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        氣象信息獲取裝備與物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

        2019-05-10 09:52:36李皓西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院楊凌乾泰電子科技有限責(zé)任公司張海輝西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院
        數(shù)碼世界 2019年4期
        關(guān)鍵詞:服務(wù)平臺(tái)氣象預(yù)警

        李皓 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院/楊凌乾泰電子科技有限責(zé)任公司 張海輝* 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院

        鄧一飛 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院/楊凌乾泰電子科技有限責(zé)任公司

        引言

        我國(guó)的氣象災(zāi)害具有種類多、分布廣、發(fā)生頻率高、損失差異大的特點(diǎn),據(jù)統(tǒng)計(jì)干旱、臺(tái)風(fēng)、洪澇、低溫等氣象災(zāi)害每年會(huì)造成4000萬(wàn)公頃農(nóng)田受災(zāi),受災(zāi)人口超過(guò)2億,經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)4000億元。2018年4月5日至7日,突發(fā)的一場(chǎng)低溫凍害使得西北地區(qū)蘋(píng)果減產(chǎn)嚴(yán)重,據(jù)調(diào)查延安市富縣、洛川縣、黃陵縣、寶塔區(qū)受凍面積711,333.3公頃,重災(zāi)面積15,800公頃,預(yù)計(jì)經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)30億元,平均減產(chǎn)23%,其中洛川縣減產(chǎn)率達(dá)到了42%。氣象信息作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)的第一手資料,氣象預(yù)報(bào)雖然直接為農(nóng)事作業(yè)提供了參考,但是隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)不斷發(fā)展,種植領(lǐng)域?qū)<抑R(shí)不斷豐富,傳統(tǒng)的天氣預(yù)報(bào)信息獲取渠道已經(jīng)嚴(yán)重不能滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)精細(xì)化管理的需求,如圖1所示。

        圖1 農(nóng)氣服務(wù)存在的困難

        國(guó)家建立的大規(guī)模氣象獲取裝備、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍廣、數(shù)據(jù)全面、精度控制較高,但是存在信息壁壘,同時(shí)其建設(shè)成本高,普通農(nóng)戶、農(nóng)場(chǎng)很難納入其監(jiān)測(cè)體系之中;民用氣象獲取設(shè)備、系統(tǒng)應(yīng)用便捷、易于維護(hù),但精度又難以達(dá)到國(guó)省氣象系統(tǒng)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)要求,以此為數(shù)據(jù)源所能開(kāi)展的服務(wù)范圍僅僅限制于較小的范圍,帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值又難以體現(xiàn)。傳統(tǒng)的氣象為農(nóng)服務(wù)系統(tǒng)雖然多且內(nèi)容廣泛,但是數(shù)據(jù)源并不統(tǒng)一,而且國(guó)省并沒(méi)有建立起長(zhǎng)效的同步機(jī)制,服務(wù)質(zhì)量難以保障;隨著CIMISS系統(tǒng)的推出,有效解決了數(shù)據(jù)源問(wèn)題,但是受限于其數(shù)據(jù)訪問(wèn)權(quán)限集中在氣象局內(nèi)網(wǎng),其衍生出來(lái)的應(yīng)用產(chǎn)品也多以專業(yè)的氣象產(chǎn)品為主,數(shù)據(jù)資源難以普惠廣大農(nóng)戶,更未能與農(nóng)業(yè)專家積累的生產(chǎn)知識(shí)相互結(jié)合。

        因此,研究現(xiàn)有的氣象信息獲取技術(shù)并完善拓展用戶對(duì)氣象信息的獲取通道,研制一種小型農(nóng)田氣象感知裝備,研究當(dāng)前先進(jìn)的氣象硬件資源與網(wǎng)格預(yù)報(bào)軟件系統(tǒng),破除信息壁壘,針對(duì)不同作物不同生育期的氣象條件需求開(kāi)發(fā)精準(zhǔn)的主動(dòng)個(gè)性化服務(wù)平臺(tái),開(kāi)展基于氣象信息的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)與災(zāi)害預(yù)警服務(wù)試點(diǎn)應(yīng)用,從而有效對(duì)接產(chǎn)業(yè)需求,將現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、智慧氣象與精準(zhǔn)服務(wù)互相融合,有助于智慧氣象的推進(jìn),促進(jìn)我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)朝著又快又好的方向發(fā)展。

        1.農(nóng)業(yè)小環(huán)境氣象信息獲取裝備設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

        結(jié)合氣象信息監(jiān)測(cè)常用風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求,本文所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的農(nóng)業(yè)小環(huán)境氣象信息獲取裝備主要監(jiān)測(cè)因子有以下9種:農(nóng)業(yè)小環(huán)境溫度、農(nóng)業(yè)小環(huán)境濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳、土壤溫度、土壤濕度、風(fēng)速及風(fēng)向、降雨量,同時(shí)為滿足室外環(huán)境需求,設(shè)備增加了自供電太陽(yáng)能系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速部署,提高實(shí)地應(yīng)用的便利性,除各類所需監(jiān)測(cè)類型與太陽(yáng)能自供電系統(tǒng)外,設(shè)備融合GPRS技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上傳,匯聚至物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行后續(xù)處理。設(shè)備總體設(shè)計(jì)如圖2所示,本文對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)模塊接口、核心處理模塊、數(shù)據(jù)上傳模塊、電源模塊等關(guān)鍵電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),同時(shí)對(duì)小環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的外形進(jìn)行了設(shè)計(jì)制作,完成了整套裝備的調(diào)試組裝,實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)小環(huán)境各類氣象因子的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

        圖2 設(shè)備總體設(shè)計(jì)

        根據(jù)系統(tǒng)需求與實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求,設(shè)備應(yīng)具備小環(huán)境實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測(cè),同時(shí)具備高適用性,方便不同監(jiān)測(cè)環(huán)境的快速安裝調(diào)試。裝備的具體技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如下:

        (1)裝備監(jiān)測(cè)類型數(shù)量:9類;

        (2)每類監(jiān)測(cè)類型精度要求:≥0.5%;

        (3)監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔:5min、10min、30min、1h可調(diào);

        (4)通訊方式:GPRS、串口;

        (5)供電方式;太陽(yáng)能自供電系統(tǒng)(帶蓄電池),兼?zhèn)涫须姽╇姽δ埽?/p>

        (6)工作時(shí)間:?jiǎn)坞姵毓╇?>7天;

        (7)支持監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)功能;

        (8)低功耗設(shè)計(jì)。

        2 融合氣象信息的物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

        融合氣象信息的物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)平臺(tái)在本文中起到了承上啟下的作用,平臺(tái)能夠獲取底層設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時(shí)為后續(xù)章節(jié)的個(gè)性化服務(wù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支撐,其主要包含三個(gè)層次:基礎(chǔ)支撐、數(shù)據(jù)管理、應(yīng)用服務(wù)。其框架結(jié)構(gòu)如圖3所示:

        基礎(chǔ)支撐:通過(guò)MUSIC接口獲取上報(bào)CIMISS系統(tǒng)的基本氣象站、區(qū)域氣象站數(shù)據(jù)及相關(guān)的預(yù)報(bào)、災(zāi)情數(shù)據(jù);根據(jù)數(shù)據(jù)收發(fā)協(xié)議,將本文設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)小環(huán)境氣象信息獲取裝備上報(bào)的環(huán)境信息數(shù)據(jù)拆包解析入庫(kù)。

        數(shù)據(jù)管理:設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù),包括由MUSIC接口獲取的氣象信息庫(kù)和由數(shù)據(jù)解析后入庫(kù)的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境信息庫(kù)。

        應(yīng)用服務(wù):設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)前臺(tái)用戶交互界面,包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)分析、氣象月報(bào)統(tǒng)計(jì)等模塊。

        圖3 智能服務(wù)平臺(tái)框架

        3 基于氣象與農(nóng)業(yè)小環(huán)境數(shù)據(jù)的智能預(yù)警與指導(dǎo)服務(wù)

        基于氣象與農(nóng)業(yè)小環(huán)境數(shù)據(jù)的智能預(yù)警與指導(dǎo)服務(wù)包含了智能氣象預(yù)警服務(wù)與智能生產(chǎn)指導(dǎo)服務(wù),系統(tǒng)框架如圖4所示,基于氣象數(shù)據(jù)和農(nóng)業(yè)小環(huán)境氣象信息獲取裝備采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),系統(tǒng)智能與氣象等級(jí)定義模塊和基于生育期的作物栽培管理知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則相匹配,依據(jù)基于用戶需求的主動(dòng)推送服務(wù)處理流程,為用戶提供精準(zhǔn)、個(gè)性化服務(wù)。其中氣象預(yù)警等級(jí)定義為暴雨、高溫、強(qiáng)降溫、大風(fēng)等4類災(zāi)害天氣提供了3-4個(gè)預(yù)警級(jí)別,由低到高依次為藍(lán)色、黃色、橙色、紅色[11-15];氣象預(yù)警個(gè)性化定制中可由用戶選擇關(guān)注區(qū)域、關(guān)注類型、推送方式等個(gè)性化需求;基于生育期的作物栽培管理知識(shí)庫(kù)構(gòu)建過(guò)程中,遵循“作物→生長(zhǎng)階段→適宜條件、肥水藥知識(shí)”步驟,由專家賬戶完成各類作物的模型構(gòu)建;生產(chǎn)指導(dǎo)個(gè)性化定制由用戶選擇關(guān)注的作物、匹配的采集站點(diǎn)、推送方式等個(gè)性化需求。通過(guò)設(shè)計(jì)基于氣象與農(nóng)業(yè)小環(huán)境數(shù)據(jù)的智能預(yù)警與指導(dǎo)服務(wù),在物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)平臺(tái)的通用服務(wù)基礎(chǔ)上將農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)<抑R(shí)與氣象資源相結(jié)合,滿足個(gè)性化服務(wù)需求,提供普惠性的農(nóng)氣服務(wù)。

        圖4 主動(dòng)推送服務(wù)系統(tǒng)框架

        4 結(jié)論

        為滿足利用氣象實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)資源,面向我國(guó)廣大農(nóng)戶、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)園區(qū)的高效栽培、精準(zhǔn)管理、個(gè)性服務(wù)需求,本文設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)小環(huán)境氣象信息獲取裝備,開(kāi)發(fā)了融合氣象信息的物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)平臺(tái),構(gòu)建了基于氣象與農(nóng)業(yè)小環(huán)境數(shù)據(jù)的智能預(yù)警與指導(dǎo)服務(wù)。形成的結(jié)論有以下4點(diǎn):

        (1)通過(guò)CIMISS方式可以獲取已經(jīng)覆蓋到各個(gè)村鎮(zhèn)的基本氣象站、區(qū)域氣象站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù),基于已有的氣象數(shù)據(jù)資源能夠提供廣泛的農(nóng)氣服務(wù)。

        (2)針對(duì)農(nóng)業(yè)小區(qū)域設(shè)計(jì)的氣象信息獲取裝備可以部署于農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)部、園藝設(shè)施環(huán)境之中,能夠成為已有氣象系統(tǒng)站點(diǎn)的補(bǔ)充,滿足精準(zhǔn)服務(wù)需求。

        (3)開(kāi)發(fā)融合氣象信息的物聯(lián)網(wǎng)智能服務(wù)平臺(tái)能夠?qū)⒍鄠€(gè)通道獲取的氣象數(shù)據(jù)提供公共數(shù)據(jù)服務(wù),破除以往專用氣象系統(tǒng)的信息壁壘。

        (4)構(gòu)建基于氣象與農(nóng)業(yè)小環(huán)境數(shù)據(jù)的智能預(yù)警與指導(dǎo)服務(wù),基于氣象預(yù)警規(guī)則、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)<抑R(shí),能夠滿足大型園區(qū)、中小規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的個(gè)性化服務(wù)需求。

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