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        基于云計算的智慧氣象農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)

        2016-01-02 02:01:23武斐斐劉云倫鄭軼劉春濤
        移動信息 2016年3期
        關(guān)鍵詞:氣象監(jiān)控智慧

        武斐斐 劉云倫 鄭軼 劉春濤

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        基于云計算的智慧氣象農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)

        武斐斐 劉云倫 鄭軼 劉春濤

        青島市嶗山區(qū)氣象局,山東 青島 266000

        我國是個災(zāi)害多發(fā)的國家,在頻繁發(fā)生的自然災(zāi)害中,氣象災(zāi)害約占70%,每年都給國民經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失。對設(shè)施農(nóng)業(yè)影響較大的氣象災(zāi)害主要包括暴雨、風(fēng)災(zāi)、雪害、陰雨寡照、低溫凍害等。為有效利用氣象資源,減小氣象災(zāi)害對設(shè)施農(nóng)業(yè)的影響,我們在青島市氣象局設(shè)施農(nóng)業(yè)基地實(shí)驗(yàn)開發(fā)了一套基于云計算的智慧氣象農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。智慧氣象觀測系統(tǒng)依托部署在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)小區(qū)域內(nèi)多點(diǎn)連續(xù)測定土壤溫濕、空氣溫濕、二氧化碳、水質(zhì)及含氧量等要素。通過智慧氣象云平臺實(shí)時監(jiān)測和記錄與種植、養(yǎng)殖相關(guān)的大環(huán)境和小氣候因子,并以此為基礎(chǔ)建立其生長環(huán)境數(shù)據(jù)庫,研究和篩選最佳環(huán)境因子組合,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智能預(yù)警、智能分析和智能決策。

        云計算;氣象農(nóng)業(yè);生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

        1 氣象在智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控中的應(yīng)用

        1.1 氣象與地理信息系統(tǒng)

        氣象條件對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動都有很大的影響[1]。而我國幅員遼闊,不同地域的氣象條件又千差萬別。比如在對江南早稻育秧期有影響的春季低溫連陰雨,對晚稻抽穗楊花有影響的寒露風(fēng),北方冬麥區(qū)的小麥干熱風(fēng),對水稻、高粱、玉米和大豆等有影響的東北夏季低溫。對農(nóng)作物收獲有影響的華南及江淮秋雨和干旱、雨澇、霜凍、高溫、冰雹、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣。即使是在我們青島市這一相對較小的地域空間內(nèi),也存在南北地域、沿海與內(nèi)陸、山地與平原的地理因素差距。這些地理因素的差異,同樣使得我們的氣候條件存在不同。因此,這些氣候狀況則需要我們從地理上加以區(qū)分。結(jié)合地理信息的數(shù)據(jù),認(rèn)識和掌握當(dāng)?shù)氐奶鞖鈿夂蛞?guī)律,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)預(yù)先進(jìn)行分析、決策、指導(dǎo),積極采取防御措施趨利避害,是非常重要的。

        建立更加開放的氣象信息可視化平臺,地方的氣象部門由于人才、經(jīng)費(fèi)等投入不足,資料工作特別是歷史資料信息化和管理工作明顯滯后,諸多氣象資料尚為進(jìn)行數(shù)字化和信息化,許多紙質(zhì)檔案急需搶救和修復(fù)。采用圖形化的數(shù)據(jù)處理技術(shù),結(jié)合GIS等圖形處理系統(tǒng)開發(fā)可視化的數(shù)據(jù)產(chǎn)品在氣候資料和氣象科技檔案領(lǐng)域基本處于空白。隨著國家對氣象科學(xué)的投入逐步加大,昔日的這些難題得以解決,大量的歷史數(shù)據(jù)入庫、歸檔、分類整理以后,所面臨的下一階段任務(wù)就是數(shù)據(jù)的可視化工程。雖然從氣象專業(yè)的角度來說,目前的業(yè)務(wù)系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿足日常工作的需要,但是考慮到我們所服務(wù)的對象是各層次各行業(yè)廣大的非氣象工作人員,因此如何來滿足大眾的氣象資料需求是非常重要的。

        1.2 氣象行業(yè)應(yīng)用及其關(guān)鍵技術(shù)

        整個平臺完成一個分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu),將此架構(gòu)和農(nóng)業(yè)氣象大數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合。用戶可以在不了解分布式底層細(xì)節(jié)的情況下,開發(fā)分布式程序。充分利用集群的威力高速運(yùn)算和存儲。實(shí)現(xiàn)了一個分布式文件系統(tǒng),HDFS。HDFS有著高容錯性的特點(diǎn),并且設(shè)計用來部署在普通的信息服務(wù)器上。而且它提供高傳輸率來訪問氣象設(shè)備中的應(yīng)用程序的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)超大農(nóng)業(yè)氣象數(shù)據(jù)集的應(yīng)用程序。

        農(nóng)業(yè)氣象版的CloudStack是一個開源的具有高可用性及擴(kuò)展性的云計算平臺。在開源的基礎(chǔ)上,完成農(nóng)業(yè)氣象信息云計算的二次開發(fā)。實(shí)現(xiàn)加速高伸縮性的公共和私有云(IaaS)的部署、管理、配置。

        農(nóng)業(yè)氣象信息云計算共享平臺和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商可以快速、輕松地建立在其現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施提供云服務(wù)的需求,彈性云計算服務(wù)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用戶(包括現(xiàn)場設(shè)備、下級數(shù)據(jù)中心、現(xiàn)場管理中心)可以充分利用云計算提供更高的效率,無限的規(guī)模和更快地部署新農(nóng)業(yè)模型服務(wù)和系統(tǒng)的最終用戶??梢宰屴r(nóng)業(yè)生產(chǎn)用戶快速和方便地在現(xiàn)有的架構(gòu)上建立自己的農(nóng)作物生產(chǎn)模型服務(wù)??梢詭椭脩舾玫貐f(xié)調(diào)服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源,從而構(gòu)建一個IaaS平臺。

        2 平臺的設(shè)計

        系統(tǒng)主要分為兩部分控制區(qū)域:

        (1)系統(tǒng)導(dǎo)航區(qū),仿照微軟的Windows XP操作系統(tǒng),用戶通過按鍵完成整個系統(tǒng)的導(dǎo)航,保證系統(tǒng)的人機(jī)交互性,提供用戶的體驗(yàn)滿意度[2]。

        (2)GIS地圖展示、控制區(qū),其中包括種植區(qū)域管理,從站數(shù)據(jù)管理,灌溉管道,泵站信息管理,電動閥信息管理幾部分。

        種植區(qū)域信息采集、電磁閥采集、噴帶信息采集。在GIS平臺的左上角選擇采集模式,用戶就可以在GIS平臺上繪制自己的想要的灌區(qū)、噴灌帶等線性標(biāo)示,也可以添加圖釘按鈕標(biāo)注電動閥等坐標(biāo)點(diǎn)信息。下圖是采集噴灌帶的操作,直接在地圖上繪制即可。同時還包括泵站信息管理、電動閥信息管理等。

        數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,實(shí)時的將20路采集器的數(shù)據(jù)同步到服務(wù)器后臺,在系統(tǒng)上可以按照設(shè)備、時間進(jìn)行檢索,顯示出一臺設(shè)備的具體的采集信息,包括光照、二氧化碳、空氣溫濕度、土壤溫濕度。以報表的是形式展示出來。

        系統(tǒng)中為作物種植專家添加了系統(tǒng)設(shè)置權(quán)限,專家登錄后可以將自己的擅長的物種生長習(xí)性量化成各種數(shù)據(jù)指標(biāo)后輸入到系統(tǒng),其中包括:空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照、二氧化碳。系統(tǒng)會自動根據(jù)當(dāng)前的農(nóng)業(yè)氣象信息(同步當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)氣象局的數(shù)據(jù)庫信息)的情況,進(jìn)行智能的控制,同時也可以進(jìn)行人工控制的決策支持。系統(tǒng)通過圖表可以直觀的展示出專家系統(tǒng)的實(shí)際效果,綠色的橫線是專家設(shè)定的理想空氣溫度值,紅色的折線是實(shí)際采集空氣溫度的數(shù)據(jù),當(dāng)系統(tǒng)開啟自動控制時,實(shí)際采集的數(shù)據(jù)會圍繞設(shè)定值上下波動,波動的幅度會越來越小,最終接近理想值,但是由于種植現(xiàn)場的實(shí)際情況,有時會發(fā)生數(shù)據(jù)的波動,都會第一時間反映到圖表上。

        以黃瓜為例,黃瓜的適宜生長的空氣溫度24℃,系統(tǒng)輸入后,選擇自動控制。系統(tǒng)會跟進(jìn)設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備的自動調(diào)控,當(dāng)采集器的溫度超過24℃后,服務(wù)器給控制器發(fā)送指令,打開風(fēng)機(jī),降低溫度;當(dāng)溫度低于24℃時關(guān)閉通風(fēng)口,保證溫度上升。達(dá)到最適宜黃瓜生長的溫度。完成植物最佳的生長的卡爾文循環(huán)。

        系統(tǒng)的核心是指實(shí)時地獲取地塊中每個小區(qū)土壤、農(nóng)作物的信息,診斷作物的長勢和產(chǎn)量在空間上差異的原因,并按每一個小區(qū)做出決策,準(zhǔn)確地在每一個小區(qū)上進(jìn)行灌溉、施肥、噴藥,以達(dá)到最大限度的提高水、肥和殺蟲劑的利用效率,增加產(chǎn)量,減少環(huán)境污染的目的。

        3 平臺的應(yīng)用

        目前,我們正在青島市設(shè)施農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地進(jìn)行相關(guān)的課題研究,通過氣象資料的共享,平臺的建立,實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)暖棚的智慧氣象農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控,我們的基地管理者只需坐在辦公室,通過對氣象數(shù)據(jù)的分析,就可以實(shí)現(xiàn)對暖棚通風(fēng)、增氧、灌溉等的智能控制,如果對相關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有疑問,我們還可以在線請教相關(guān)氣象和農(nóng)業(yè)專家,減少了基地人員的工作量,提高了生產(chǎn)效率。我們在今年基地暖棚的播種前期,向管理人員提供了設(shè)施農(nóng)業(yè)蔬菜發(fā)育指標(biāo),對暖棚的播種提出了合理的規(guī)劃方案,以便后期對暖棚更好的實(shí)現(xiàn)智慧生產(chǎn)監(jiān)控,提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。我們將實(shí)時監(jiān)控作物的生長發(fā)育,通過智慧生產(chǎn)監(jiān)控平臺,適時發(fā)布天氣專報,對實(shí)驗(yàn)暖棚的作物有影響的天氣,如,大風(fēng)、雷電、冰雹、暴雨、寒潮、暴雪等我們將提前發(fā)出預(yù)警,在線通知基地管理者,并給出防御指南,把損失降到最低。通過設(shè)施基地實(shí)驗(yàn),我們實(shí)現(xiàn)了氣象對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的直通式服務(wù),真正使氣象應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn),為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。后期,我們將通過智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控平臺的進(jìn)一步完善,結(jié)合我們的農(nóng)業(yè)專家和氣象專家,對設(shè)施農(nóng)業(yè)作物進(jìn)行更深入的研究,通過平臺推廣我們的研究成果,降低生產(chǎn)和監(jiān)控成本,提高農(nóng)作物產(chǎn)量,給設(shè)施農(nóng)業(yè)種植大戶提供更為合理和有效的農(nóng)業(yè)和氣象服務(wù),以便在青島本地特色效益農(nóng)業(yè)和休閑觀光農(nóng)業(yè)等方面實(shí)現(xiàn)對此平臺的推廣應(yīng)用。

        4 結(jié)論

        對基于云計算的智慧農(nóng)業(yè)氣象生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用做了介紹,智慧氣象為農(nóng)服務(wù)項目主要集合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、3S技術(shù)及涉農(nóng)專家智慧,結(jié)合青島市設(shè)施農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)的要求,以設(shè)立智慧氣象為農(nóng)服務(wù)示范區(qū),發(fā)展青島本地特色效益農(nóng)業(yè)和休閑觀光農(nóng)業(yè)的形式實(shí)施推廣,因此該系統(tǒng)的研發(fā)具有經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,其應(yīng)用前景廣闊。

        [1]劉曉曉.氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)的時空特征分析與建模研究[J].河南大學(xué),2009(4):104-107.

        [2]李振英.氣候變化對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2014(21):39-40.

        武斐斐(1983-),女,漢族,山東青島人,本科學(xué)歷,助理工程師,青島市嶗山區(qū)氣象局。

        TP3;TP391.48

        A

        1009-6434(2016)03-0067-02

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