農業園精細化氣象服務系統的設計

高雅潔 閆景鵬 朱漢青

(濟南市章丘區氣象局，山東 濟南 250200)

引言

農業是我國國民經濟發展的基礎，為推動農業的發展，我國也在大力發展農業信息化技術。農業作物的生長環境、各類要素均與氣象有關。科技的進步發展為人們創造了良好的條件，目前可以通過各類傳感器進行環境要素的采集，并且人工干預作物的生長環境，在北方也可以種出南方作物。現可設計農業園精細化氣象服務系統，將農田小氣候站資料同氣象預報預警等各類服務綜合到一個平臺，實現實時監控，及時獲取精準的氣象預報預警和相關的災害預防措施，專家可以通過系統進行遠程指導等，為農業園區作物的生長創造最優的氣象條件。

1 系統硬件設計

本系統硬件主要使用農田氣象站進行環境要素的測量，通過無線網絡進行數據傳輸，將數據傳輸至服務器終端，再通過移動端APP進行各類資料的調用。

1.1 農田氣象站概述

氣象站是用于實時監測環境變化且做出相應預警提示的監測儀器。進行地面氣象監測、儲存和發送監測數據，能夠根據需要將監測數據轉換成氣象信息或編制成表格、曲線等表現形式的地面觀測裝置。農田環境對于農作物的生長有著重要的影響，適宜的氣候、充足的水分能夠促進農作物的生長，并提高產量，相反則會抑制農作物的生長。隨著科學技術的發展，農業科技領域也有了重要的發展，通過田間小氣候氣象站等科學監測手段控制田間的氣候，提升農作物的產量。

1.2 農田氣象站的組成

農田氣象站由數據采集器、溫濕風測量單元、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(太陽能)部件、通信模塊(無線傳輸模塊)、機箱、GPS校時模塊、存儲設備、觀測桿體(或觀測塔)等組成。主要用于完成所在站點多層溫、濕、風的梯度觀測，多層土壤溫濕度的測量，輻射測量，降水觀測，葉面溫度、二氧化碳的測量，及其計算、存儲和數據上傳。所有要素最后都由主采集器獲取，進行標度變換，計算出瞬時氣象值、導出量，統計出最值、極值、最值出現的時間、極值出現的時間。

1.3 農田氣象站通訊模塊

1.3.1 采集數據的傳輸方式

自動氣象站可通過RS485/RS232、以太網、GPRS/4G 3種上傳方式傳輸數據；多數農田氣象站使用無線傳輸通信方式，即使用GPRS。同時計算機可以通過有線和近距離無線的方式同時連接多個氣象站，組成一定規模的監測網絡。

1.3.2 采集數據接入網絡

通信模塊與采集器相連，采集器將采集到的數據通過通訊模塊進行上傳，傳輸到終端服務器。實現將傳感器數據接入到網絡的功能，讓農業園中的數據可以“說話”，之后再通過相應的軟件系統對數據進行分析，讓農業園變得智能化，管理便捷高效化。

2 系統軟件設計

2.1 軟件整體框架設計

系統將農業園中的環境要素通過氣象傳感器進行采集，數據上傳至服務器。根據服務器獲得的數據進行分析處理，為農戶提供精準的操作提示服務。平臺可以及時獲取當地的天氣預報、氣象預警、農業專報等農業氣象服務。用戶通過不同身份登錄系統，獲得相應的權限，可在系統中進行不同的操作。本系統屬于物聯網農業領域應用的范疇，系統架構與物聯網的3層架構體系相同，分為感知層、網絡層、應用層。

圖1 農業園精細化氣象服務系統架構圖

數據網關接收到現場傳感器的數據通過TCP/IP協議與系統的云平臺服務器進行通信，通過利用設計Scoket端口，完成數據的接收與發送。

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業園區的要素情況，無需登錄，可任意瀏覽APP上的各類信息，權限僅限于瀏覽。保留注冊入口，通過注冊進行身份的驗證，通過后可以成為其他身份，進行相應的操作。

2.2.2 專業用戶模塊

農業園區的種植人員、管理人員及其他付費人員可以瀏覽系統中的所有資料，并且可以對數據進行下載。當預報、預警等信息發布時，也可以實時推送給用戶。并且用戶有權限查看園區的實時監控。

2.2.3 管理用戶模塊

氣象部門專家或者專項服務對農業部門專家等用戶負責提供農業園區所在地區的精準氣象服務，具有預報、預警、農業氣象服務等發布的權限。可以對發布的資訊和服務產品進行審核、修改、刪除等操作。

2.2.4 決策用戶模塊

政府減災辦、環保、農業農村專項服務部門等用戶可以在系統上發布當地的農業決策、為農服務政策，提供最新的政策信息，為農業園的發展提供政策的支持保障，使農業園可以適時根據政策進行相應的整改。

2.3 數據庫設計

數據庫分為以下方面進行數據保存，采用MySQL數據庫進行存儲。

2.3.1 用戶數據表

用戶數據表根據用戶的身份不同進行管理，需要錄入ID、用戶名、密碼、手機號、身份權限信息。每次登錄時通過驗證身份權限信息對用戶分配操作相應的操作權限。設置字段包括ID、用戶名、密碼、身份權限、手機號碼。

2.3.2 環境要素表

環境要素數據表中保存農田氣象站采集到的各項環境要素數據，也是最基本的農業園種植區中的要素數據，這些數據需要按照時間進行每分鐘各傳感器采集信息的存儲，在存儲時需要將時間作為主鍵進行保存，不允許有重復的分鐘。設置字段包括ID、時間、各傳感器要素。

2.3.3 氣象預警信息表

氣象預警信息表內存儲每次發布的預警信息，記錄存儲時自動設置ID，ID自動遞增，并設置發布日期字段，發布后自動將發布的時間進行截取，存入數據庫中。設置字段包括ID、信息發布時間、發布者用戶名、發布內容。

2.3.4 氣象預報信息表

氣象預報信息表的存儲與預警的相同，即每天發布的預報信息，記錄存儲時自動設置ID，ID自動遞增，并設置發布日期字段，發布后自動將發布的時間進行截取，存入數據庫中。設置字段包括ID、信息發布時間、發布者用戶名、發布內容。

2.3.5 為農服務專報表

為農服務專報存儲表存儲發布的為農服務天氣預報或者其它農業相關的服務專項。設置字段包括ID、信息發布時間、發布者用戶名、發布內容。

2.3.6 專家建議信息表

專家建議表存儲農業、氣象等專家根據本農業園的數據、氣象預報預警、各項政策等信息提出的建設性意見和指導。設置字段包括ID、信息發布時間、發布者用戶名、發布內容、相關領域。

2.3.7 農業園區警報信息表

農業園警報表中存儲監測到的異常數據記錄，設置字段包括ID、警報名稱、警報時間、警報詳細內容。

2.3.8 政策信息表

政策信息表中存儲政府、農業部門等頒布的政策性措施。設置字段包括ID、政策名稱、頒布時間、有效期、政策詳細內容、錄入者用戶名。

2.4 系統前端功能模塊

系統主要功能是為農業園的農作提供服務，首要功能就是滿足農作勞動者、管理者、農業園經營者的需求。從農業園對氣象服務的要求進行功能模塊的設計和劃分。系統所提供的服務皆是圍繞農業，并且旨在提高農作物產量，降低人力物力消耗，在滿足生產率的基礎上，盡可能地為勞動者減輕負擔。

圖2 系統功能模塊圖

2.4.1 實時氣象預警服務功能

平臺與氣象服務緊密結合的一個重要環節就是獲取實時的氣象預警。農業生產對天氣具有極強的依賴性，最近幾年經常出現極端天氣，氣象預警服務通過短時臨近預報的分析結果預測災害，及時地發布氣象災害預警服務，避免農業災害的出現或者是將可能存在的自然災害降到最低值。

2.4.2 遠程監控功能

系統的另一大重要功能就是可以對農田進行實時監控，實現農田的實時監測。實現24h實時監測，可以及時了解農田狀態，對氣候信息進行及時處理分析。

2.4.3 氣象預報服務功能

氣象預報服務可以在頁面最上方以文字形式滾動播放，點擊可以在新界面上顯示全文。如有天氣過程，預報欄會通過變更背景顏色進行顯示，以提醒用戶注意天氣變化。

2.4.4 環境要素信息查詢功能

提供環境要素查詢功能，與實時監控模式不同，實時監控僅顯示當前的各項要素值。本功能可以對歷史數據進行查詢，提供條件查詢、模糊搜索等功能，方便用戶對歷史資料進行整理，并可以實現數據導出功能。

2.4.5 環境警報功能

對環境數據實時監測，當要素值發生突變、超過各傳感器探測的極值、數據缺失、存儲失敗這類異常時，立即向相關用戶進行信息推送。

2.4.6 專家指導與時事政策

專家通過本功能進行農業方面的技術指導，向農民朋友提供技術支持，解答農民的疑問。提供最新的農業新聞和與本農業園相關的最新政策，為農民朋友提供了實時資訊的學習平臺。

2.4.7 數據分析功能

提供數據分析功能，用于數據的圖形化，可以制作各要素的變化圖和要素之間的關系計算圖。通過圖像可以看出數據之間的關系和單項要素的變化規律等，并且圖像可以導出，上傳給專家，使其有針對性地做出進一步分析，并提供有效的方案。

2.5 系統后臺管理

系統后臺由管理員進行維護管理操作。需要對系統以下幾個部分進行管理，包括用戶信息管理、前端各模塊信息管理、系統日志管理。

2.5.1 用戶信息管理

這是后臺最重要的一個功能，可以進行用戶身份的核實、審批，對用戶的權限、密碼、信息進行刪除、修改等操作。只有系統管理員級別的身份才可以開放用戶信息管理功能。

2.5.2 前端各模塊信息管理

對前端模塊所記錄的信息進行增加、修改、刪除的功能。對實況氣象預警、氣象預報服務、環境要素信息查詢、環境警報、專家指導、時事政策等模塊所涉及的信息進行管理，可以對其中內容進行修改，是最高級別的權限。

2.5.3 系統日志管理

系統運行后會有相關的日志文件，普通用戶無權限進入后臺查看系統日志，僅系統管理員可以進行查看。日志記錄的內容有各用戶的登錄信息、登錄IP、訪問的模塊、進行的操作等。管理員可以通過日志查詢確保系統的安全。

3 結語

在農業現代化技術和物聯網技術的發展下，各類智慧農業的系統相繼問世，為農業生產提供了巨大的技術支持。在農業信息化的各個領域，均有很大提升空間，繼續加大技術的研發，向農村地區普及信息化技術，培養農業信息化人才，讓信息技術更好地推動農業經濟發展。