气象信息获取装备与物联网智能服务平台开发

李皓 西北农林科技大学机械与电子工程学院/杨凌乾泰电子科技有限责任公司 张海辉* 西北农林科技大学机械与电子工程学院

邓一飞 西北农林科技大学机械与电子工程学院/杨凌乾泰电子科技有限责任公司

引言

我国的气象灾害具有种类多、分布广、发生频率高、损失差异大的特点，据统计干旱、台风、洪涝、低温等气象灾害每年会造成4000万公顷农田受灾，受灾人口超过2亿，经济损失超过4000亿元。2018年4月5日至7日，突发的一场低温冻害使得西北地区苹果减产严重，据调查延安市富县、洛川县、黄陵县、宝塔区受冻面积711,333.3公顷，重灾面积15,800公顷，预计经济损失超过30亿元，平均减产23%，其中洛川县减产率达到了42%。气象信息作为农业生产指导的第一手资料，气象预报虽然直接为农事作业提供了参考，但是随着现代农业不断发展，种植领域专家知识不断丰富，传统的天气预报信息获取渠道已经严重不能满足当前农业精细化管理的需求，如图1所示。

图1 农气服务存在的困难

国家建立的大规模气象获取装备、系统的监测范围广、数据全面、精度控制较高，但是存在信息壁垒，同时其建设成本高，普通农户、农场很难纳入其监测体系之中；民用气象获取设备、系统应用便捷、易于维护，但精度又难以达到国省气象系统标定的标准要求，以此为数据源所能开展的服务范围仅仅限制于较小的范围，带来的经济效益和社会价值又难以体现。传统的气象为农服务系统虽然多且内容广泛，但是数据源并不统一，而且国省并没有建立起长效的同步机制，服务质量难以保障；随着CIMISS系统的推出，有效解决了数据源问题，但是受限于其数据访问权限集中在气象局内网，其衍生出来的应用产品也多以专业的气象产品为主，数据资源难以普惠广大农户，更未能与农业专家积累的生产知识相互结合。

因此，研究现有的气象信息获取技术并完善拓展用户对气象信息的获取通道，研制一种小型农田气象感知装备，研究当前先进的气象硬件资源与网格预报软件系统，破除信息壁垒，针对不同作物不同生育期的气象条件需求开发精准的主动个性化服务平台，开展基于气象信息的农业生产指导与灾害预警服务试点应用，从而有效对接产业需求，将现代农业、智慧气象与精准服务互相融合，有助于智慧气象的推进，促进我国智慧农业朝着又快又好的方向发展。

1.农业小环境气象信息获取装备设计与开发

结合气象信息监测常用风速风向监测与农业生产实际需求，本文所设计开发的农业小环境气象信息获取装备主要监测因子有以下9种：农业小环境温度、农业小环境湿度、光照强度、二氧化碳、土壤温度、土壤湿度、风速及风向、降雨量，同时为满足室外环境需求，设备增加了自供电太阳能系统，实现设备的快速部署，提高实地应用的便利性，除各类所需监测类型与太阳能自供电系统外，设备融合GPRS技术对监测数据实现自动上传，汇聚至物联网智能服务平台进行后续处理。设备总体设计如图2所示，本文对各个监测模块接口、核心处理模块、数据上传模块、电源模块等关键电路进行了设计开发，同时对小环境监测设备的外形进行了设计制作，完成了整套装备的调试组装，实现了农业小环境各类气象因子的远程实时监测。

图2 设备总体设计

根据系统需求与实际农业生产需求，设备应具备小环境实时高精度监测，同时具备高适用性，方便不同监测环境的快速安装调试。装备的具体技术指标参数如下：

(1）装备监测类型数量：9类；

(2）每类监测类型精度要求：≥0.5%；

(3）监测时间间隔：5min、10min、30min、1h可调；

(4）通讯方式：GPRS、串口；

(5）供电方式；太阳能自供电系统（带蓄电池），兼备市电供电功能；

(6）工作时间：单电池供电 ＞7天；

(7）支持监测数据本地存储功能；

(8）低功耗设计。

2 融合气象信息的物联网智能服务平台开发

融合气象信息的物联网智能服务平台在本文中起到了承上启下的作用，平台能够获取底层设备的基础数据，同时为后续章节的个性化服务提供数据基础支撑，其主要包含三个层次：基础支撑、数据管理、应用服务。其框架结构如图3所示：

基础支撑：通过MUSIC接口获取上报CIMISS系统的基本气象站、区域气象站数据及相关的预报、灾情数据；根据数据收发协议，将本文设计的农业小环境气象信息获取装备上报的环境信息数据拆包解析入库。

数据管理：设计并开发数据库，包括由MUSIC接口获取的气象信息库和由数据解析后入库的物联网环境信息库。

应用服务：设计开发前台用户交互界面，包括实时数据、历史数据、统计分析、气象月报统计等模块。

图3 智能服务平台框架

3 基于气象与农业小环境数据的智能预警与指导服务

基于气象与农业小环境数据的智能预警与指导服务包含了智能气象预警服务与智能生产指导服务，系统框架如图4所示，基于气象数据和农业小环境气象信息获取装备采集的实时数据，系统智能与气象等级定义模块和基于生育期的作物栽培管理知识库中的规则相匹配，依据基于用户需求的主动推送服务处理流程，为用户提供精准、个性化服务。其中气象预警等级定义为暴雨、高温、强降温、大风等4类灾害天气提供了3-4个预警级别，由低到高依次为蓝色、黄色、橙色、红色[11-15]；气象预警个性化定制中可由用户选择关注区域、关注类型、推送方式等个性化需求；基于生育期的作物栽培管理知识库构建过程中，遵循“作物→生长阶段→适宜条件、肥水药知识”步骤，由专家账户完成各类作物的模型构建；生产指导个性化定制由用户选择关注的作物、匹配的采集站点、推送方式等个性化需求。通过设计基于气象与农业小环境数据的智能预警与指导服务，在物联网智能服务平台的通用服务基础上将农业领域专家知识与气象资源相结合，满足个性化服务需求，提供普惠性的农气服务。

图4 主动推送服务系统框架

4 结论

为满足利用气象实时数据、预报数据优势资源，面向我国广大农户、农业生产园区的高效栽培、精准管理、个性服务需求，本文设计了农业小环境气象信息获取装备，开发了融合气象信息的物联网智能服务平台，构建了基于气象与农业小环境数据的智能预警与指导服务。形成的结论有以下4点：

(1）通过CIMISS方式可以获取已经覆盖到各个村镇的基本气象站、区域气象站的实时数据、预报数据，基于已有的气象数据资源能够提供广泛的农气服务。

(2）针对农业小区域设计的气象信息获取装备可以部署于农业园区内部、园艺设施环境之中，能够成为已有气象系统站点的补充，满足精准服务需求。

(3）开发融合气象信息的物联网智能服务平台能够将多个通道获取的气象数据提供公共数据服务，破除以往专用气象系统的信息壁垒。

(4）构建基于气象与农业小环境数据的智能预警与指导服务，基于气象预警规则、农业领域专家知识，能够满足大型园区、中小规模农业生产者的个性化服务需求。