基于物聯網的農業氣象監測系統研究

摘 要：為了得到準確、及時的農業氣象波動信息，建立一個基于物聯網為基礎的氣象監測系統成為農業氣象部門的研究重點。傳統的氣象臺通過衛星傳感、雷達站傳感、自動氣象站等站臺監控的方式并不能有效、具體地反映出不同區域的農業氣象信息，為了使得農業氣象監測更加具體化、區域化、實時動態化，就必須建立物聯網氣象監測系統。基于此，本文介紹物聯網與農業氣象結合的可行性，并探究如何構建農業氣象監測系統。

關鍵詞：物聯網；農業氣象；監測系統

隨著電子計算機技術和互聯網技術的不斷發展，繼大數據、云計算技術應用后，物聯網技術快速融入了人們的生活。通過物聯網在農業氣象信息監控中的應用，能夠及時、準確、有針對性地對不同區域的農業氣象參數進行收集和監控，以達到提高預報準確度的效果。

一、物聯網與農業氣象結合的可行性

（一）物聯網的發展以及優點

物聯網可以通過現有的多級節點光纖接入技術來進行組網，也可以利用如今先進的4G甚至5G通訊技術來進行跨地域、跨時空的無線網絡組網。其組網方式還可以利用電力線的載波通信技術來進行智能網絡組網。通過對電力線載波通信的應用，可以減少在組建物聯網過程中的成本支出。

物聯網和互聯網一樣，都需要為網中的每一個對象標注一個可辨識的標記。在互聯網中標記的方法是運用獨立IP的方式來進行組網計算機的標記工作，在每一個IP地址中還包含該計算機的獨有的MAC網卡地址，通過MAC+IP的方式來精確定位互聯網上每一臺計算機的位置。

（二）物聯網在農業氣象監測中應用的可行性

氣象監測工作具有范圍廣、內容多、數據量大的特點，通過在農業氣象監測系統中接入物聯網技術，能夠有效解決農業氣象監測中地理環境復雜、工作強度大、工作時間長的特點。通過計算機技術的引入，能夠大大減少人工成本投入，降低氣象工作人員的工作強度，并提高數據采集的準確性。

物聯網在農業氣象監測中雖然具有許多優點，但是，因為物聯網組網過程中需要投入的成本較大，基建工作比較困難，所以農業氣象接入物聯網工作應根據實際地理環境、實際投入資金來設計執行方案。

二、農業氣象監測系統的構建

（一）電子標簽系統

農業氣象系統接入物聯網的基礎要求是組建一個高效、規范的電子標識系統。只有組建了規范、明確的標識系統，農業氣象數據才能對應地輸入到物聯網的終端中。只有具備了規范、明確的電子標簽，才能準確地對通訊通道中傳來的不同數據進行分類，進行身份識別。

農業氣象信息的分類有很多種，根據不同的氣象性質可以分出多類不同的氣象類型。比如，常見的農田氣象、旱地氣象、農林氣象等，這些不同類型的氣象信息都需要一個明確的電子標識系統來進行標識。一個規范、明確、高效的電子標識系統還能夠對數據的來源、方位、地理位置等參數進行標識，以方便數據在終端進行統計和使用。

根據農業氣象系統在實際環境中的地理分布位置，可以選擇采用RFID電子標簽和固定設備數據包頭結構的方式來標注設備信息。對于布置在固定的農田、林地、魚塘、果園等地域的氣象監測設備，因為其具有固定性，可以在設備系統內部編寫一定的數據包結構，在數據包的開頭注明設備的編號，終端通過編號的信息可以獲得這個編號對應的現實設備位置。

對于可移動的氣象監測設備，可以采用RFID+數據表單編號的方式來進行電子信息標注。比如，在農業氣象監測系統中會用到無人機來進行氣象信息采集，由于無人機具有移動強、變化性較強的特點，可以采用固定的RFID電子標注來對每一臺無人機進行機身標注，通過數據表頭結構的方式來寫入單次任務有關的經緯度、作業時間、作業過程、作業參數和作業結果的數據，通過在系統終端的解碼系統，來獲得每一臺可移動的設備每一次作業的具體信息[1]。

除了RFID+數據表頭結構的方式，還可以使用3S遙感、遙測、遙控技術來對設備進行電子標注。但由于3S技術具有一定的誤差，3S技術的使用應結合RFID技術和數據包表頭編碼技術。只有根據不同的使用情況，使用不同的標注技術，才能真正應對農業氣象跨地域、跨時空、跨領域的復雜性難題。

（二）農業氣象監測系統構建要點

1.傳感器的布置

為了能夠獲得精確的傳感數據，必須在不同的地理位置布置相應的感知層。感知層工作的質量直接由傳感器布設的位置、布設的強度、布設的類型決定。結合農業氣象系統的復雜性，可以構建嵌入式傳感器系統。通過在已有的氣象設備基礎建設上嵌入新型、高精度的傳感器，通過傳感器的智能處理結構，為物聯網在感知層的布設提供物質基礎。

2.傳感器網絡構建

通過設置數據收集層、數據交換層和數據處理終端層來構建傳感器網絡系統。在單片區域的傳感器網絡中，因為考慮到每一個傳感器不需要直接與INTERNET進行數據連接，所以可以采用局域網的方式來進行數據收集。因為傳感器節點的數據只需要上傳到區域的終端電腦上，通過假設VLAN局域網的模式來有效劃分氣象物聯網管理系統區域。每一片區域設置一個數據調節點，匯聚層的網絡節點可以采用ZIGBEE網絡節點模式來有效節省網絡資源支出。在ZigBee網絡節點上，設置能夠進行大數據流吞吐處理的交換機，交換機能夠適應各種網絡協議的處理任務，可以支持一層、二層、三層的不同網絡組建形式，能夠支持OSPF、RIP、支持802.1Q、GVRP等協議[2]。

在傳感器數據收集網絡終端，應設置1臺高性能服務器計算機，服務器計算機應采用Intel E5級別的CPU，采用SSD+機械硬盤組合的硬盤陣列，采用128 GB以上的內存配置，確保有足夠的能力處理從農業氣象傳感器上采集得來的數據。終端設置1臺以上的服務器電腦，應另設1臺服務器作為備用服務器。當其中1臺終端機械出現問題時，能夠及時啟動第二套服務器系統。

3.傳感器通訊協議選擇

農業氣象傳感系統中布置有大量的傳感設備，從傳感設備傳遞過來的數據流量是非常大的。而由于傳感器分布的區域面積過大，不宜采用耗能過大的網絡協議，這里可以采用ZigBee協議中的FFD協議與RFD協議相結合的方式來組建網絡。FFD、RFD有其各自的優點，FFD協議的傳輸能力和速度比RFD更快更強，但是也消耗著更多的資源。RFD雖然傳輸能力不如FFD，但貴在施工成本低廉、架設簡單，在保證基本功能的基礎上，大大減少了支出成本。在組網過程中，應根據實際情況選擇FFD、RFD 2種組網方式來進行傳感器陣列的組網。

三、結語

隨著科技的不斷進步、物聯網技術的不斷成熟，農業氣象系統利用物聯網進行更新升級已是不可逆轉的趨勢，如何利用現有的技術實現農業氣象物聯網化是當下大家應關注的焦點。

參考文獻：

[1]翟俊菁，李必龍，賈香風.基于物聯網技術的農業氣象觀測系統的研究與設計[J].中國農學通報，2016（32）：182-187.

[2]黎貞發，王鐵，宮志宏，等.基于物聯網的日光溫室低溫災害監測預警技術及應用[J].農業工程學報，2013（4）：229-236.