农业园精细化气象服务系统设计研究

　　摘要:自动气象站目前广泛应用于气象、水文、农业和环保等领域，其可以监测地面降雨和空气温度等气象要素，可以在无人值守的恶劣环境下全天候全自动正常运行。农业园精细化气象服务系统结合了自动气象站和气象服务进行设计，该系统可将区域内的多个农田小气候自动气象观测站通过无线或有线网络组成观测系统，获取并分析农田小气候相关气象要素。系统可以及时获取气象预报和预警服务，并结合本农业园区的情况智能分析提供应对措施，将损失降低到最小，为农业种植和设施农业提供技术支持，合理地指导农业活动的开展。

　　关键词:农业园;农业气象;传感器技术;物联网;智慧农业

　　农业是我国国民经济发展的基础，为推动农业的发展，我国也在大力发展农业信息化技术。农业作物的生长环境、各类要素均与气象有关。科技的进步发展为人们创造了良好的条件，目前可以通过各类传感器进行环境要素的采集，并且人工干预作物的生长环境，在北方也可以种出南方作物。现可设计农业园精细化气象服务系统，将农田小气候站资料同气象预报预警等各类服务综合到一个平台，实现实时监控，及时获取精准的气象预报预警和相关的灾害预防措施，专家可以通过系统进行远程指导等，为农业园区作物的生长创造最优的气象条件。

　　1系统硬件设计

　　本系统硬件主要使用农田气象站进行环境要素的测量，通过无线网络进行数据传输，将数据传输至服务器终端，再通过移动端APP进行各类资料的调用。

　　1.1农田气象站概述

　　气象站是用于实时监测环境变化且做出相应预警提示的监测仪器。进行地面气象监测、储存和发送监测数据，能够根据需要将监测数据转换成气象信息或编制成表格、曲线等表现形式的地面观测装置。农田环境对于农作物的生长有着重要的影响，适宜的气候、充足的水分能够促进农作物的生长，并提高产量，相反则会抑制农作物的生长。随着科学技术的发展，农业科技领域也有了重要的发展，通过田间小气候气象站等科学监测手段控制田间的气候，提升农作物的产量。

　　1.2农田气象站的组成

　　农田气象站由数据采集器、温湿风测量单元、铂电阻地温传感器、土壤水分传感器、总辐射传感器、光和有效传感器、净辐射传感器、冠层温度(红外)传感器、二氧化碳传感器、电源(太阳能)部件、通信模块(无线传输模块)、机箱、GPS校时模块、存储设备、观测杆体(或观测塔)等组成。主要用于完成所在站点多层温、湿、风的梯度观测，多层土壤温湿度的测量，辐射测量，降水观测，叶面温度、二氧化碳的测量，及其计算、存储和数据上传。所有要素最后都由主采集器获取，进行标度变换，计算出瞬时气象值、导出量，统计出最值、极值、最值出现的时间、极值出现的时间。

　　1.3农田气象站通讯模块

　　1.3.1采集数据的传输方式自动气象站可通过ＲS485/ＲS232、以太网、GPＲS/4G3种上传方式传输数据;多数农田气象站使用无线传输通信方式，即使用GPＲS。同时计算机可以通过有线和近距离无线的方式同时连接多个气象站，组成一定规模的监测网络。1.3.2采集数据接入网络通信模块与采集器相连，采集器将采集到的数据通过通讯模块进行上传，传输到终端服务器。实现将传感器数据接入到网络的功能，让农业园中的数据可以“说话”，之后再通过相应的软件系统对数据进行分析，让农业园变得智能化，管理便捷高效化。

　　2系统软件设计86

　　2.1软件整体框架设计

　　系统将农业园中的环境要素通过气象传感器进行采集，数据上传至服务器。根据服务器获得的数据进行分析处理，为农户提供精准的操作提示服务。平台可以及时获取当地的天气预报、气象预警、农业专报等农业气象服务。用户通过不同身份登录系统，获得相应的权限，可在系统中进行不同的操作。本系统属于物联网农业领域应用的范畴，系统架构与物联网的3层架构体系相同，分为感知层、网络层、应用层。数据网关接收到现场传感器的数据通过TCP/IP协议与系统的云平台服务器进行通信，通过利用设计Scoket端口，完成数据的接收与发送。

　　2.2用户管理模块

　　2.2.1公众用户模块普通用户模块向公众展示本农业园区的要素情况，无需登录，可任意浏览APP上的各类信息，权限仅限于浏览。保留注册入口，通过注册进行身份的验证，通过后可以成为其他身份，进行相应的操作。2.2.2专业用户模块农业园区的种植人员、管理人员及其他付费人员可以浏览系统中的所有资料，并且可以对数据进行下载。当预报、预警等信息发布时，也可以实时推送给用户。并且用户有权限查看园区的实时监控。2.2.3管理用户模块气象部门专家或者专项服务对农业部门专家等用户负责提供农业园区所在地区的精准气象服务，具有预报、预警、农业气象服务等发布的权限。可以对发布的资讯和服务产品进行审核、修改、删除等操作。2.2.4决策用户模块政府减灾办、环保、农业农村专项服务部门等用户可以在系统上发布当地的农业决策、为农服务政策，提供最新的政策信息，为农业园的发展提供政策的支持保障，使农业园可以适时根据政策进行相应的整改。

　　2.3数据库设计

　　数据库分为以下方面进行数据保存，采用MySQL数据库进行存储。2.3.1用户数据表用户数据表根据用户的身份不同进行管理，需要录入ID、用户名、密码、手机号、身份权限信息。每次登录时通过验证身份权限信息对用户分配操作相应的操作权限。设置字段包括ID、用户名、密码、身份权限、手机号码。2.3.2环境要素表环境要素数据表中保存农田气象站采集到的各项环境要素数据，也是最基本的农业园种植区中的要素数据，这些数据需要按照时间进行每分钟各传感器采集信息的存储，在存储时需要将时间作为主键进行保存，不允许有重复的分钟。设置字段包括ID、时间、各传感器要素。2.3.3气象预警信息表气象预警信息表内存储每次发布的预警信息，记录存储时自动设置ID，ID自动递增，并设置发布日期字段，发布后自动将发布的时间进行截取，存入数据库中。设置字段包括ID、信息发布时间、发布者用户名、发布内容。2.3.4气象预报信息表气象预报信息表的存储与预警的相同，即每天发布的预报信息，记录存储时自动设置ID，ID自动递增，并设置发布日期字段，发布后自动将发布的时间进行截取，存入数据库中。设置字段包括ID、信息发布时间、发布者用户名、发布内容。2.3.5为农服务专报表为农服务专报存储表存储发布的为农服务天气预报或者其它农业相关的服务专项。设置字段包括ID、信息发布时间、发布者用户名、发布内容。2.3.6专家建议信息表专家建议表存储农业、气象等专家根据本农业园的数据、气象预报预警、各项政策等信息提出的建设性意见和指导。设置字段包括ID、信息发布时间、发布者用户名、发布内容、相关领域。2.3.7农业园区警报信息表农业园警报表中存储监测到的异常数据记录，设置字段包括ID、警报名称、警报时间、警报详细内容。2.3.8政策信息表政策信息表中存储政府、农业部门等颁布的政策性措施。设置字段包括ID、政策名称、颁布时间、有效期、政策详细内容、录入者用户名。

　　2.4系统前端功能模块

　　系统主要功能是为农业园的农作提供服务，首要功能就是满足农作劳动者、管理者、农业园经营者的需求。从农业园对气象服务的要求进行功能模块的设96计和划分。系统所提供的服务皆是围绕农业，并且旨在提高农作物产量，降低人力物力消耗，在满足生产率的基础上，尽可能地为劳动者减轻负担。2.4.1实时气象预警服务功能平台与气象服务紧密结合的一个重要环节就是获取实时的气象预警。农业生产对天气具有极强的依赖性，最近几年经常出现极端天气，气象预警服务通过短时临近预报的分析结果预测灾害，及时地发布气象灾害预警服务，避免农业灾害的出现或者是将可能存在的自然灾害降到最低值。2.4.2远程监控功能系统的另一大重要功能就是可以对农田进行实时监控，实现农田的实时监测。实现24h实时监测，可以及时了解农田状态，对气候信息进行及时处理分析。2.4.3气象预报服务功能气象预报服务可以在页面最上方以文字形式滚动播放，点击可以在新界面上显示全文。如有天气过程，预报栏会通过变更背景颜色进行显示，以提醒用户注意天气变化。2.4.4环境要素信息查询功能提供环境要素查询功能，与实时监控模式不同，实时监控仅显示当前的各项要素值。本功能可以对历史数据进行查询，提供条件查询、模糊搜索等功能，方便用户对历史资料进行整理，并可以实现数据导出功能。2.4.5环境警报功能对环境数据实时监测，当要素值发生突变、超过各传感器探测的极值、数据缺失、存储失败这类异常时，立即向相关用户进行信息推送。2.4.6专家指导与时事政策专家通过本功能进行农业方面的技术指导，向农民朋友提供技术支持，解答农民的疑问。提供最新的农业新闻和与本农业园相关的最新政策，为农民朋友提供了实时资讯的学习平台。2.4.7数据分析功能提供数据分析功能，用于数据的图形化，可以制作各要素的变化图和要素之间的关系计算图。通过图像可以看出数据之间的关系和单项要素的变化规律等，并且图像可以导出，上传给专家，使其有针对性地做出进一步分析，并提供有效的方案。

　　2.5系统后台管理

　　系统后台由管理员进行维护管理操作。需要对系统以下几个部分进行管理，包括用户信息管理、前端各模块信息管理、系统日志管理。2.5.1用户信息管理这是后台最重要的一个功能，可以进行用户身份的核实、审批，对用户的权限、密码、信息进行删除、修改等操作。只有系统管理员级别的身份才可以开放用户信息管理功能。2.5.2前端各模块信息管理对前端模块所记录的信息进行增加、修改、删除的功能。对实况气象预警、气象预报服务、环境要素信息查询、环境警报、专家指导、时事政策等模块所涉及的信息进行管理，可以对其中内容进行修改，是最高级别的权限。2.5.3系统日志管理系统运行后会有相关的日志文件，普通用户无权限进入后台查看系统日志，仅系统管理员可以进行查看。日志记录的内容有各用户的登录信息、登录IP、访问的模块、进行的操作等。管理员可以通过日志查询确保系统的安全。

　　3结语

　　在农业现代化技术和物联网技术的发展下，各类智慧农业的系统相继问世，为农业生产提供了巨大的技术支持。在农业信息化的各个领域，均有很大提升空间，继续加大技术的研发，向农村地区普及信息化技术，培养农业信息化人才，让信息技术更好地推动农业经济发展。

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　　作者：高雅洁 闫景鹏 朱汉青 单位：济南市章丘区气象局