1、基于遠程監控的農業氣象自動采集系統設計摘要：針對傳統農業氣象觀測和當前傳感器技術系統、方法存在的不足，設計了一套基于遠程監控的農業氣象自動采集系統，其硬件設備由農田小氣候信息采集前端、視頻圖像信息采集前端、數據采集裝置、數據傳輸裝置和供電設備組成。該系統實現了農田小氣候和視頻圖像信息參數采集與傳輸的高度集成，自動采集降水量、氣溫、空氣濕度、風速、風向、光合有效輻射、土壤溫度、土壤濕度和農作物視頻圖像信息，并通過遠程客戶端軟件實現各要素信息的實時動態顯示和遠程監控。通過在鄭州市、鶴壁市、溫江市和荊州市開展的采集試驗和系統試運行表明，系統顯示出較好的穩定性，農田小氣候和視頻圖像要素數據的采集、傳輸

2、、動態實時顯示與遠程監控等各項功能均可滿足各級用戶需求。關鍵詞：農業氣象 采集系統 遠程監控引言農業氣象觀測大致可分為傳統農業氣象觀測和基于傳感器技術的農業氣象自動采集兩種方法。傳統農業氣象觀測主要依靠人工方式，在農田現場定點、定期獲取農業氣象信息，并逐級上報至相關部門。該方法耗費人力、物力，而且信息傳遞的時效性和客觀性較差。基于傳感器技術的農業氣象自動采集是現代農業的重要技術手段，隨著傳感器技術的快速發展，其應用涵蓋了農業氣象采集的各個方面，如農田小氣候¨“。、農作物理化參數“。以及農業災害“0。等。總的來看，基于傳感器技術的農業氣象自動采集方法不受地域限制，在實時性和自動化方面具

3、有傳統農業氣象觀測無法比擬的優勢。但是目前的傳感器技術在自動采集農作物生長發育信息時，主要通過反演算法等實現，其所獲參數和其結果精度與農業氣象觀測的基本要求還有一定的差距。鑒于此，基于網絡視頻圖像采集技術的農作物生長發育監測成為一個研究熱點1“。該技術利用網絡技術跨越了地域限制，使用戶通過遠程視頻圖像便可及時了解農田環境和作物生長狀況。為此，本文設計基于遠程監控的農業氣象自動采集系統，實現農田小氣候傳感器和視頻圖像采集器的高度集成，對農田小氣候和農作物視頻圖像信息進行實時、自動采集，并對各項信息參數和網絡攝像頭姿態進行遠程監控，以適應農業氣象觀測需求。1 系統硬件結構設計11設備組成農業氣象自

4、動采集設備主要由農田小氣候信息采集前端、視頻圖像信息采集前端、數據采集裝置、數據傳輸裝置以及供電設備組成(圖1。111農田小氣候信息采集前端主要包括風速風向傳感器、空氣溫濕度傳感器、光合有效輻射傳感器、雨量傳感器、土壤溫度傳感器和土壤濕度傳感器。風速風向傳感器測量范圍為060 ms和0。360。，最大允許誤差分別為4-(03+003vms("為實際風速和4-3 o；空氣溫濕度傳感器測量范圍分別為一4085和0100，最大允許誤差分別為±02和4-2；光合有效輻射傳感器的光譜影響范圍和時間分別為400700 nm和1 S，精度達到±3；雨量傳感器的承水口徑為200

5、mm，降水量低于10 mm時的最大允許誤差為4-04 mill，高于10 mm時為4-4；土壤溫、濕度傳感器的量程分別為一5080和0100，最大允許誤差分別為4-3和±1(特定土壤標定。根據農業氣象觀測的不同需求，還可在前端增加土壤養分、作物理化性質傳感器等。112視頻圖像信息采集前端視頻圖像信息采集前端由網絡攝像機和云臺組成。網絡攝像機采用635 mm(14英寸高靈敏度EXview HADTM CCD，在最低照度為071x環境下仍能正常進行圖像拍攝。該攝像機利用216倍變焦技術(18倍光學變焦，12倍數字變焦實現高倍縮放功能，使用戶能遠距離獲取小物體清晰而穩定的圖像。云臺在水平方

6、向可實現無障礙360。旋轉，在垂直方向旋角達90。，兩個方向的旋轉速度均為0130(。s。云臺旋轉的預置點設定64個，每條巡航路徑由16個預置點組成，預置點之問的運行速度和時間均可進行調節。113數據采集裝置主要由數據采集模塊、數據存儲模塊、數據交換模塊以及電源模塊組成。數據采集模塊包括：農田小氣候信息參數接口、視頻接口、控制單元以及采集一處理單元。農田小氣候信息參數接口可輸入各種模擬信號和數字信號，并能兼容多種量程、多種信號電平，適合多類農田小氣候傳感器。根據不同需求，視頻接口可同時連接多個視頻圖像傳感器設備。采集一處理單元根據控制單元發出的指令，對來自各類傳感器的標準信號進行采集處理。數據

7、存儲模塊：采用安全數字SD(SecHre digital卡將輸入的各類數據信息存儲在本地，可作為上傳數據不完整時的有效彌補。數據交換模塊：用于將農田小氣候數據和視頻圖像數據打包成統一規格的一路信息，并通過交換端口輸出。其交換端口采用雙通信多通道交換端口RJ45RS485，并采用以太網設備供電POE(powerover ethernet技術，能夠在確保現有結構化布線及供電安全的同時，保證現有網絡的正常運作。電源模塊：用于將供電設備提供的電源電壓進行變壓、穩壓，并分別向數據采集模塊、數據交換模塊和數據存儲模塊提供直流電源電壓。電源模塊提供的直流電壓范圍為360 V。114數據傳輸裝置數據傳輸裝置具

8、備無線傳輸功能，采用OFDM技術。該裝置內置17 dbi20 dbi天線(可外接天線，支持IEEE 8023 af POE以太網供電，工作頻段位于2458 GHz。通過54 Mbs網橋模式，可實現58 km范圍內的遠距離信息傳輸，實際傳輸速率最高可達22 Mbs。該裝置還提供152位WEP、WPA、802。1x等多種安全機制，從而為用戶提供更高的數據安全性。獨特的防水防塵設計，達到室外單元IP66國際A級防水防塵標準。115供電設備供電設備用于向數據采集裝置提供必要的工作電源，且具有二級通信端口防雷保護功能。考慮到農田較為偏遠、供電條件不足的情況，采用太陽能供電方式，通過太陽能板和太陽能控制器

9、將太陽能轉換成電能，并通過電池儲存。電池一次充電后可連續工作一周。在供電設備的支持下，農田小氣候信息采集前端通過各類傳感器采集農田小氣候信息，并將該信息參數信號傳輸到數據采集裝置；視頻圖像信息采集前端通過調整云臺姿態，使用攝像機對準農作物進行拍攝，并將生成的視頻圖像信號傳輸到數據采集裝置；數據采集裝置將多路農田小氣候信息參數信號和視頻圖像信號進行信號處理，并加以存儲，同時將多路農田小氣候信息和視頻圖像信息打包成一路信息，通過交換端口傳給數據傳輸裝置。12設備組裝設計在農田地上部分安裝有風速風向傳感器、光合有效輻射傳感器、空氣溫濕度傳感器、雨量傳感器、視頻圖像設備、數據傳輸和傳輸裝置、太陽能供電

10、設備等，地下部分安裝有土壤溫度傳感器和土壤濕度傳感器(圖2。其中，視頻圖像設備置于最高位置，支撐臂的伸展長度可以進行調節；風速風向傳感器和光合有效輻射傳感器置于作物最終株高53的位置；雨量傳感器的安置以不受作物或其他物體遮擋為宜；空氣溫濕度傳感器安裝在作物最終株高43的位置；土壤溫度傳感器埋深為5 cm和20 cm，土壤濕度傳感器埋深為10 cm、20 em、50 cm和100 em，以形成梯度觀測。所有傳感器和視頻圖像設備通過信號線與數據采集裝置相連，太陽能供電設備通過電源線向數據采集裝置傳輸轉換形成的電能，所有設備的信號線、電源線以及避雷線都捆綁在一起，并包在設備支架的防雨空心管內。2 系

11、統功能設計 21 自動采集系統所有采集站點的編號均按縣+鄉(鎮+村+農戶編碼方式組成，共14位編碼。其中，縣代碼參照中華人民共和國行政區劃代碼(GBT2260-2007，鄉和村代碼參照縣級以下行政區劃代碼編制規則(GBT 101142003進行編碼，農戶代碼按0199順序進行編碼。每個站點所采集的農田小氣候要素包括降水量、氣溫、空氣濕度、風速、風向、光合有效輻射、土壤溫度和土壤濕度等，用戶可通過遠程客戶端軟件實時顯示所選站點當日各要素的動態變化過程。農田小氣候要素默認采集時間間隔為1 min。點擊軟件界面上的“農作物生長發育”圖標，進入視頻顯示畫面。可按多畫面同時顯示所有站點視頻，也可單一畫面

12、突出顯示某站點視頻。根據界面上的旋轉、變倍、對焦以及調節光圈等操作功能，可調整圖像拍攝的角度和距離。在默認狀態下，系統每日自動采集兩幀視頻圖像，采集時刻分別為10：00和14：00。根據用戶觀測需求，還可對系統默認狀態進行改動。22實時監控主要包括數據監控和視頻調控兩部分。數據監控是指對農田小氣候要素數據的完整性、連續性與合法性等進行的實時檢查。視頻調控是根據用戶對農作物的實際拍攝需求，在遠程客戶端通過旋轉云臺、變倍、對焦、調節光圈等方式使網絡攝像機以最佳姿態對農作物進行拍照，從而獲得最理想的圖像。當多個用戶同時對一臺網絡攝像機進行遠程調控時，系統將根據用戶訪問站點的權限大小進行管理。對于權限

13、級別不同的用戶，權限高的用戶優先進行調控；對于同一權限級別的用戶，按照訪問的先后順序進行調控。考慮到在農田惡劣環境中的網絡傳輸可能出現中斷，故利用數據采集裝置的存儲功能同時對上傳數據進行備份存儲。如果系統檢測到數據傳輸出現中斷、缺漏或異常值，將通過遠程客戶端軟件實時顯示界面提示用戶，并及時調用數據采集裝置中對應的備份數據。通常情況下，備份數據保存1個月。23 短期預警基于實時采集的農田小氣候要素數據，系統可對當日內的降雨量、氣溫和風速等氣象條件進行預警。具體方式是：當某項農田小氣候要素觀測值高于所設定的報警警戒值時，通過遠程客戶端軟件界面發出報警提示。根據警戒值大小設定報警級別，如日累計雨量報

14、警級別、1 h雨量報警級別、3 h雨量報警級別、低溫報警級別、高溫報警級別、大風報警級別等。3 系統關鍵技術1 農田小氣候和視頻圖像信息集成農田小氣候和視頻圖像信息的集成主要通過研發數據采集裝置實現。數據采集裝置通過接收和下傳來自遠程客戶端的控制命令、接收和上傳來自信息采集前端的各類參數數據，從而實現農田小氣候和視頻圖像信息在硬件上的集成采集、處理、交換和傳輸。具體操作方式為：由遠程客戶端通過交換端口向數據采集模塊發送多路農田小氣候要素控制命令和視頻控制命令，數據采集模塊接收命令后分別通過農田小氣候信息參數接口和視頻接口相應地下傳到農田小氣候信息采集前端和視頻圖像信息采集前端，農田小氣候信息采

15、集前端和視頻圖像信息采集前端分別根據遠程控制命令進行信息采集；數據采集模塊通過相應參數接口分別接收來自信息采前端的多路農田小氣候參數信號和視頻圖像信號，經采集一處理單元進行標準信號處理后，分別還原成多路農田小氣候參數數據和視頻圖像數據，并傳給數據交換模塊，數據交換模塊通過交換端口將多路農田小氣候參數數據和視頻圖像數據打包成統一規格的一路數據信息傳給數據傳輸裝置，并上傳至遠程客戶端。32信息傳輸來自遠程客戶端的控制命令下傳、農田小氣候和視頻圖像信息向遠程客戶端的上傳等主要通過無線微波結合互聯網絡傳輸方式實現。該方式利用安裝在農業氣象自動采集設備上的數傳輸裝置作為其微波發射端，并在01300 km

16、范圍內具備互聯網條件的地方設置一個區域中心服務端，在該服務端安裝一個微波接收裝置，使得微波發射和接收裝置之間形成局傳輸網絡。以農田小氣候和視頻圖像信息傳輸為例，微波發射端通過調頻辦法，將視頻圖像和農田小氣候信息轉換到高頻電磁波上，傳輸到區域中心服務端的微波接收裝置。當信息到達服務端后，再通過TCPIP協議，利用互聯網絡將數據信息傳輸到遠程客戶端。視頻圖像的傳輸采用MPEG24、H264音視頻壓縮格式，而農田小氣候參數信息被轉換為電信號，到達目的地后再被解調出來。最終，這兩類數據信息通過無線微波和互聯網絡一h傳至遠程客戶端。由于微波信號為直線傳輸，所以應避免中間有山體、高大建筑物遮擋。4系統應用

17、基于遠程監控的農業氣象自動采集系統自2009年3月底建成以來，已在鶴壁市(3571。N，11431oE，、鄭州市(3471 oN，11366。E、成都市(3070N，103830E和荊州市(3035。N，11215。E等地分別安裝了采集設備，初步開展了小麥、玉米和水稻等農作物及其農田小氣候的自動采集與傳輸試驗，并對系統試運行狀況進行了測試。鄭州站和鶴壁站分別位于豫中和豫北地區，主要種植小麥和玉米；成都站和荊州站分別位于成都平原和江漢平原腹地，以種植水稻為主。經測試，基于遠程監控的農業氣象自動采集系統顯示出較好的穩定性，農田小氣候和視頻圖像要素數據的采集、傳輸、動態實時顯示與遠程監控等各項功能均

18、可滿足各級用戶需求。用戶可登錄系統軟件界面實時瀏覽各站點農田小氣候要素動態變化過程和視頻圖像畫面。圖3是2009年9月14日鄭州站農田小氣候要素的實時顯示界面，當日0：0024：00時空氣溫度的動態曲線呈低一高一低的變化趨勢。點擊右上角“農作物生長發育”圖標，進入各站視頻圖像實時顯示畫面(圖4，可以較清晰地辨識出畫面中水稻和玉米的葉、穗等特征。為了保證系統的正常有效運轉和數據采集的準確性，對硬件設備進行了精度控制。所有傳感器事先都經過校準，其數據采集誤差屬于系統誤差，且介于允許誤差范圍之內。傳感器放置的具體位置、高度(或深度是根據長期致力于農業氣象觀測的專業人員針對不同農作物的生長特點討論而確

19、定的，具有一定的科學性。在系統試運行期間，由專業維護人員定期對網絡攝像頭的玻璃罩進行擦洗，以確保圖像采集的清晰度。5 結論(1經鶴壁市、鄭州市、成都市和荊州市4站測試，基于遠程監控的農業氣象自動采集系統顯示出較好的穩定性，農田小氣候和視頻圖像要素數據的采集、傳輸、動態實時顯示與遠程監控等各項功能均可滿足各級用戶需求。該系統不僅能夠自動采集降水量、氣溫、空氣相對濕度、風速、風向、光合有效輻射、土壤溫度、土壤含水率等農田小氣候要素和圖像信息，而且可以根據實時顯示的視頻畫面掌握第一手的農田現場資料，大大縮短了從觀測、上報、評估到應對措施下達的整個響應過程，為及時了解農作物生長動態、進行農業氣象會商與

20、決策提供科學依據。同時，該系統還具備良好的可擴展性，可以隨時在系統采集前端增加相關傳感器設備，以滿足農業氣象觀測的各類需求。(2與現有各類傳感器采集技術相比，基于遠程監控的農業氣象自動采集系統最大特點在于視頻圖像信息的自動采集方面，這是最終實現農作物生長狀況定量判別的前提和基礎。在圖像識別技術和幾何測量技術等的支持下，農作物生育期、植株高度、種植密度乃至穗數等產量要素信息的定量提取將成為現實。若能在全國范圍內形成一定規模的觀測網絡體系，將可大大提高農業氣象及其災害預報、農作物估產等的準確性。(3作為一項新技術，基于遠程監控的農業氣象自動采集系統從根本上完全不同于傳統農業氣象觀測。因此，與其對應

21、的一系列觀測規范如采集設備組裝、農田小氣候觀測、作物生長發育觀測、農業氣象災害和病蟲害觀測、作物生長量觀測等的田間試驗研究與規范制定顯得尤為重要。附則：托普儀器研發的便攜式無線農業氣象遠程監測系統系統概述便攜式無線農業氣象遠程監測系統由托普儀器研發而成。集傳感技術、數據處理技術、圖像成型技術為一體的高科技產品。產品主要是BNL-GPRS系列，廣泛應用于農林業，指導農業、林業的生產。氣象監測要素農業氣象要素狹義的是指與農業生產有關的氣象要素（表）。廣義的還可包括農業生產身的一些特征。農業氣象平行觀測中所有的觀測項目以及農業氣象問題觸及到的參數，如發育期、種植密度、植株高度、產量等都是農業氣象要素。觀測和研究農業氣象要素時間、空間的變化規律以及它們之間的關系是農業氣象學的基本任務之一。 常見農業氣象要素：光：日照時數、太陽光譜、光照度、光飽和點、光補償點溫：氣溫、地溫、水溫、農業生物體溫（時溫、家畜體溫）、積溫 水：空氣溫度、降水量、水面蒸發、土壤濕度、土壤有效水含量、農田耗水量