現代農業自動氣象觀測系統的設計與應用

摘要：為了保障糧食安全，提高糧食產量，我們設計了現代農業自動氣象觀測系統。此系統可以實時監測空氣中的溫度和濕度、風向、風速，土壤中的溫度和濕度、降雨量，空氣中的二氧化碳濃度，等等。通過建立一個實時的大氣觀測要素—土壤—農作物長勢的農業自動氣象觀測系統，用于及時掌握農作物的生長環境的變化，有助于農業氣象災害監測實現自動化，減少自然災害帶來的損失，對于建設高標準農田、率先實現農業現代化具有重要意義。

關鍵詞：現代農業氣象觀測系統；氣象災害監測自動化；農業現代化

全球自然災害的頻繁發生，保證糧食安全便成為世界性的議題。隨著我國農業科技的發展，吉林省農業已經進入了高速的發展階段。天氣的觀測更是對農業起著決定性的作用，洪澇災害導致糧食的大面積減產，所以提前了解天氣情況便可減少損失。傳統的農業氣象觀測系統發展得較為緩慢，沒有實現全面的自動化觀測，因此，急需構建全自動化的現代農業氣象觀測?，F代農業自動氣象觀測是指在自然狀態下對農田氣象要素的監測，以目前的監測方式，無法進行實時監測，監測到的信息也無法滿足農業氣象服務，難以提高糧食產量，因此急需設計和應用功能齊全、性能先進的現代農業自動氣象觀測系統。此觀測系統能夠對氣象災害起到實時監測的作用，對保障糧食安全、提高糧食產量、率先實現農業自動氣象觀測有重要意義。

1現代農業自動氣象觀測系統的結構

現代農業自動氣象觀測系統是由主采集器、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、存儲系統和供電系統組成［1］。各個傳感器一起協作，全天候地采集空氣中的溫度和濕度，土壤中的溫度和濕度，風向、風速、降雨量、二氧化碳的濃度，為農作物的生長提供一個實時監測的功能，實現了實時數據自動采集、存儲和應用。現代農業自動氣象觀測系統的主采集器和各分采集器之間采取的是主從結構，采用CAN通信技術?，F代農業自動氣象觀測系統的核心是主采集器，它的主要功能是數據的采集、處理、傳輸和存儲。它主要是由電源、嵌入式處理器、存儲器、時鐘電路、通信接口、指示燈、數字及模擬傳感器接口等多種電路模塊構成［2］。圖1為現代農業自動氣象觀測系統結構圖。

主采集器通過5G/4G的方式傳送給數據處理系統，分采集器采集數據后，將采集到的數據實時傳送給主采集器，并接受主采集器的管理。主采集器起到一個核心的作用。

2現代農業自動氣象觀測系統硬件組成

現代農業自動氣象觀測系統是由傳感器、數據采集器、嵌入式軟件和其他配件組成。嵌入式系統有著低功耗，特別是ARM架構的處理器以低功耗和高能效著稱。實時性、嵌入式處理器通過硬件支持的實時任務調度和中斷處理機制來滿足實時性要求，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功能模塊和高速計算能力，能夠提供出色的計算和圖形處理能力。因此，主采集器可以同時接入其他多個分采集器。

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）能夠感知周圍環境的溫度變化，并將其轉化為電信號輸出。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，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件的電阻率和電阻值或電容量都會發生變化，通過測量這些變化量即可得知環境中的濕度。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量，獲得溫度和濕度的數據更為精確，可以更好地服務于農作物的生長。

2.2土壤溫濕度傳感器

土壤溫度傳感器通常由一個熱敏元件和一個溫度測量電路組成。當土壤溫度變化時，熱敏元件會改變其電阻或電勢差，溫度測量電路負責測量這些變化，并將其轉換為對應的溫度值。土壤濕度傳感器通過測量土壤的電阻值或電容值來判斷土壤中的水分含量。當土壤濕度傳感器探頭插入土壤中時，由于土壤中水分含量的不同，土壤的電阻值或電容值會發生變化。通過測量這些變化，傳感器可以計算出土壤的濕度值。土壤溫度對作物的生長和發育有重要影響，通過土壤溫度傳感器，農民可以實時監測土壤溫度，并根據溫度的變化調整作物的種植和管理策略；土壤濕度是影響作物生長的關鍵因素之一。通過土壤濕度傳感器，人們可以實時監測土壤濕度情況，確保作物得到適宜的水分供應。我們可以在不同的深度接入一些土壤溫濕度傳感器，這樣就可以實時獲取土壤中的溫度、濕度含水量等農業氣象要素，有利于及時掌握農作物生長環境的變化。

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，通過有線或無線的方式接收傳感器發送的數據。首先，接收到的數據經過預處理，包括數據校驗、格式轉換等，以確保數據的準確性和一致性。其次，輻射分傳感器對預處理后的數據進行計算和分析，生成符合數據字典要求的整包數據。最后，輻射分傳感器將整包數據通過通信接口上傳至數據中心或監測站。測量范圍為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范圍為400～700nm的太陽能輻射，一般采用硅光探測器。這部分輻射能夠被植物用于光合作用。當有光照時，產生一個與入射輻射強度成正比的電壓信號，并且其靈敏度與入射光的直射角度的余弦成正比，每臺光合有效輻射表都可以給出各自的靈敏度，并可直接與數字電壓表或數據采集器相連，可在全天候條件下使用，廣泛應用于農業氣象、農作物生長的研究。

2.5圖像傳感器

圖像傳感器是一種把光信號轉變成電信號的設備，結構一般都是由光學鏡頭、感光元件、圖像處理器、控制電路與外圍接口組成。圖像傳感器在現代農業中的應用主要體現在農作物實景自動監測技術中，這項技術利用圖像傳感器捕捉農作物在自然光照條件下的圖像，并通過機器學習、圖像處理技術以及無線多媒體網絡技術，將采集到的圖像傳輸至計算機終端進行分析，圖像通過內置的識別算法提取特征參數，進而反演得到農作物生長特征信息。這使得農業生產者能夠及時了解作物的生長狀況，對作物生長環境進行有效評估，并采取相應措施以提高作物產量和質量。

2.6其他各種傳感器

風向、風速傳感器可以協助農業工作者預測風向和風速的變化，預防農作物因颶風受損。翻斗式雨量傳感器能夠將降雨量轉化為電信號，預防了農作物的洪澇災害，廣泛應用于氣象監測、水文研究、農業灌溉、城市排水等多個領域［3］。氣壓傳感器采用國外壓阻式傳感器的芯片封裝，經精密溫度補償，具有高精度、高靈敏度的特點，可以測量大氣壓力和氣象參數等。二氧化碳傳感器是測量農業生態環境中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測量環境中穩定、精確測量CO2的濃度。紅外溫度傳感器由熱電堆和熱敏電阻構成，兩種探頭都被放置在鋁制導管內，通過探測物體發出的紅外輻射能量來測量其溫度［4］。

2.7通信及供電系統

使用5G/4G無線通信的方式，將數據傳輸到省級區域站軟件或國家級云平臺里，方便數據的存儲與應用。使用太陽能電池和蓄電池（直流12V）結合的方式，以防陰雨天沒有電供應，導致數據無法傳輸。圖2為通信系統鏈接的模擬圖。

3現代農業氣象自動觀測系統的地址選擇要求

觀測地段應選擇在農田區域的作物地段，考慮農業基地、種植大戶等重點服務對象。應與土地使用單位或個人取得聯系，明確要求，保證觀測地段的相對穩定，水改旱、旱改水可能性小，遠離近期和中長期擬建項目用地。站址應代表當地農業產量水平、耕作制度和地形、地勢、土壤和作物類型。觀測地段應遠離河流、水庫等大型水體，盡量減少氣候的影響?，F代農業氣象自動站和土壤水分自動站地下水位深度大于2m。通信與供電：站點位置能滿足太陽能供電和5G/4G/GPRS通信條件。設備維護：安裝環境能夠保證設備安全和維護需要。觀測環境：具備良好的觀測環境，滿足建站環境要求。周圍除觀測作物外，其他物體影子應不會投射到圖像傳感器拍攝的作物區域范圍（電線桿、高層建筑等），因此選址時考慮避開，站點附近沒有強的反光物體。觀測地段盡可能交通便利，便于安裝時設備運往現場。圖3為現代農業氣象自動觀測站選址圖。

4現代農業氣象自動觀測系統的應用

現代農業自動氣象觀測系統可以安裝在玉米和水稻的標準田中，自動觀測系統可以實時監測空氣中的溫度和濕度、風向、風速，土壤中的溫度和濕度、降雨量，空氣中的二氧化碳濃度等環境要素，幫助農戶進行精準監測。通過監測氣象數據，系統能夠預測和預警可能發生的氣象災害，如大風、大雨、降溫，從而幫助農戶及時采取措施，減少損失［5］。當然，現代農業氣象自動觀測設備也可以安裝在進行科學研究的試驗田里，更好地服務于科研人員。自動觀測系統為農業科學研究提供了大量可靠的氣象數據，有助于研究氣候變化對農業生產的影響，推動了農業科學的發展?，F代農業氣象自動觀測系統也可以安裝在水庫、容易山頂滑坡的地理位置，起到一個監控數據的作用。為監測發生洪澇災害，起到一個提前預防的作用，減少人民群眾的財產損失，期間如遇到各種傳感器損壞問題，應及時進行更換，保障農作物順利生長，保障人民財產安全。圖4為現代農業氣象自動觀測系統的應用效果圖。

結語

現代農業自動氣象觀測系統在農業生產中扮演著至關重要的角色，它利用先進的傳感器技術和數據處理技術，為農業生產提供及時、準確的氣象信息。與傳統的人工監測相比，無論是從測量的頻次和準確率上都有大幅提升。系統提供的精準氣象數據有助于農戶對作物制定合適的播種時間、施肥時間、灌溉時間等，實現精準管理，從而提高作物產量和品質；系統也可以通過自動氣象觀測系統及時的預警來采取科學的防范措施，有效降低氣象災害對農業生產造成的損失。此外，自動氣象觀測系統對農業氣象災害監測實現自動化，對于高標準農田建設、率先實現農業現代化具有重要意義。

參考文獻：

［1］趙雪明，詹克磊，鞏力源，等.自動農業氣象觀測系統設計與開發［J］.農業與技術，2020，40（18）：112114.

［2］別致宜，楊曉嶺.DTD4型凍土自動觀測儀的安裝及維護［J］.內蒙古科技與經濟，2023（18）：122124.

［3］閆蓉，安光輝，祁淑梅.SL31型雙翻斗雨量計常見故障以及臺站維護［J］.青海農林科技，2014（02）：8385.

［4］程昌玉，梁海河，王柏林.紅外與鉑電阻地表溫度測值分析對比［J］.氣象科技，2010，38（04）：450455.

［5］胡躍鑫.基于物聯網技術的農業小氣候環境中的研究及其應用［D］.沈陽：沈陽建筑大學，2017.

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