便携式无线农业气象远程监测系统设计.docx

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便携式无线农业气象远程监测系统设计

基于远程监控的农业气象自动采集系统设计

摘要:

针对传统农业气象观测和当前传感器技术系统、方法存在的不足,设计了一套基于远程监控的农业气象自动采集系统,其硬件设备由农田小气候信息采集前端、视频图像信息采集前端、数据采集装置、数据传输装置和供电设备组成。

该系统实现了农田小气候和视频图像信息参数采集与传输的高度集成，自动采集降水量、气温、空气湿度、风速、风向、光合有效辐射、土壤温度、土壤湿度和农作物视频图像信息,并通过远程客户端软件实现各要素信息的实时动态显示和远程监控。

通过在郑州市、鹤壁市、温江市和荆州市开展的采集试验和系统试运行表明，系统显示出较好的稳定性，农田小气候和视频图像要素数据的采集、传输、动态实时显示与远程监控等各项功能均可满足各级用户需求。

关键词:

农业气象　采集系统远程监控

引言

农业气象观测大致可分为传统农业气象观测和基于传感器技术的农业气象自动采集两种方法。

传统农业气象观测主要依靠人工方式,在农田现场定点、定期获取农业气象信息，并逐级上报至相关部门。

该方法耗费人力、物力，而且信息传递的时效性和客观性较差。

基于传感器技术的农业气象自动采集是现代农业的重要技术手段，随着传感器技术的快速发展，其应用涵盖了农业气象采集的各个方面,如农田小气候¨“。

、农作物理化参数∞“。

以及农业灾害∽“0。

等。

总的来看,基于传感器技术的农业气象自动采集方法不受地域限制，在实时性和自动化方面具有传统农业气象观测无法比拟的优势。

但是目前的传感器技术在自动采集农作物生长发育信息时，主要通过反演算法等实现，其所获参数和其结果精度与农业气象观测的基本要求还有一定的差距。

鉴于此,基于网络视频图像采集技术的农作物生长发育监测成为一个研究热点‘1“。

该技术利用网络技术跨越了地域限制,使用户通过远程视频图像便可及时了解农田环境和作物生长状况。

为此,本文设计基于远程监控的农业气象自动采集系统，实现农田小气候传感器和视频图像采集器的高度集成，对农田小气候和农作物视频图像信息进行实时、自动采集,并对各项信息参数和网络摄像头姿态进行远程监控，以适应农业气象观测需求。

1系统硬件结构设计

1．１设备组成

农业气象自动采集设备主要由农田小气候信息采集前端、视频图像信息采集前端、数据采集装置、数据传输装置以及供电设备组成（图1）。

1．１.１农田小气候信息采集前端

主要包括风速风向传感器、空气温湿度传感器、光合有效辐射传感器、雨量传感器、土壤温度传感器和土壤湿度传感器。

风速风向传感器测量范围为0～60ｍ/s和0。

~360。

，最大允许误差分别为４-（0．3+0．0３ｖ）m／s（"为实际风速）和４-３ｏ;空气温湿度传感器测量范围分别为一４0~８５℃和0~100％，最大允许误差分别为±0.２℃和4-2％；光合有效辐射传感器的光谱影响范围和时间分别为４0０~７00　nm和1Ｓ，精度达到±3％；雨量传感器的承水口径为200mm，降水量低于10mｍ时的最大允许误差为4-０．.4mｉlｌ,高于10ｍm时为4－4％;土壤温、湿度传感器的量程分别为一50～8０℃和0~１０0％，最大允许误差分别为4－3℃和±1％（特定土壤标定）。

根据农业气象观测的不同需求，还可在前端增加土壤养分、作物理化性质传感器等。

1.1．２视频图像信息采集前端

视频图像信息采集前端由网络摄像机和云台组成。

网络摄像机采用６．35mm（1／４英寸）高灵敏度EＸviewＨADＴＭ　CCD,在最低照度为0．71x环境下仍能正常进行图像拍摄。

该摄像机利用2１6倍变焦技术（１８倍光学变焦,12倍数字变焦）实现高倍缩放功能，使用户能远距离获取小物体清晰而稳定的图像。

云台在水平方向可实现无障碍3６0。

旋转，在垂直方向旋角达９0。

两个方向的旋转速度均为0.1—30（。

）/s。

云台旋转的预置点设定６4个,每条巡航路径由１6个预置点组成,预置点之问的运行速度和时间均可进行调节。

1.1.3数据采集装置

主要由数据采集模块、数据存储模块、数据交换模块以及电源模块组成。

数据采集模块包括:

农田小气候信息参数接口、视频接口、控制单元以及采集一处理单元。

农田小气候信息参数接口可输入各种模拟信号和数字信号，并能兼容多种量程、多种信号电平，适合多类农田小气候传感器。

根据不同需求，视频接口可同时连接多个视频图像传感器设备。

采集一处理单元根据控制单元发出的指令,对来自各类传感器的标准信号进行采集处理。

数据存储模块:

采用安全数字SD（ＳecＨreｄigｉtal）卡将输入的各类数据信息存储在本地，可作为上传数据不完整时的有效弥补。

数据交换模块：

用于将农田小气候数据和视频图像数据打包成统一规格的一路信息，并通过交换端口输出。

其交换端口采用双通信多通道交换端口RJ4５／RS485,并采用以太网设备供电POE（pｏweroveretheｒnet）技术，能够在确保现有结构化布线及供电安全的同时,保证现有网络的正常运作。

电源模块：

用于将供电设备提供的电源电压进行变压、稳压,并分别向数据采集模块、数据交换模块和数据存储模块提供直流电源电压。

电源模块提供的直流电压范围为3~6０　V。

1．1.4数据传输装置

数据传输装置具备无线传输功能，采用ＯFＤM技术。

该装置内置17dbi／2０dbi天线（可外接天线）,支持IEEE8０２．3　afＰＯE以太网供电，工作频段位于2．４/5．8GHz。

通过54Mb／s网桥模式，可实现５~8ｋm范围内的远距离信息传输，实际传输速率最高可达２2Mb/s。

该装置还提供1５２位ＷＥP、WPＡ、802。

１ｘ等多种安全机制，从而为用户提供更高的数据安全性。

独特的防水防尘设计，达到室外单元IＰ66国际A级防水防尘标准。

1.１.5供电设备

供电设备用于向数据采集装置提供必要的工作电源,且具有二级通信端口防雷保护功能。

考虑到农田较为偏远、供电条件不足的情况，采用太阳能供电方式,通过太阳能板和太阳能控制器将太阳能转换成电能,并通过电池储存。

电池一次充电后可连续工作一周。

在供电设备的支持下，农田小气候信息采集前端通过各类传感器采集农田小气候信息,并将该信息参数信号传输到数据采集装置；视频图像信息采集前端通过调整云台姿态，使用摄像机对

准农作物进行拍摄，并将生成的视频图像信号传输到数据采集装置；数据采集装置将多路农田小气候信息参数信号和视频图像信号进行信号处理，并加以存储，同时将多路农田小气候信息和视频图像信息打包成一路信息,通过交换端口传给数据传输装置。

1．２设备组装设计

在农田地上部分安装有风速风向传感器、光合有效辐射传感器、空气温湿度传感器、雨量传感器、视频图像设备、数据传输和传输装置、太阳能供电设备等，地下部分安装有土壤温度传感器和土壤湿度传感器（图2）。

其中，视频图像设备置于最高位置,支撑臂的伸展长度可以进行调节；风速风向传感器和光合有效辐射传感器置于作物最终株高5/3的位置；雨量传感器的安置以不受作物或其他物体遮挡为宜；空气温湿度传感器安装在作物最终株高4/3的位置;土壤温度传感器埋深为5　cｍ和２0cm,土壤湿度传感器埋深为10cm、20eｍ、5０ｃm和100em，以形成梯度观测。

所有传感器和视频图像设备通过信号线与数据采集装置相连,太阳能供电设备通过电源线向数据采集装置传输转换形成的电能，所有设备的信号线、电源线以及避雷线都捆绑在一起,并包在设备支架的防雨空心管内。

2　系统功能设计

2．1自动采集

系统所有采集站点的编号均按县+乡（镇）+村+农户编码方式组成，共１４位编码。

其中,县代码参照《中华人民共和国行政区划代码》（GＢ／T2260-－200７），乡和村代码参照《县级以下行政区划代码编制规则》（ＧＢ／T1０114—20０3）进行编码，农户代码按01~99顺序进行编码。

每个站点所采集的农田小气候要素包括降水量、气温、空气湿度、风速、风向、光合有效辐射、土壤温度和土壤湿度等,用户可通过远程客户端软件实时显示所选站点当日各要素的动态变化过程。

农田小气候要素默认采集时间间隔为1ｍiｎ。

点击软件界面上的“农作物生长发育”图标,进入视频显示画面。

可按多画面同时显示所有站点视频，也可单一画面突出显示某站点视频。

根据界面上的旋转、变倍、对焦以及调节光圈等操作功能,可调整图像拍摄的角度和距离。

在默认状态下,系统每日自动采集两帧视频图像,采集时刻分别为10:

０0和14:

00。

根据用户观测需求,还可对系统默认状态进行改动。

2.2实时监控

主要包括数据监控和视频调控两部分。

数据监控是指对农田小气候要素数据的完整性、连续性与合法性等进行的实时检查。

视频调控是根据用户对农作物的实际拍摄需求,在远程客户端通过旋转云台、变倍、对焦、调节光圈等方式使网络摄像机以最佳姿态对农作物进行拍照,从而获得最理想的图像。

当多个用户同时对一台网络摄像机进行远程调控时，系统将根据用户访问站点的权限大小进行管理。

对于权限级别不同的用户，权限高的用户优先进行调控；对于同一权限级别的用户,按照访问的先后顺序进行调控。

考虑到在农田恶劣环境中的网络传输可能出现中断,故利用数据采集装置的存储功能同时对上传数据进行备份存储。

如果系统检测到数据传输出现中断、缺漏或异常值,将通过远程客户端软件实时显示界面提示用户，并及时调用数据采集装置中对应的备份数据。

通常情况下,备份数据保存1个月。

２.3短期预警

基于实时采集的农田小气候要素数据,系统可对当日内的降雨量、气温和风速等气象条件进行预警。

具体方式是:

当某项农田小气候要素观测值高于所设定的报警警戒值时,通过远程客户端软件界面发出报警提示。

根据警戒值大小设定报警级别,如日累计雨量报警级别、１ｈ雨量报警级别、3h雨量报警级别、低温报警级别、高温报警级别、大风报警级别等。

3系统关键技术

.1农田小气候和视频图像信息集成

农田小气候和视频图像信息的集成主要通过研发数据采集装置实现。

数据采集装置通过接收和下传来自远程客户端的控制命令、接收和上传来自信息采集前端的各类参数数据,从而实现农田小气候和视频图像信息在硬件上的集成采集、处理、交换和传输。

具体操作方式为：

由远程客户端通过交换端口向数据采集模块发送多路农田小气候要素控制命令和视频控制命令,数据采集模块接收命令后分别通过农田小气候信息参数接口和视频接口相应地下传到农田小气候信息采集前端和视频图像信息采集前端，农田小气候信息采集前端和视频图像信息采集前端分别根据远程控制命令进行信息采集；数据采集模块通过相应参数接口分别接收来自信息采前端的多路农田小气候参数信号和视频图像信号,经采集一处理单元进行标准信号处理后，分别还原成多路农田小气候参数数据和视频图像数据,并传给数据交换模块,数据交换模块通过交换端口将多路农田小气候参数数据和视频图像数据打包成统一规格的一路数据信息传给数据传输装置,并上传至远程客户端。

3．2信息传输

来自远程客户端的控制命令下传、农田小气候和视频图像信息向远程客户端的上传等主要通过无线微波结合互联网络传输方式实现。

该方式利用安装在农业气象自动采集设备上的数传输装置作为其微波发射端,并在０.1~30.0km范围内具备互联网条件的地方设置一个区域中心服务端,在该服务端安装一个微波接收装置，使得微波发射和接收装置之间形成局传输网络。

以农田小气候和视频图像信息传输为例,微波发射端通过调频办法,将视频图像和农田小气候信息转换到高频电磁波上,传输到区域中心服务端的微波接收装置。

当信息到达服务端后,再通过TCP/ＩＰ协议,利用互联网络将数据信息传输到远程客户端。

视频图像的传输采用MPEG2/4、H.2６4音/视频压缩格式，而农田小气候参数信息被转换为电信号，到达目的地后再被解调出来。

最终，这两类数据信息通过无线微波和互联网络一h传至远程客户端。

由于微波信号为直线传输,所以应避免中间有山体、高大建筑物遮挡。

4系统应用

基于远程监控的农业气象自动采集系统自200９年3月底建成以来，已在鹤壁市（3５．71。

Ｎ，114.31ｏＥ，）、郑州市（34.7１oＮ，1１3．6６。

E）、成都市（３０．７0N,１03.８３０Ｅ）和荆州市（30.35。

N，112.15。

E）等地分别安装了采集设备，初步开展了小麦、玉米和水稻等农作物及其农田小气候的自动采集与传输试验，并对系统试运行状况进行了测试。

郑州站和鹤壁站分别位于豫中和豫北地区，主要种植小麦和玉米；成都站和荆州站分别位于成都平原和江汉平原腹地，以种植水稻为主。

经测试，基于远程监控的农业气象自动采集系统显示出较好的稳定性，农田小气候和视频图像要素数据的采集、传输、动态实时显示与远程监控等各项功能均可满足各级用户需求。

用户可登录系统软件界面实时浏览各站点农田小气候要素动态变化过程和视频图像画面。

图３是２0０9年9月14日郑州站农田小气候要素的实时显示界面，当日0：

00～24:

０0时空气温度的动态曲线呈低一高一低的变化趋势。

点击右上角“农作物生长发育”图标,进入各站视频图像实时显示画面（图4）,可以较清晰地辨识出画面中水稻和玉米的叶、穗等特征。

为了保证系统的正常有效运转和数据采集的准确性,对硬件设备进行了精度控制。

所有传感器事先都经过校准，其数据采集误差属于系统误差，且介于允许误差范围之内。

传感器放置的具体位置、高度（或深度）是根据长期致力于农业气象观测的专业人员针对不同农作物的生长特点讨论而确定的,具有一定的科学性。

在系统试运行期间，由专业维护人员定期对网络摄像头的玻璃罩进行擦洗,以确保图像采集的清晰度。

５结论

（1）经鹤壁市、郑州市、成都市和荆州市4站测试，基于远程监控的农业气象自动采集系统显示出较好的稳定性，农田小气候和视频图像要素数据的采集、传输、动态实时显示与远程监控等各项功能均可满足各级用户需求。

该系统不仅能够自动采集降水量、气温、空气相对湿度、风速、风向、光合有效辐射、土壤温度、土壤含水率等农田小气候要素和图像信息，而且可以根据实时显示的视频画面掌握第一手的农田现场资料，大大缩短了从观测、上报、评估到应对措施下达的整个响应过程,为及时了解农作物生长动态、进行农业气象会商与决策提供科学依据。

同时,该系统还具备良好的可扩展性，可以随时在系统采集前端增加相关传感器设备,以满足农业气象观测的各类需求。

（2）与现有各类传感器采集技术相比，基于远程监控的农业气象自动采集系统最大特点在于视频图像信息的自动采集方面，这是最终实现农作物生长状况定量判别的前提和基础。

在图像识别技术和几何测量技术等的支持下，农作物生育期、植株高度、种植密度乃至穗数等产量要素信息的定量提取将成为现实。

若能在全国范围内形成一定规模的观测网络体系，将可大大提高农业气象及其灾害预报、农作物估产等的准确性。

（3）作为一项新技术，基于远程监控的农业气象自动采集系统从根本上完全不同于传统农业气象观测。

因此，与其对应的一系列观测规范如采集设备组装、农田小气候观测、作物生长发育观测、农业气象灾害和病虫害观测、作物生长量观测等的田间试验研究与规范制定显得尤为重要。

附则:

托普仪器研发的便携式无线农业气象远程监测系统

系统概述

便携式无线农业气象远程监测系统由托普仪器研发而成。

集传感技术、数据处理技术、图像成型技术为一体的高科技产品。

产品主要是BNL-GPRＳ系列，广泛应用于农林业,指导农业、林业的生产。

气象监测要素

农业气象要素狭义的是指与农业生产有关的气象要素（表）。

广义的还可包括农业生产身的一些特征。

农业气象平行观测中所有的观测项目以及农业气象问题触及到的参数，如发育期、种植密度、植株高度、产量等都是农业气象要素。

观测和研究农业气象要素时间、空间的变化规律以及它们之间的关系是农业气象学的基本任务之一。

常见农业气象要素：

光：

日照时数、太阳光谱、光照度、光饱和点、光补偿点温:

气温、地温、水温、农业生物体温（时温、家畜体温）、积温水:

空气温度、降水量、水面蒸发、土壤湿度、土壤有效水含量、农田耗水量、土壤水势、土壤蒸发、蒸腾气:

风向、风速、CO2浓度、CO２饱和点和CO2补偿点其它,云天状况、雾、霜、露、冰冻、积雪等。

仪器功能特点

主机及传输部分

时钟设置：

主机可设置北京时间；［1]

便携式无线农业气象远程监测系统

数据采集:

可以手动模式记录也可自动模式记录和上传

手动模式:

手动按键保存数据，单独按发送键可直接通过ＧＰRＳ或GSM上传至服务器。

自动模式:

设置数据采集和上传时间间隔,定时储存数据并将数据通过GＰRS或GSM进行上传,实现实时获取所采集数据,也可利用U盘直接取出历史数据（标配已含）。

GＳM短信模式:

可将数据以短信的形式发送至指定手机号码;

GPＲＳ网络模式：

可利用GＰRS传输模式将数据传输至网络中，用户可通过任何一台可上网的电脑查看数据并下载分析，也可以上传到国家指定的墒情IP站点。

输入指定手机号码，可将仪器和手机绑定进行智能控制也可单独通过发送短信命令进行智能控制：

可更改存储时间或采集间隔时间；可通过短信形式唤醒主机将数据发送至手机中。

　低电压提示:

长时间无操作自动进入待机省电模式。

信号强度显示：

主机屏幕直接显示天线信号强度显示。

传感器通道设置：

可按需要自行组合,传感器插入主机后自动搜索到多种不同类别的传感器（类似于U盘接电脑），要求以后可增加气象及土壤参数只购传感器即可,无需再配主机。

上位机软件

上位机软件要求：

显示每种参数过程曲线趋势和最大值、最小值、平均值显示查看、放大、缩小功能,每种参数的报表、曲线图可选择时段查询。

每种参数的报表、曲线图均可选择时段查询查看,并可输出打印。

墒情评价:

可以设置最低最高超限值,可自动进行墒情评价及旱情分析。

软件可在线升级。

供电部分

仪器内置大容量锂电池,可随用随充。