摘要：為了保障糧食安全，提高糧食產(chǎn)量，我們?cè)O(shè)計(jì)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣中的溫度和濕度、風(fēng)向、風(fēng)速，土壤中的溫度和濕度、降雨量，空氣中的二氧化碳濃度，等等。通過(guò)建立一個(gè)實(shí)時(shí)的大氣觀測(cè)要素—土壤—農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)的農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)，用于及時(shí)掌握農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境的變化，有助于農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，減少自然災(zāi)害帶來(lái)的損失，對(duì)于建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田、率先實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)系統(tǒng)；氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)自動(dòng)化；農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化

全球自然災(zāi)害的頻繁發(fā)生，保證糧食安全便成為世界性的議題。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，吉林省農(nóng)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了高速的發(fā)展階段。天氣的觀測(cè)更是對(duì)農(nóng)業(yè)起著決定性的作用，洪澇災(zāi)害導(dǎo)致糧食的大面積減產(chǎn)，所以提前了解天氣情況便可減少損失。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)展得較為緩慢，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全面的自動(dòng)化觀測(cè)，因此，急需構(gòu)建全自動(dòng)化的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象觀測(cè)是指在自然狀態(tài)下對(duì)農(nóng)田氣象要素的監(jiān)測(cè)，以目前的監(jiān)測(cè)方式，無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)到的信息也無(wú)法滿足農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)，難以提高糧食產(chǎn)量，因此急需設(shè)計(jì)和應(yīng)用功能齊全、性能先進(jìn)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)。此觀測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)庀鬄?zāi)害起到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的作用，對(duì)保障糧食安全、提高糧食產(chǎn)量、率先實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象觀測(cè)有重要意義。

1現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)是由主采集器、空氣溫濕分采、土壤溫濕分采、輻射分采、圖像傳感器、其他氣象要素等傳感器、通信系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)和供電系統(tǒng)組成［1］。各個(gè)傳感器一起協(xié)作，全天候地采集空氣中的溫度和濕度，土壤中的溫度和濕度，風(fēng)向、風(fēng)速、降雨量、二氧化碳的濃度，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、存儲(chǔ)和應(yīng)用?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的主采集器和各分采集器之間采取的是主從結(jié)構(gòu)，采用CAN通信技術(shù)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)的核心是主采集器，它的主要功能是數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸和存儲(chǔ)。它主要是由電源、嵌入式處理器、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘電路、通信接口、指示燈、數(shù)字及模擬傳感器接口等多種電路模塊構(gòu)成［2］。圖1為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

主采集器通過(guò)5G/4G的方式傳送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，分采集器采集數(shù)據(jù)后，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給主采集器，并接受主采集器的管理。主采集器起到一個(gè)核心的作用。

2現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)硬件組成

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、嵌入式軟件和其他配件組成。嵌入式系統(tǒng)有著低功耗，特別是ARM架構(gòu)的處理器以低功耗和高能效著稱。實(shí)時(shí)性、嵌入式處理器通過(guò)硬件支持的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度和中斷處理機(jī)制來(lái)滿足實(shí)時(shí)性要求，且嵌入式處理器一般尺寸比較小，適用于各種小尺寸的空間限制。嵌入式處理器也集成了多個(gè)功能模塊和高速計(jì)算能力，能夠提供出色的計(jì)算和圖形處理能力。因此，主采集器可以同時(shí)接入其他多個(gè)分采集器。

2.1空氣溫濕度傳感器

空氣溫度傳感器中的熱敏元件（如熱敏電阻、熱電偶等）能夠感知周圍環(huán)境的溫度變化，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。濕度傳感器主要基于濕敏元件（如濕敏電阻、濕敏電容等）。濕度傳感器是濕敏元件在基片上覆蓋的一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值或電容量都會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量這些變化量即可得知環(huán)境中的濕度。我們可在35cm、45cm、85cm和155cm等高度掛接溫濕度傳感器，這樣可以多層次立體地測(cè)量，獲得溫度和濕度的數(shù)據(jù)更為精確，可以更好地服務(wù)于農(nóng)作物的生長(zhǎng)。

2.2土壤溫濕度傳感器

土壤溫度傳感器通常由一個(gè)熱敏元件和一個(gè)溫度測(cè)量電路組成。當(dāng)土壤溫度變化時(shí)，熱敏元件會(huì)改變其電阻或電勢(shì)差，溫度測(cè)量電路負(fù)責(zé)測(cè)量這些變化，并將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度值。土壤濕度傳感器通過(guò)測(cè)量土壤的電阻值或電容值來(lái)判斷土壤中的水分含量。當(dāng)土壤濕度傳感器探頭插入土壤中時(shí)，由于土壤中水分含量的不同，土壤的電阻值或電容值會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量這些變化，傳感器可以計(jì)算出土壤的濕度值。土壤溫度對(duì)作物的生長(zhǎng)和發(fā)育有重要影響，通過(guò)土壤溫度傳感器，農(nóng)民可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤溫度，并根據(jù)溫度的變化調(diào)整作物的種植和管理策略；土壤濕度是影響作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一。通過(guò)土壤濕度傳感器，人們可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度情況，確保作物得到適宜的水分供應(yīng)。我們可以在不同的深度接入一些土壤溫濕度傳感器，這樣就可以實(shí)時(shí)獲取土壤中的溫度、濕度含水量等農(nóng)業(yè)氣象要素，有利于及時(shí)掌握農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的變化。

2.3輻射分傳感器

輻射分傳感器通常與各種輻射傳感器相連，通過(guò)有線或無(wú)線的方式接收傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)。首先，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)校驗(yàn)、格式轉(zhuǎn)換等，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。其次，輻射分傳感器對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析，生成符合數(shù)據(jù)字典要求的整包數(shù)據(jù)。最后，輻射分傳感器將整包數(shù)據(jù)通過(guò)通信接口上傳至數(shù)據(jù)中心或監(jiān)測(cè)站。測(cè)量范圍為0～1400W/m，相同類型的傳感器具有互換性。

2.4光合有效傳感器

光合有效輻射是指波長(zhǎng)范圍為400～700nm的太陽(yáng)能輻射，一般采用硅光探測(cè)器。這部分輻射能夠被植物用于光合作用。當(dāng)有光照時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)與入射輻射強(qiáng)度成正比的電壓信號(hào)，并且其靈敏度與入射光的直射角度的余弦成正比，每臺(tái)光合有效輻射表都可以給出各自的靈敏度，并可直接與數(shù)字電壓表或數(shù)據(jù)采集器相連，可在全天候條件下使用，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)氣象、農(nóng)作物生長(zhǎng)的研究。

2.5圖像傳感器

圖像傳感器是一種把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的設(shè)備，結(jié)構(gòu)一般都是由光學(xué)鏡頭、感光元件、圖像處理器、控制電路與外圍接口組成。圖像傳感器在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在農(nóng)作物實(shí)景自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)中，這項(xiàng)技術(shù)利用圖像傳感器捕捉農(nóng)作物在自然光照條件下的圖像，并通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像處理技術(shù)以及無(wú)線多媒體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將采集到的圖像傳輸至計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行分析，圖像通過(guò)內(nèi)置的識(shí)別算法提取特征參數(shù)，進(jìn)而反演得到農(nóng)作物生長(zhǎng)特征信息。這使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者能夠及時(shí)了解作物的生長(zhǎng)狀況，對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行有效評(píng)估，并采取相應(yīng)措施以提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量。

2.6其他各種傳感器

風(fēng)向、風(fēng)速傳感器可以協(xié)助農(nóng)業(yè)工作者預(yù)測(cè)風(fēng)向和風(fēng)速的變化，預(yù)防農(nóng)作物因颶風(fēng)受損。翻斗式雨量傳感器能夠?qū)⒔涤炅哭D(zhuǎn)化為電信號(hào)，預(yù)防了農(nóng)作物的洪澇災(zāi)害，廣泛應(yīng)用于氣象監(jiān)測(cè)、水文研究、農(nóng)業(yè)灌溉、城市排水等多個(gè)領(lǐng)域［3］。氣壓傳感器采用國(guó)外壓阻式傳感器的芯片封裝，經(jīng)精密溫度補(bǔ)償，具有高精度、高靈敏度的特點(diǎn)，可以測(cè)量大氣壓力和氣象參數(shù)等。二氧化碳傳感器是測(cè)量農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境中CO2含量的一種智能型一體化探頭。它適用于在苛刻、潮濕的CO2測(cè)量環(huán)境中穩(wěn)定、精確測(cè)量CO2的濃度。紅外溫度傳感器由熱電堆和熱敏電阻構(gòu)成，兩種探頭都被放置在鋁制導(dǎo)管內(nèi)，通過(guò)探測(cè)物體發(fā)出的紅外輻射能量來(lái)測(cè)量其溫度［4］。

2.7通信及供電系統(tǒng)

使用5G/4G無(wú)線通信的方式，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞〖?jí)區(qū)域站軟件或國(guó)家級(jí)云平臺(tái)里，方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與應(yīng)用。使用太陽(yáng)能電池和蓄電池（直流12V）結(jié)合的方式，以防陰雨天沒(méi)有電供應(yīng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸。圖2為通信系統(tǒng)鏈接的模擬圖。

3現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的地址選擇要求

觀測(cè)地段應(yīng)選擇在農(nóng)田區(qū)域的作物地段，考慮農(nóng)業(yè)基地、種植大戶等重點(diǎn)服務(wù)對(duì)象。應(yīng)與土地使用單位或個(gè)人取得聯(lián)系，明確要求，保證觀測(cè)地段的相對(duì)穩(wěn)定，水改旱、旱改水可能性小，遠(yuǎn)離近期和中長(zhǎng)期擬建項(xiàng)目用地。站址應(yīng)代表當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)量水平、耕作制度和地形、地勢(shì)、土壤和作物類型。觀測(cè)地段應(yīng)遠(yuǎn)離河流、水庫(kù)等大型水體，盡量減少氣候的影響?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象自動(dòng)站和土壤水分自動(dòng)站地下水位深度大于2m。通信與供電：站點(diǎn)位置能滿足太陽(yáng)能供電和5G/4G/GPRS通信條件。設(shè)備維護(hù)：安裝環(huán)境能夠保證設(shè)備安全和維護(hù)需要。觀測(cè)環(huán)境：具備良好的觀測(cè)環(huán)境，滿足建站環(huán)境要求。周圍除觀測(cè)作物外，其他物體影子應(yīng)不會(huì)投射到圖像傳感器拍攝的作物區(qū)域范圍（電線桿、高層建筑等），因此選址時(shí)考慮避開(kāi)，站點(diǎn)附近沒(méi)有強(qiáng)的反光物體。觀測(cè)地段盡可能交通便利，便于安裝時(shí)設(shè)備運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)。圖3為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象自動(dòng)觀測(cè)站選址圖。

4現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)可以安裝在玉米和水稻的標(biāo)準(zhǔn)田中，自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣中的溫度和濕度、風(fēng)向、風(fēng)速，土壤中的溫度和濕度、降雨量，空氣中的二氧化碳濃度等環(huán)境要素，幫助農(nóng)戶進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)氣象數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠預(yù)測(cè)和預(yù)警可能發(fā)生的氣象災(zāi)害，如大風(fēng)、大雨、降溫，從而幫助農(nóng)戶及時(shí)采取措施，減少損失［5］。當(dāng)然，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備也可以安裝在進(jìn)行科學(xué)研究的試驗(yàn)田里，更好地服務(wù)于科研人員。自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)為農(nóng)業(yè)科學(xué)研究提供了大量可靠的氣象數(shù)據(jù)，有助于研究氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)科學(xué)的發(fā)展。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)也可以安裝在水庫(kù)、容易山頂滑坡的地理位置，起到一個(gè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的作用。為監(jiān)測(cè)發(fā)生洪澇災(zāi)害，起到一個(gè)提前預(yù)防的作用，減少人民群眾的財(cái)產(chǎn)損失，期間如遇到各種傳感器損壞問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換，保障農(nóng)作物順利生長(zhǎng)，保障人民財(cái)產(chǎn)安全。圖4為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用效果圖。

結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中扮演著至關(guān)重要的角色，它利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供及時(shí)、準(zhǔn)確的氣象信息。與傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)相比，無(wú)論是從測(cè)量的頻次和準(zhǔn)確率上都有大幅提升。系統(tǒng)提供的精準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)有助于農(nóng)戶對(duì)作物制定合適的播種時(shí)間、施肥時(shí)間、灌溉時(shí)間等，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)管理，從而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)；系統(tǒng)也可以通過(guò)自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)及時(shí)的預(yù)警來(lái)采取科學(xué)的防范措施，有效降低氣象災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的損失。此外，自動(dòng)氣象觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，對(duì)于高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、率先實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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*通訊作者：趙雪明（1982—），男，漢族，黑龍江佳木斯人，本科，高級(jí)工程師，主要負(fù)責(zé)新型自動(dòng)氣象站和海島站的研究工作。