農(nóng)業(yè)園精細(xì)化氣象服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高雅潔 閆景鵬 朱漢青

(濟(jì)南市章丘區(qū)氣象局，山東 濟(jì)南 250200)

引言

農(nóng)業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，為推動(dòng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)也在大力發(fā)展農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)。農(nóng)業(yè)作物的生長(zhǎng)環(huán)境、各類要素均與氣象有關(guān)?？萍嫉倪M(jìn)步發(fā)展為人們創(chuàng)造了良好的條件，目前可以通過(guò)各類傳感器進(jìn)行環(huán)境要素的采集，并且人工干預(yù)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，在北方也可以種出南方作物。現(xiàn)可設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)園精細(xì)化氣象服務(wù)系統(tǒng)，將農(nóng)田小氣候站資料同氣象預(yù)報(bào)預(yù)警等各類服務(wù)綜合到一個(gè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)獲取精準(zhǔn)的氣象預(yù)報(bào)預(yù)警和相關(guān)的災(zāi)害預(yù)防措施，專家可以通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)等，為農(nóng)業(yè)園區(qū)作物的生長(zhǎng)創(chuàng)造最優(yōu)的氣象條件。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件主要使用農(nóng)田氣象站進(jìn)行環(huán)境要素的測(cè)量，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器終端，再通過(guò)移動(dòng)端APP進(jìn)行各類資料的調(diào)用。

1.1 農(nóng)田氣象站概述

氣象站是用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境變化且做出相應(yīng)預(yù)警提示的監(jiān)測(cè)儀器。進(jìn)行地面氣象監(jiān)測(cè)、儲(chǔ)存和發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)需要將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成氣象信息或編制成表格、曲線等表現(xiàn)形式的地面觀測(cè)裝置。農(nóng)田環(huán)境對(duì)于農(nóng)作物的生長(zhǎng)有著重要的影響，適宜的氣候、充足的水分能夠促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，并提高產(chǎn)量，相反則會(huì)抑制農(nóng)作物的生長(zhǎng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域也有了重要的發(fā)展，通過(guò)田間小氣候氣象站等科學(xué)監(jiān)測(cè)手段控制田間的氣候，提升農(nóng)作物的產(chǎn)量。

1.2 農(nóng)田氣象站的組成

農(nóng)田氣象站由數(shù)據(jù)采集器、溫濕風(fēng)測(cè)量單元、鉑電阻地溫傳感器、土壤水分傳感器、總輻射傳感器、光和有效傳感器、凈輻射傳感器、冠層溫度(紅外)傳感器、二氧化碳傳感器、電源(太陽(yáng)能)部件、通信模塊(無(wú)線傳輸模塊)、機(jī)箱、GPS校時(shí)模塊、存儲(chǔ)設(shè)備、觀測(cè)桿體(或觀測(cè)塔)等組成。主要用于完成所在站點(diǎn)多層溫、濕、風(fēng)的梯度觀測(cè)，多層土壤溫濕度的測(cè)量，輻射測(cè)量，降水觀測(cè)，葉面溫度、二氧化碳的測(cè)量，及其計(jì)算、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)上傳。所有要素最后都由主采集器獲取，進(jìn)行標(biāo)度變換，計(jì)算出瞬時(shí)氣象值、導(dǎo)出量，統(tǒng)計(jì)出最值、極值、最值出現(xiàn)的時(shí)間、極值出現(xiàn)的時(shí)間。

1.3 農(nóng)田氣象站通訊模塊

1.3.1 采集數(shù)據(jù)的傳輸方式

自動(dòng)氣象站可通過(guò)RS485/RS232、以太網(wǎng)、GPRS/4G 3種上傳方式傳輸數(shù)據(jù)；多數(shù)農(nóng)田氣象站使用無(wú)線傳輸通信方式，即使用GPRS。同時(shí)計(jì)算機(jī)可以通過(guò)有線和近距離無(wú)線的方式同時(shí)連接多個(gè)氣象站，組成一定規(guī)模的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

1.3.2 采集數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)

通信模塊與采集器相連，采集器將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)通訊模塊進(jìn)行上傳，傳輸?shù)浇K端服務(wù)器。實(shí)現(xiàn)將傳感器數(shù)據(jù)接入到網(wǎng)絡(luò)的功能，讓農(nóng)業(yè)園中的數(shù)據(jù)可以“說(shuō)話”，之后再通過(guò)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，讓農(nóng)業(yè)園變得智能化，管理便捷高效化。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件整體框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)將農(nóng)業(yè)園中的環(huán)境要素通過(guò)氣象傳感器進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。根據(jù)服務(wù)器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，為農(nóng)戶提供精準(zhǔn)的操作提示服務(wù)。平臺(tái)可以及時(shí)獲取當(dāng)?shù)氐奶鞖忸A(yù)報(bào)、氣象預(yù)警、農(nóng)業(yè)專報(bào)等農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)。用戶通過(guò)不同身份登錄系統(tǒng)，獲得相應(yīng)的權(quán)限，可在系統(tǒng)中進(jìn)行不同的操作。本系統(tǒng)屬于物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的范疇，系統(tǒng)架構(gòu)與物聯(lián)網(wǎng)的3層架構(gòu)體系相同，分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。

圖1 農(nóng)業(yè)園精細(xì)化氣象服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)接收到現(xiàn)場(chǎng)傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)TCP/IP協(xié)議與系統(tǒng)的云平臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行通信，通過(guò)利用設(shè)計(jì)Scoket端口，完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

2.2 用戶管理模塊

2.2.1 公眾用戶模塊

普通用戶模塊向公眾展示本農(nóng)業(yè)園區(qū)的要素情況，無(wú)需登錄，可任意瀏覽APP上的各類信息，權(quán)限僅限于瀏覽。保留注冊(cè)入口，通過(guò)注冊(cè)進(jìn)行身份的驗(yàn)證，通過(guò)后可以成為其他身份，進(jìn)行相應(yīng)的操作。

2.2.2 專業(yè)用戶模塊

農(nóng)業(yè)園區(qū)的種植人員、管理人員及其他付費(fèi)人員可以瀏覽系統(tǒng)中的所有資料，并且可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行下載。當(dāng)預(yù)報(bào)、預(yù)警等信息發(fā)布時(shí)，也可以實(shí)時(shí)推送給用戶。并且用戶有權(quán)限查看園區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2.3 管理用戶模塊

氣象部門專家或者專項(xiàng)服務(wù)對(duì)農(nóng)業(yè)部門專家等用戶負(fù)責(zé)提供農(nóng)業(yè)園區(qū)所在地區(qū)的精準(zhǔn)氣象服務(wù)，具有預(yù)報(bào)、預(yù)警、農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)等發(fā)布的權(quán)限?？梢詫?duì)發(fā)布的資訊和服務(wù)產(chǎn)品進(jìn)行審核、修改、刪除等操作。

2.2.4 決策用戶模塊

政府減災(zāi)辦、環(huán)保、農(nóng)業(yè)農(nóng)村專項(xiàng)服務(wù)部門等用戶可以在系統(tǒng)上發(fā)布當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)決策、為農(nóng)服務(wù)政策，提供最新的政策信息，為農(nóng)業(yè)園的發(fā)展提供政策的支持保障，使農(nóng)業(yè)園可以適時(shí)根據(jù)政策進(jìn)行相應(yīng)的整改。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)分為以下方面進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

2.3.1 用戶數(shù)據(jù)表

用戶數(shù)據(jù)表根據(jù)用戶的身份不同進(jìn)行管理，需要錄入ID、用戶名、密碼、手機(jī)號(hào)、身份權(quán)限信息。每次登錄時(shí)通過(guò)驗(yàn)證身份權(quán)限信息對(duì)用戶分配操作相應(yīng)的操作權(quán)限。設(shè)置字段包括ID、用戶名、密碼、身份權(quán)限、手機(jī)號(hào)碼。

2.3.2 環(huán)境要素表

環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)表中保存農(nóng)田氣象站采集到的各項(xiàng)環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)，也是最基本的農(nóng)業(yè)園種植區(qū)中的要素?cái)?shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要按照時(shí)間進(jìn)行每分鐘各傳感器采集信息的存儲(chǔ)，在存儲(chǔ)時(shí)需要將時(shí)間作為主鍵進(jìn)行保存，不允許有重復(fù)的分鐘。設(shè)置字段包括ID、時(shí)間、各傳感器要素。

2.3.3 氣象預(yù)警信息表

氣象預(yù)警信息表內(nèi)存儲(chǔ)每次發(fā)布的預(yù)警信息，記錄存儲(chǔ)時(shí)自動(dòng)設(shè)置ID，ID自動(dòng)遞增，并設(shè)置發(fā)布日期字段，發(fā)布后自動(dòng)將發(fā)布的時(shí)間進(jìn)行截取，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。設(shè)置字段包括ID、信息發(fā)布時(shí)間、發(fā)布者用戶名、發(fā)布內(nèi)容。

2.3.4 氣象預(yù)報(bào)信息表

氣象預(yù)報(bào)信息表的存儲(chǔ)與預(yù)警的相同，即每天發(fā)布的預(yù)報(bào)信息，記錄存儲(chǔ)時(shí)自動(dòng)設(shè)置ID，ID自動(dòng)遞增，并設(shè)置發(fā)布日期字段，發(fā)布后自動(dòng)將發(fā)布的時(shí)間進(jìn)行截取，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。設(shè)置字段包括ID、信息發(fā)布時(shí)間、發(fā)布者用戶名、發(fā)布內(nèi)容。

2.3.5 為農(nóng)服務(wù)專報(bào)表

為農(nóng)服務(wù)專報(bào)存儲(chǔ)表存儲(chǔ)發(fā)布的為農(nóng)服務(wù)天氣預(yù)報(bào)或者其它農(nóng)業(yè)相關(guān)的服務(wù)專項(xiàng)。設(shè)置字段包括ID、信息發(fā)布時(shí)間、發(fā)布者用戶名、發(fā)布內(nèi)容。

2.3.6 專家建議信息表

專家建議表存儲(chǔ)農(nóng)業(yè)、氣象等專家根據(jù)本農(nóng)業(yè)園的數(shù)據(jù)、氣象預(yù)報(bào)預(yù)警、各項(xiàng)政策等信息提出的建設(shè)性意見(jiàn)和指導(dǎo)。設(shè)置字段包括ID、信息發(fā)布時(shí)間、發(fā)布者用戶名、發(fā)布內(nèi)容、相關(guān)領(lǐng)域。

2.3.7 農(nóng)業(yè)園區(qū)警報(bào)信息表

農(nóng)業(yè)園警報(bào)表中存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)到的異常數(shù)據(jù)記錄，設(shè)置字段包括ID、警報(bào)名稱、警報(bào)時(shí)間、警報(bào)詳細(xì)內(nèi)容。

2.3.8 政策信息表

政策信息表中存儲(chǔ)政府、農(nóng)業(yè)部門等頒布的政策性措施。設(shè)置字段包括ID、政策名稱、頒布時(shí)間、有效期、政策詳細(xì)內(nèi)容、錄入者用戶名。

2.4 系統(tǒng)前端功能模塊

系統(tǒng)主要功能是為農(nóng)業(yè)園的農(nóng)作提供服務(wù)，首要功能就是滿足農(nóng)作勞動(dòng)者、管理者、農(nóng)業(yè)園經(jīng)營(yíng)者的需求。從農(nóng)業(yè)園對(duì)氣象服務(wù)的要求進(jìn)行功能模塊的設(shè)計(jì)和劃分。系統(tǒng)所提供的服務(wù)皆是圍繞農(nóng)業(yè)，并且旨在提高農(nóng)作物產(chǎn)量，降低人力物力消耗，在滿足生產(chǎn)率的基礎(chǔ)上，盡可能地為勞動(dòng)者減輕負(fù)擔(dān)。

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

2.4.1 實(shí)時(shí)氣象預(yù)警服務(wù)功能

平臺(tái)與氣象服務(wù)緊密結(jié)合的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是獲取實(shí)時(shí)的氣象預(yù)警。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)天氣具有極強(qiáng)的依賴性，最近幾年經(jīng)常出現(xiàn)極端天氣，氣象預(yù)警服務(wù)通過(guò)短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的分析結(jié)果預(yù)測(cè)災(zāi)害，及時(shí)地發(fā)布?xì)庀鬄?zāi)害預(yù)警服務(wù)，避免農(nóng)業(yè)災(zāi)害的出現(xiàn)或者是將可能存在的自然災(zāi)害降到最低值。

2.4.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能

系統(tǒng)的另一大重要功能就是可以對(duì)農(nóng)田進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)現(xiàn)24h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)了解農(nóng)田狀態(tài)，對(duì)氣候信息進(jìn)行及時(shí)處理分析。

2.4.3 氣象預(yù)報(bào)服務(wù)功能

氣象預(yù)報(bào)服務(wù)可以在頁(yè)面最上方以文字形式滾動(dòng)播放，點(diǎn)擊可以在新界面上顯示全文。如有天氣過(guò)程，預(yù)報(bào)欄會(huì)通過(guò)變更背景顏色進(jìn)行顯示，以提醒用戶注意天氣變化。

2.4.4 環(huán)境要素信息查詢功能

提供環(huán)境要素查詢功能，與實(shí)時(shí)監(jiān)控模式不同，實(shí)時(shí)監(jiān)控僅顯示當(dāng)前的各項(xiàng)要素值。本功能可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，提供條件查詢、模糊搜索等功能，方便用戶對(duì)歷史資料進(jìn)行整理，并可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。

2.4.5 環(huán)境警報(bào)功能

對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)要素值發(fā)生突變、超過(guò)各傳感器探測(cè)的極值、數(shù)據(jù)缺失、存儲(chǔ)失敗這類異常時(shí)，立即向相關(guān)用戶進(jìn)行信息推送。

2.4.6 專家指導(dǎo)與時(shí)事政策

專家通過(guò)本功能進(jìn)行農(nóng)業(yè)方面的技術(shù)指導(dǎo)，向農(nóng)民朋友提供技術(shù)支持，解答農(nóng)民的疑問(wèn)。提供最新的農(nóng)業(yè)新聞和與本農(nóng)業(yè)園相關(guān)的最新政策，為農(nóng)民朋友提供了實(shí)時(shí)資訊的學(xué)習(xí)平臺(tái)。

2.4.7 數(shù)據(jù)分析功能

提供數(shù)據(jù)分析功能，用于數(shù)據(jù)的圖形化，可以制作各要素的變化圖和要素之間的關(guān)系計(jì)算圖。通過(guò)圖像可以看出數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和單項(xiàng)要素的變化規(guī)律等，并且圖像可以導(dǎo)出，上傳給專家，使其有針對(duì)性地做出進(jìn)一步分析，并提供有效的方案。

2.5 系統(tǒng)后臺(tái)管理

系統(tǒng)后臺(tái)由管理員進(jìn)行維護(hù)管理操作。需要對(duì)系統(tǒng)以下幾個(gè)部分進(jìn)行管理，包括用戶信息管理、前端各模塊信息管理、系統(tǒng)日志管理。

2.5.1 用戶信息管理

這是后臺(tái)最重要的一個(gè)功能，可以進(jìn)行用戶身份的核實(shí)、審批，對(duì)用戶的權(quán)限、密碼、信息進(jìn)行刪除、修改等操作。只有系統(tǒng)管理員級(jí)別的身份才可以開(kāi)放用戶信息管理功能。

2.5.2 前端各模塊信息管理

對(duì)前端模塊所記錄的信息進(jìn)行增加、修改、刪除的功能。對(duì)實(shí)況氣象預(yù)警、氣象預(yù)報(bào)服務(wù)、環(huán)境要素信息查詢、環(huán)境警報(bào)、專家指導(dǎo)、時(shí)事政策等模塊所涉及的信息進(jìn)行管理，可以對(duì)其中內(nèi)容進(jìn)行修改，是最高級(jí)別的權(quán)限。

2.5.3 系統(tǒng)日志管理

系統(tǒng)運(yùn)行后會(huì)有相關(guān)的日志文件，普通用戶無(wú)權(quán)限進(jìn)入后臺(tái)查看系統(tǒng)日志，僅系統(tǒng)管理員可以進(jìn)行查看。日志記錄的內(nèi)容有各用戶的登錄信息、登錄IP、訪問(wèn)的模塊、進(jìn)行的操作等。管理員可以通過(guò)日志查詢確保系統(tǒng)的安全。

3 結(jié)語(yǔ)

在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展下，各類智慧農(nóng)業(yè)的系統(tǒng)相繼問(wèn)世，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了巨大的技術(shù)支持。在農(nóng)業(yè)信息化的各個(gè)領(lǐng)域，均有很大提升空間，繼續(xù)加大技術(shù)的研發(fā)，向農(nóng)村地區(qū)普及信息化技術(shù)，培養(yǎng)農(nóng)業(yè)信息化人才，讓信息技術(shù)更好地推動(dòng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。