基于云計(jì)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

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基于云計(jì)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(guó)是個(gè)災(zāi)害多發(fā)的國(guó)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(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大損失。對(duì)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(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)的影響，我們?cè)谇鄭u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(jì)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(cè)系統(tǒng)依托部署在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(guò)智慧氣象云平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，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(jì)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(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)都有很大的影響[1]。而我國(guó)幅員遼闊，不同地域的氣象條件又千差萬(wàn)別。比如在對(duì)江南早稻育秧期有影響的春季低溫連陰雨，對(duì)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(duì)水稻、高粱、玉米和大豆等有影響的東北夏季低溫。對(duì)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(duì)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(shí)和掌握當(dāng)?shù)氐奶鞖鈿夂蛞?guī)律，對(duì)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(tái)，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(guó)家對(duì)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(kù)、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(lái)說(shuō)，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(duì)象是各層次各行業(yè)廣大的非氣象工作人員，因此如何來(lái)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(gè)平臺(tái)完成一個(gè)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(chǔ)。實(shí)現(xiàn)了一個(gè)分布式文件系統(tǒng)，HDFS。HDFS有著高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，并且設(shè)計(jì)用來(lái)部署在普通的信息服務(wù)器上。而且它提供高傳輸率來(lái)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(gè)開源的具有高可用性及擴(kuò)展性的云計(jì)算平臺(tái)。在開源的基礎(chǔ)上，完成農(nóng)業(yè)氣象信息云計(jì)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(jì)算共享平臺(tái)和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)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(jì)算服務(wù)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用戶（包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、下級(jí)數(shù)據(jù)中心、現(xiàn)場(chǎng)管理中心）可以充分利用云計(jì)算提供更高的效率，無(wú)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(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源，從而構(gòu)建一個(gè)IaaS平臺(tái)。

2 平臺(tái)的設(shè)計(jì)

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(guò)按鍵完成整個(gè)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(dòng)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(tái)的左上角選擇采集模式，用戶就可以在GIS平臺(tái)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(dòng)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(shí)還包括泵站信息管理、電動(dòng)閥信息管理等。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)時(shí)的將20路采集器的數(shù)據(jù)同步到服務(wù)器后臺(tái)，在系統(tǒng)上可以按照設(shè)備、時(shí)間進(jìn)行檢索，顯示出一臺(tái)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(bào)表的是形式展示出來(lái)。

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(zhǎng)的物種生長(zhǎng)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(huì)自動(dòng)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(kù)信息）的情況，進(jìn)行智能的控制，同時(shí)也可以進(jìn)行人工控制的決策支持。系統(tǒng)通過(guò)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(dòng)控制時(shí)，實(shí)際采集的數(shù)據(jù)會(huì)圍繞設(shè)定值上下波動(dòng)，波動(dòng)的幅度會(huì)越來(lái)越小，最終接近理想值，但是由于種植現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，有時(shí)會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)的波動(dòng)，都會(huì)第一時(shí)間反映到圖表上。

以黃瓜為例，黃瓜的適宜生長(zhǎng)的空氣溫度24℃，系統(tǒng)輸入后，選擇自動(dòng)控制。系統(tǒng)會(huì)跟進(jìn)設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備的自動(dòng)調(diào)控，當(dāng)采集器的溫度超過(guò)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(shí)關(guān)閉通風(fēng)口，保證溫度上升。達(dá)到最適宜黃瓜生長(zhǎng)的溫度。完成植物最佳的生長(zhǎng)的卡爾文循環(huán)。

系統(tǒng)的核心是指實(shí)時(shí)地獲取地塊中每個(gè)小區(qū)土壤、農(nóng)作物的信息，診斷作物的長(zhǎng)勢(shì)和產(chǎn)量在空間上差異的原因，并按每一個(gè)小區(qū)做出決策，準(zhǔn)確地在每一個(gè)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(tái)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(guò)氣象資料的共享，平臺(tái)的建立，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)對(duì)氣象數(shù)據(jù)的分析，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)暖棚通風(fēng)、增氧、灌溉等的智能控制，如果對(duì)相關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有疑問，我們還可以在線請(qǐng)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?cè)诮衲昊嘏锏牟シN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(duì)暖棚的播種提出了合理的規(guī)劃方案，以便后期對(duì)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(shí)監(jiān)控作物的生長(zhǎng)發(fā)育，通過(guò)智慧生產(chǎn)監(jiān)控平臺(tái)，適時(shí)發(fā)布天氣專報(bào)，對(duì)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(guò)設(shè)施基地實(shí)驗(yàn)，我們實(shí)現(xiàn)了氣象對(duì)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(guò)智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控平臺(tái)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(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)作物進(jìn)行更深入的研究，通過(guò)平臺(tái)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(duì)此平臺(tái)的推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

對(duì)基于云計(jì)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(xiàng)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(huì)效益，其應(yīng)用前景廣闊。

[1]劉曉曉.氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)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(duì)我國(guó)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

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1009-6434（2016）03-0067-02