是受限于其數(shù)據(jù)訪問權(quán)限集中在氣象局內(nèi)網(wǎng)，其衍生出來的應(yīng)用產(chǎn)品也多以專業(yè)的氣象產(chǎn)品為主，數(shù)據(jù)資源難以普惠廣大農(nóng)戶，更未能與農(nóng)業(yè)專家積累的生產(chǎn)知識(shí)相互結(jié)合。

因此，研究現(xiàn)有的氣象信息獲取技術(shù)并完善拓展用戶對(duì)氣象信息的獲取通道，研制一種小型農(nóng)田氣象感知裝備，研究當(dāng)前先進(jìn)的氣象硬件資源與網(wǎng)格預(yù)報(bào)軟件系統(tǒng)，破除信息壁壘，針對(duì)不同作物不同生育期的氣象條件需求開發(fā)精準(zhǔn)的主動(dòng)個(gè)性化服務(wù)平臺(tái)，開展基于氣象信息的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)與災(zāi)害預(yù)警服務(wù)試點(diǎn)應(yīng)用，從而有效對(duì)接產(chǎn)業(yè)需求，將現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、智慧氣象與精準(zhǔn)服務(wù)互相融合，有助于智慧氣象的推進(jìn)，促進(jìn)我國智慧農(nóng)業(yè)朝著又快又好的方向發(fā)展。

1.農(nóng)業(yè)小環(huán)境氣象信息獲取裝備設(shè)計(jì)與開發(fā)

結(jié)合氣象信息監(jiān)測常用風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求，本文所設(shè)計(jì)開發(fā)的農(nóng)業(yè)小環(huán)境氣象信息獲取裝備主要監(jiān)測因子有以下9種：農(nóng)業(yè)小環(huán)境溫度、農(nóng)業(yè)小環(huán)境濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳、土壤溫度、土壤濕度、風(fēng)速及風(fēng)向、降雨量，同時(shí)為滿足室外環(huán)境需求，設(shè)備增加了自供電太陽能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速部署，提高實(shí)地應(yīng)用的便利性，除各類所需監(jiān)測類型與太陽能自供電系統(tǒng)外，設(shè)備融合GPRS技術(shù)對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上傳，匯聚至物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行后續(xù)處理。設(shè)備總體設(shè)計(jì)如圖2所示，本文對(duì)各個(gè)監(jiān)測模塊接口、核心處理模塊、數(shù)據(jù)上傳模塊、電源模塊等關(guān)鍵電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)開發(fā)，同時(shí)對(duì)小環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的外形進(jìn)行了設(shè)計(jì)制作，完成了整套裝備的調(diào)試組裝，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)小環(huán)境各類氣象因子的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖2 設(shè)備總體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)需求與實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，設(shè)備應(yīng)具備小環(huán)境實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測，同時(shí)具備高適用性，方便不同監(jiān)測環(huán)境的快速安裝調(diào)試。裝備的具體技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如下：

(1）裝備監(jiān)測類型數(shù)量：9類；

(2）每類監(jiān)測類型精度要求：≥0.5%；

(3）監(jiān)測時(shí)間間隔：5min、10min、30min、1h可調(diào)；

(4）通訊方式：GPRS、串口；

(5）供電方式；太陽能自供電系統(tǒng)（帶蓄電池），兼?zhèn)涫须姽╇姽δ埽?/p>

(6）工作時(shí)間：單電池供電 ＞7天；

(7）支持監(jiān)測數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)功能；

(8）低功耗設(shè)計(jì)。

2 融合氣象信息的物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)平臺(tái)開發(fā)

融合氣象信息的物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)平臺(tái)在本文中起到了承上啟下的作用，平臺(tái)能夠獲取底層設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)為后續(xù)章節(jié)的個(gè)性化服務(wù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐，其主要包含三個(gè)層次：基礎(chǔ)支撐、數(shù)據(jù)管理、應(yīng)用服務(wù)。其框架結(jié)構(gòu)如圖3所示：

基礎(chǔ)支撐：通過MUSIC接口獲取上報(bào)CIMISS系統(tǒng)的基本氣象站、區(qū)域氣象站數(shù)據(jù)及相關(guān)的預(yù)報(bào)、災(zāi)情數(shù)據(jù)；根據(jù)數(shù)據(jù)收發(fā)協(xié)議，將本文設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)小環(huán)境氣象信息獲取裝備上報(bào)的環(huán)境信息數(shù)據(jù)拆包解析入庫。

數(shù)據(jù)管理：設(shè)計(jì)并開發(fā)數(shù)據(jù)庫，包括由MUSIC接口獲取的氣象信息庫和由數(shù)據(jù)解析后入庫的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境信息庫。

應(yīng)用服務(wù)：設(shè)計(jì)開發(fā)前臺(tái)用戶交互界面，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)分析、氣象月報(bào)統(tǒng)計(jì)等模塊。

圖3 智能服務(wù)平臺(tái)框架

3 基于氣象與農(nóng)業(yè)小環(huán)境數(shù)據(jù)的智能預(yù)警與指導(dǎo)服務(wù)

基于氣象與農(nóng)業(yè)小環(huán)境數(shù)據(jù)的智能預(yù)警與指導(dǎo)服務(wù)包含了智能氣象預(yù)警服務(wù)與智能生產(chǎn)指導(dǎo)服務(wù)，系統(tǒng)框架如圖4所示，基于氣象數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)小環(huán)境氣象信息獲取裝備采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)智能與氣象等級(jí)定義模塊和基于生育期的作物栽培管理知識(shí)庫中的規(guī)則相匹配，依據(jù)基于用戶需求的主動(dòng)推送服務(wù)處理流程，為用戶提供精準(zhǔn)、個(gè)性化服務(wù)。其中氣象預(yù)警等級(jí)定義為暴雨、高溫、強(qiáng)降溫、大風(fēng)等4類災(zāi)害天氣提供了3-4個(gè)預(yù)警級(jí)別，由低到高依次為藍(lán)色、黃色、橙色、紅色[11-15]；氣象預(yù)警個(gè)性化定制中可由用戶選擇關(guān)注區(qū)域、關(guān)注類型、推送方式等個(gè)性化需求；基于生育期的作物栽培管理知識(shí)庫構(gòu)建過程中，遵循“作物→生長階段→適宜條件、肥水藥知識(shí)”步驟，由專家賬戶完成各類作物的模型構(gòu)建；生產(chǎn)指導(dǎo)個(gè)性化定制由用戶選擇關(guān)注的作物、匹配的采集站點(diǎn)、推送方式等個(gè)性化需求。通過設(shè)計(jì)基于氣象與農(nóng)業(yè)小環(huán)境數(shù)據(jù)的智能預(yù)警與指導(dǎo)服務(wù)，在物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)平臺(tái)的通用服務(wù)基礎(chǔ)上將農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)與氣象資源相結(jié)合，滿足個(gè)性化服務(wù)需求，提供普惠性的農(nóng)氣服務(wù)。

圖4 主動(dòng)推送服務(wù)系統(tǒng)框架

4 結(jié)論

為滿足利用氣象實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)優(yōu)勢資源，面向我國廣大農(nóng)戶、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)園區(qū)的高效栽培、精準(zhǔn)管理、個(gè)性服務(wù)需求，本文設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)小環(huán)境氣象信息獲取裝備，開發(fā)了融合氣象信息的物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)平臺(tái)，構(gòu)建了基于氣象與農(nóng)業(yè)小環(huán)境數(shù)據(jù)的智能預(yù)警與指導(dǎo)服務(wù)。形成的結(jié)論有以下4點(diǎn)：

(1）通過CIMISS方式可以獲取已經(jīng)覆蓋到各個(gè)村鎮(zhèn)的基本氣象站、區(qū)域氣象站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，基于已有的氣象數(shù)據(jù)資源能夠提供廣泛的農(nóng)氣服務(wù)。

(2）針對(duì)農(nóng)業(yè)小區(qū)域設(shè)計(jì)的氣象信息獲取裝備可以部署于農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)部、園藝設(shè)施環(huán)境之中，能夠成為已有氣象系統(tǒng)站點(diǎn)的補(bǔ)充，滿足精準(zhǔn)服務(wù)需求。

(3）開發(fā)融合氣象信息的物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)平臺(tái)能夠?qū)⒍鄠€(gè)通道獲取的氣象數(shù)據(jù)提供公共數(shù)據(jù)服務(wù)，破除以往專用氣象系統(tǒng)的信息壁壘。

(4）構(gòu)建基于氣象與農(nóng)業(yè)小環(huán)境數(shù)據(jù)的智能預(yù)警與指導(dǎo)服務(wù)，基于氣象預(yù)警規(guī)則、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)，能夠滿足大型園區(qū)、中小規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的個(gè)性化服務(wù)需求。