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(1.湖州市氣象局，浙江 湖州 313000; 2.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院，南京 210044;3.浙江省氣候中心，杭州 310017)

0 引言

茶葉是我國南方主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，其有著種植面積廣、產(chǎn)量大等特點(diǎn)。隨著全球氣候變暖，極端天氣氣候事件日益增多，氣象災(zāi)害導(dǎo)致茶葉產(chǎn)量驟減、品質(zhì)降低等，對(duì)茶葉生產(chǎn)造成的損失往往十分巨大[1]，可以說茶葉生產(chǎn)與氣象的關(guān)系越來越密切[2-4]。所以對(duì)茶園環(huán)境實(shí)時(shí)可視化的監(jiān)測并預(yù)測氣象災(zāi)害發(fā)生及預(yù)警，能夠很大程度上減少茶農(nóng)的經(jīng)濟(jì)損失，提高茶葉產(chǎn)量和品質(zhì)。

國內(nèi)針對(duì)茶園氣象信息的監(jiān)測預(yù)警方法和案例研究較多，何敏[5]針對(duì)倒春寒引起的茶葉凍害，利用ZigBee模塊和溫濕度傳感器，并結(jié)合Mapinfo和串口通信技術(shù)，開發(fā)了茶園環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測與防凍預(yù)警系統(tǒng)；王敏[6]針對(duì)丘陵地區(qū)春季低溫災(zāi)害頻發(fā)、茶園氣溫分布差異大、監(jiān)測預(yù)警技術(shù)落后等問題，開展了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的丘陵茶園春季低溫災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用研究，并設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的茶園低溫災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)；楊志勇等[7]采用ATmega128和CC2420芯片設(shè)計(jì)了一套監(jiān)測茶園空氣溫、濕度和土壤水分含量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。王衛(wèi)星等[8]針對(duì)茶園中所存在的無線通信障礙問題，設(shè)計(jì)了一套適用于茶園信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)茶園的環(huán)境溫度、空氣濕度和土壤水分含量的采集。

雖然前人在茶園災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警方面做過不少研究，主要側(cè)重于溫度和濕度等氣象要素的監(jiān)測與預(yù)警，而關(guān)于可視化農(nóng)業(yè)氣象信息監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的研究則多數(shù)集中在小麥、玉米[9-10]、水稻、設(shè)施大棚[11]等方面，對(duì)于茶園可視化農(nóng)業(yè)氣象信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研制和應(yīng)用方面鮮有報(bào)道。本文針對(duì)茶園地理位置偏僻(多數(shù)地處山區(qū)、坡地)、存在有限通信障礙的特點(diǎn)，結(jié)合茶園氣象災(zāi)害監(jiān)測實(shí)際業(yè)務(wù)需求，利用3G無線通信、傳感器檢測和數(shù)字圖像識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)并研制了一套茶園可視化農(nóng)業(yè)氣象信息監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)茶園圖像信息和溫濕度、降水?dāng)?shù)據(jù)的一體化采集與綜合顯示，以期為農(nóng)業(yè)和氣象相關(guān)技術(shù)人員提供實(shí)時(shí)茶芽長勢及氣象災(zāi)害信息，為茶葉生產(chǎn)減災(zāi)，增效、增產(chǎn)與增收提供技術(shù)支撐和依據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

硬件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集與傳輸終端、ARM控制模塊、氣象要素采集模塊、圖像采集模塊、3G無線通信模塊、電源模塊和遠(yuǎn)程服務(wù)器6個(gè)部分組成。氣象要素采集模塊、圖像采集模塊、3G無線通信模塊、電源模塊分別與ARM控制模塊相連接，遠(yuǎn)程服務(wù)器與ARM控制模塊通過3G無線通信模塊和3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ARM控制模塊

處理芯片選用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103。該芯片具有高性能、低功耗、低電壓等特性，同時(shí)具有高集成度和易于開發(fā)的優(yōu)勢。該模塊負(fù)責(zé)控制氣象要素采集模塊、圖像采集模塊和3G無線通信模塊的運(yùn)行，控制模塊電路如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集傳感器

影響茶葉生產(chǎn)主要的氣象要素包括：環(huán)境溫度、濕度和降水等，結(jié)合本地茶園當(dāng)前對(duì)采集氣象要素的具體需求，該模塊實(shí)現(xiàn)了圖像、溫濕度和降水量的一體化采集，此外還預(yù)留了多個(gè)接口，用于其它傳感器的擴(kuò)展。

考慮到茶園環(huán)境溫濕度的變化范圍，選擇美國Onset公司的HOBO S-THB-M002高精度溫濕度傳感器，其相對(duì)溫度和濕度測量精度分別為0.2℃和±2.5%RH。降水檢測方面選用感雨傳感器(加熱式平面柵狀電容)，用于微弱降水(小于0.1 mm)起止時(shí)間、有無的定性判斷和測量，并結(jié)合附近的自動(dòng)氣象站的雨量計(jì)數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了雨量計(jì)微弱降水無法測量的短板，實(shí)現(xiàn)茶園降水量的精細(xì)化、無縫隙采集與監(jiān)測。

圖像傳感器采用OmniVision Technologies公司生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器 OV2640，如圖3(a)所示，其最大支持200萬像素，可輸出176*144(QCIF)、320*240(QVGA)、640*480(VGA)、1600*1200(UXGA)等不同像素的圖像?？刂茣r(shí)序如圖3(b)所示。茶芽長勢和氣象災(zāi)害等信息的監(jiān)測對(duì)系統(tǒng)所拍攝的圖像像素要求較高，因此需使用原始數(shù)據(jù)格式(UXGA)，但這樣會(huì)造成圖像文件過大，影響數(shù)據(jù)傳輸速率和更新圖像的頻率；其次處理器STM32F103處理能力有限，無法做復(fù)雜的圖像壓縮算法，故本文采用OV2640內(nèi)部DSP壓縮后的JPEG壓縮圖像格式作為輸出文件。

圖3 圖像傳感器OV2640和控制時(shí)序圖

2.3 無線通信模塊

考慮茶園一般地處山地、丘陵或坡地，很難保證有線通信環(huán)境，而且有線的數(shù)據(jù)傳輸方式接線復(fù)雜、布線困難、存在抗干擾能力差、易遭受雷擊，使得成本高，日后維修較困難，因此模塊采用3G無線網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)，它具有成本低、傳輸距離不受限制、較好的實(shí)時(shí)性和通信速率等特點(diǎn)，能夠滿足本系統(tǒng)的要求。該通信模塊設(shè)計(jì)上支持永久在線功能，其包含了上電自動(dòng)撥號(hào)、采用心跳包保持永久在線、支持?jǐn)嗑€自動(dòng)重連、自動(dòng)重?fù)芴?hào)等特點(diǎn)，確保通信的穩(wěn)定。此外還提供一些擴(kuò)展功能：支持遠(yuǎn)程短信控制、提供在線/離線電平指示等。這些擴(kuò)展功能可以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，以及方便用戶的使用及后續(xù)維護(hù)。

2.4 電源模塊

數(shù)據(jù)傳輸與采集終端用到兩種電壓：直流5 V和直流3.3 V，5 V用于ARM控制模塊、氣象要素采集模塊和3G無線通信模塊，3.3 V電壓用于圖像采集模塊。太陽能電板通過太陽能控制器給蓄電池充電，蓄電池再經(jīng)由太陽能控制器輸出的電壓為12V，利用DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器MP2359輸出5 V和3.3 V電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件開發(fā)技術(shù)

針對(duì)上述硬件結(jié)構(gòu)，結(jié)合茶園農(nóng)業(yè)氣象信息監(jiān)測的特點(diǎn)，以可靠性、穩(wěn)定性和安全性為基本原則，基于Visual Studio 2013的編譯平臺(tái)，利用C++和C#編程語言自行開發(fā)了該軟件系統(tǒng)。主要由“信息監(jiān)控與管理”和“信息綜合服務(wù)”兩個(gè)軟件組成，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)器端氣象與農(nóng)情信息的監(jiān)控、遠(yuǎn)程管理及綜合顯示，均實(shí)現(xiàn)了模塊化，便于后續(xù)功能的擴(kuò)展、升級(jí)與維護(hù)。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

3.2 信息監(jiān)控與管理

信息監(jiān)控與管理軟件如圖5所示。軟件分為：監(jiān)控管理、軟件設(shè)置、通訊參數(shù)設(shè)置、設(shè)備管理和數(shù)據(jù)管理五個(gè)功能模塊。其中，監(jiān)控管理模塊主要包括：開啟和停止監(jiān)控、分離終端和清除信息等功能；軟件設(shè)置模塊包括：服務(wù)器IP和端口號(hào)、數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)參數(shù)和預(yù)警閾值的設(shè)置；通訊參數(shù)設(shè)置模塊包括：移動(dòng)服務(wù)參數(shù)設(shè)置、模塊設(shè)置等；設(shè)備管理模塊包括：氣象要素采集模塊和圖像采集模塊的采集周期和采集時(shí)間段設(shè)置、圖像采集模塊拍攝圖像的分辨率與壓縮率設(shè)置、圖像采集模塊供電參數(shù)設(shè)置；數(shù)據(jù)管理模塊包括：已入庫氣象要素的檢索以及圖像數(shù)據(jù)的查看。

圖5 信息監(jiān)控與管理軟件

數(shù)據(jù)采集與傳輸終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器端監(jiān)控管理軟件間傳輸?shù)男畔⒅饕獮椴鑸@氣象要素信息、圖像信息和控制命令信息。根據(jù)它們之間傳輸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，定義傳輸信息格式[9]如下：

標(biāo)識(shí)信息_指令類型_相關(guān)參數(shù)

對(duì)于氣象要素信息，標(biāo)識(shí)信息為：METEO；若圖像信息，標(biāo)識(shí)信息類型為：IMAGE，若控制命令，標(biāo)識(shí)信息類型為：CONTROL。所有傳輸信息末位均以回車換行符 結(jié)束。

數(shù)據(jù)采集與傳輸終端(以下簡稱：采集終端)向遠(yuǎn)程服務(wù)器端監(jiān)控管理軟件(以下簡稱：監(jiān)管軟件)發(fā)送的控制指令信息、監(jiān)管軟件向采集終端發(fā)送的控制指令信息分別如表1、表2所示。

表1 采集終端向監(jiān)管軟件發(fā)送的控制指令信息

表2 監(jiān)管軟件向采集終端發(fā)送的控制指令信息

3.3 信息綜合服務(wù)

信息綜合服務(wù)軟件如圖6所示，該軟件實(shí)現(xiàn)了茶園氣象與農(nóng)情信息的綜合顯示，讓用戶更直觀、更方便的了解茶園實(shí)時(shí)的氣象與農(nóng)情信息，主要包括以下5個(gè)功能：茶園實(shí)景監(jiān)測、氣象要素顯示、氣象災(zāi)害識(shí)別、功能與設(shè)置以及連接狀態(tài)。

圖6 信息綜合服務(wù)軟件

茶園實(shí)景監(jiān)測欄實(shí)時(shí)顯示實(shí)景圖像和圖像采集的時(shí)間。氣象要素顯示欄顯示最新時(shí)次茶園的氣溫、降水量、風(fēng)、和相對(duì)濕度等信息；氣象災(zāi)害識(shí)別欄利用數(shù)字圖像信息，通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[12-13]提取合適的特征集，并結(jié)合相應(yīng)氣象要素(如溫、壓、濕、風(fēng)等)和霜凍指標(biāo)[14]，利用支持向量機(jī)[15-16]進(jìn)行訓(xùn)練與分類，最終實(shí)現(xiàn)氣象災(zāi)害的識(shí)別，算法流程如圖7所示。功能與設(shè)置欄提供了數(shù)據(jù)中心、閾值設(shè)置、雷達(dá)監(jiān)測預(yù)警等功能；連接狀態(tài)欄顯示該系統(tǒng)與采集終端的連接狀態(tài)。

圖7 氣象災(zāi)害識(shí)別算法流程圖

借助該軟件，農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)技術(shù)人員無須實(shí)地走訪茶園即可實(shí)時(shí)知悉茶葉長勢、茶園氣象信息和氣象災(zāi)害等，并能及時(shí)通知茶園管理者采取應(yīng)對(duì)措施，防止和減少氣象災(zāi)害給茶葉帶來的危害。

4 系統(tǒng)部署及試驗(yàn)

在浙江省湖州市安吉縣溪龍鄉(xiāng)國家級(jí)安吉白茶園區(qū)內(nèi)安裝本樣機(jī)[17]，如圖8所示，并進(jìn)行實(shí)地氣象要素、圖像信息的采集和傳輸，經(jīng)過2014—2016年近三年的試驗(yàn)，結(jié)果表明：

圖8 樣機(jī)實(shí)物照片

1)該樣機(jī)能夠穩(wěn)定、及時(shí)地采集和上傳氣象要素和圖像信息，數(shù)據(jù)傳輸從不丟包，且無圖像丟幀現(xiàn)象。

2)解決了常規(guī)茶園自動(dòng)氣象站無法采集數(shù)字圖像和微弱降水的短板和難題，實(shí)現(xiàn)茶園農(nóng)情和降水量等信息的精細(xì)化、無縫隙采集與監(jiān)測。

3)通過測試數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示，通過計(jì)算，其平均傳輸速率為41.2 KB·s-1，一幅400KB大小的圖像所用時(shí)間約10s，實(shí)時(shí)性較好，能滿足茶園氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的需求。但該傳輸速率和3G理論傳輸速率存在一定的差距，分析其傳輸延遲的原因主要有：受傳輸距離、地理環(huán)境和位置因素(如山地、坡地等復(fù)雜地形)制約，3G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不佳，造成傳輸速率達(dá)不到理論值；從監(jiān)管軟件觸發(fā)開始采集指令到采集終端開始發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集指令的傳輸、采集終端數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理和圖像壓縮都需占用一定的時(shí)間；遠(yuǎn)程服務(wù)器的運(yùn)行速度和寬帶的網(wǎng)速也會(huì)對(duì)傳輸速率造成影響。

表3 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

4)遠(yuǎn)程服務(wù)器端監(jiān)測與控制軟件能和外場樣機(jī)保持穩(wěn)定的通訊狀態(tài)，接收數(shù)據(jù)后能及時(shí)入庫保存；綜合顯示軟件界面友好，顯示信息直觀。

5)通過該系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的圖像分析茶芽長勢狀況，對(duì)湖州春茶開采期預(yù)測模型計(jì)算結(jié)果修正，2015—2016年春茶氣象服務(wù)專題(開采期預(yù)報(bào))材料中發(fā)布的開采日期與實(shí)際官方宣布的基本一致(誤差為1～2天)。

6)通過設(shè)置溫度預(yù)警閾值(系統(tǒng)設(shè)置為比霜凍指標(biāo)高0.5～1℃)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測的溫度達(dá)到或低于閾值時(shí)，系統(tǒng)啟用拍照功能，以彩信的形式將拍攝的數(shù)字圖像及采集的茶園溫度、濕度等信息發(fā)送給用戶，提醒及時(shí)采取相應(yīng)的防霜凍措施。

5 結(jié)束語

本文利用微電子測量技術(shù)、3G無線通信與控制技術(shù)、氣象和農(nóng)情信息可視化技術(shù)等，并通過遠(yuǎn)程服務(wù)器端監(jiān)控和管理軟件的搭建，自主研制了一套茶園可視化農(nóng)業(yè)氣象信息動(dòng)態(tài)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了茶園圖像信息、溫濕度、降水?dāng)?shù)據(jù)的一體化采集、綜合顯示和遠(yuǎn)程管理等功能。

通過近兩年的外場試驗(yàn)，結(jié)果表明：1)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能及時(shí)采集和上傳氣象要素和圖像信息，數(shù)據(jù)傳輸從不丟幀；2)解決了常規(guī)茶園自動(dòng)氣象站無法采集圖像和微弱降水的短板和難題；3)通過外場試驗(yàn)資料，計(jì)算了平均傳輸速率為41.2 KB·s-1，實(shí)時(shí)性較好，能滿足實(shí)際業(yè)務(wù)需求；4)在茶葉生長發(fā)育和采摘的關(guān)鍵時(shí)期，通過該系統(tǒng)的部署及試驗(yàn)，農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)技術(shù)人員借助該系統(tǒng)即可實(shí)時(shí)知悉茶葉長勢、茶園氣象信息和氣象災(zāi)害等，為開展茶葉專題氣象服務(wù)提供理論和技術(shù)支撐。

但是受外場觀測樣本個(gè)數(shù)和研發(fā)技術(shù)水平所限，就目前試驗(yàn)的結(jié)果還存在一些不足，比如：系統(tǒng)拍攝圖像像素還不夠、數(shù)據(jù)傳輸速率低于理論傳輸值等，這些問題還有待后續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)和完善。