摘要為提高灣店村防災(zāi)減災(zāi)水平，研制了一套蘑菇大棚小氣候觀(guān)測(cè)及氣象服務(wù)系統(tǒng)。利用智能傳感器和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了蘑菇大棚小氣候觀(guān)測(cè)及氣象預(yù)警服務(wù)的自動(dòng)化和智能化，并取得了良好的應(yīng)用效果。對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和建設(shè)方案進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞小氣候；氣象服務(wù)；智能傳感器；信息網(wǎng)絡(luò)

中圖分類(lèi)號(hào)S126；P409文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）23-0214-04

Microclimate Observation and Construction of Meteorological Service System for Mushroom Greenhouse in Wandian Village

FAN Qi

（Henan Meteorology Detection and Data Center， Zhengzhou，Henan 450003）

AbstractIn order to improve disaster prevention and mitigation level in Wandian Village， we developed a set of microclimate observation and meteorological service system for mushroom greenhouses. By using smart sensors and information network technology， microclimate observation and weather warning service realized the automation and intelligence， and good application effect was achieved.The architecture，operational principle，construction schemes of this system were expounded.

Key wordsMicroclimate；Meteorological service；Smart sensors；Information network

作者簡(jiǎn)介樊奇（1988—），男，河南開(kāi)封人，助理工程師，碩士，從事氣象技術(shù)保障和研究工作。

收稿日期2017-06-09

灣店村位于河南省信陽(yáng)市新縣西南部，地處江淮流域，雨量充沛，土質(zhì)肥沃。河南省氣象局扶貧工作隊(duì)根據(jù)灣店村的地理優(yōu)勢(shì)和氣候條件，引進(jìn)了“四菇連種項(xiàng)目”，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。為賦予蘑菇生產(chǎn)氣象科技元素，有力扶持“四菇連種項(xiàng)目”的健康成長(zhǎng)，同時(shí)增強(qiáng)灣店村氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)及預(yù)警能力，提高防災(zāi)減災(zāi)水平[1-3]，筆者所在的河南省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心研制了一套蘑菇大棚小氣候觀(guān)測(cè)及氣象服務(wù)系統(tǒng)，用于探索蘑菇科學(xué)生產(chǎn)條件，指導(dǎo)種植戶(hù)合理作業(yè)，并及時(shí)方便地向當(dāng)?shù)卮迕裉峁庀箢A(yù)報(bào)、災(zāi)害預(yù)警等信息。筆者對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和建設(shè)方案進(jìn)行了闡述。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

蘑菇大棚小氣候觀(guān)測(cè)及氣象服務(wù)系統(tǒng)主要由小氣候自動(dòng)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)、六要素氣象站、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、氣象監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)、Web應(yīng)用平臺(tái)、手機(jī)APP客戶(hù)端、LED顯示屏構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，小氣候自動(dòng)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)安裝在蘑菇大棚內(nèi)部，六要素氣象站安裝在大棚附近的開(kāi)闊場(chǎng)地，LED顯示屏安裝在大棚外的道路旁，氣象監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)和Web應(yīng)用平臺(tái)部署在河南省氣象局信息中心服務(wù)器上，手機(jī)APP客戶(hù)端由種植戶(hù)根據(jù)需要自行下載安裝。

2工作原理

小氣候自動(dòng)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)、六要素氣象站、視頻監(jiān)控系統(tǒng)分別采集大棚內(nèi)小氣候數(shù)據(jù)、氣象環(huán)境數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)分別通過(guò)無(wú)線(xiàn)（如3G、4G等）或有線(xiàn)方式發(fā)送到河南省氣象局的氣象監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)，經(jīng)氣象監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)分析、處理后，將小氣候數(shù)據(jù)、氣象環(huán)境數(shù)據(jù)、天氣預(yù)報(bào)、氣象災(zāi)害預(yù)警等信息制作成產(chǎn)品，發(fā)布到Web應(yīng)用平臺(tái)、LED顯示屏及種植戶(hù)的手機(jī)APP客戶(hù)端。

3建設(shè)方案

3.1小氣候自動(dòng)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)

蘑菇的生長(zhǎng)、管理、采摘都與氣象因子密切相關(guān)，適宜的氣象環(huán)境對(duì)于提高蘑菇產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要作用[4]。影響蘑菇生長(zhǎng)的環(huán)境因子主要有空氣溫濕度、氧氣和CO2含量、基質(zhì)溫濕度、基質(zhì)酸堿度等，依據(jù)蘑菇種植對(duì)大棚環(huán)境因子的敏感度以及大棚內(nèi)的實(shí)際種植情況，該系統(tǒng)對(duì)大棚內(nèi)空氣溫濕度、基質(zhì)溫濕度進(jìn)行梯度觀(guān)測(cè)。

小氣候自動(dòng)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)主要由空氣溫濕度傳感器、基質(zhì)溫濕度傳感器以及數(shù)據(jù)通信器組成。由于蘑菇大棚內(nèi)部為高溫、高濕環(huán)境，且考慮到種植管理過(guò)程中的安全問(wèn)題，安裝在大棚內(nèi)部的傳感器等設(shè)備必須具備較高的防護(hù)等級(jí)，且不得使用強(qiáng)電電源。因此，該系統(tǒng)的空氣溫濕度傳感器、基質(zhì)溫濕度傳感器采用電池供電，并由可透過(guò)無(wú)線(xiàn)信號(hào)的密封殼體包覆，分別安裝在大棚內(nèi)支架和培育基質(zhì)中。大棚內(nèi)蘑菇種植共分為6層，觀(guān)測(cè)1、3、6層的空氣溫濕度和基質(zhì)溫濕度，無(wú)線(xiàn)傳感器的安裝位置如圖2所示。

數(shù)據(jù)通信器安裝在蘑菇大棚外，供電方式不受限制，既可使用內(nèi)部電池供電，也可采用外接電源。數(shù)據(jù)通信器和各傳感器之間通過(guò)ZigBee或WiFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組網(wǎng)通訊。可接入的通訊節(jié)點(diǎn)數(shù)量不少于200個(gè)，局地通信距離不小于1 km，與中心站軟件可通過(guò)無(wú)線(xiàn)或有線(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

3.2視頻監(jiān)控系統(tǒng)

蘑菇生產(chǎn)不僅與環(huán)境因子有關(guān)，技術(shù)人員的生產(chǎn)操作對(duì)其同樣也有較大的影響。記錄技術(shù)員的日常操作，并結(jié)合大棚內(nèi)環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)于建立蘑菇種植的標(biāo)準(zhǔn)化方式和提高大棚生產(chǎn)效益具有重要意義。該系統(tǒng)通過(guò)智能記錄技術(shù)員的生產(chǎn)操作，并定時(shí)向省中心站發(fā)送蘑菇生長(zhǎng)狀態(tài)圖片，為蘑菇種植技術(shù)研究提供相關(guān)依據(jù)。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由攝像機(jī)、圖像采集器、WiFi定向發(fā)射/接收器、監(jiān)控主機(jī)等組成。其中，攝像機(jī)安裝在大棚內(nèi)中間位置通道的上方，拍攝方向正對(duì)蘑菇架的位置。WiFi定向發(fā)射器/接收器配套使用，分別安裝在大棚和監(jiān)控室外壁上。通過(guò)WiFi定向發(fā)射器/接收器，圖像采集器將拍攝到的視頻數(shù)據(jù)以無(wú)線(xiàn)通信的方式發(fā)送到監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)也可遙控?cái)z像機(jī)的方向，使其找準(zhǔn)最佳拍攝角度。

3.3六要素氣象站

暴雨是灣店村的主要?dú)庀鬄?zāi)害，發(fā)生頻率高、災(zāi)害影響大。此外，由于灣店村境內(nèi)地貌形態(tài)多為山地，土壤多是黏結(jié)力差的風(fēng)化麻骨石，暴雨很容易造成山體滑坡、泥石流，從而造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害[5-6]。為防御暴雨災(zāi)害，減少災(zāi)害損失，提高災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)水平和預(yù)報(bào)精度并及時(shí)發(fā)布預(yù)警信息是非常必要的。

通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)六要素氣象站，增加該區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)采集空間密度，可以提高當(dāng)?shù)氐臑?zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)水平和預(yù)報(bào)精度，配合其附近設(shè)置的LED顯示屏以及手機(jī)APP等，保證預(yù)警、預(yù)報(bào)信息的及時(shí)發(fā)布，從而提高當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)水平。

該系統(tǒng)采用國(guó)務(wù)院氣象主管機(jī)構(gòu)業(yè)務(wù)主管部門(mén)列裝的

六要素氣象站，觀(guān)測(cè)要素包括空氣溫濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、大氣壓力。

3.4氣象監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)

氣象監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)是整個(gè)小氣候觀(guān)測(cè)及氣象服務(wù)系統(tǒng)的核心，主要包括數(shù)據(jù)采集和處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、系統(tǒng)管理等功能。

（1）數(shù)據(jù)采集和處理。

①數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)補(bǔ)測(cè)2個(gè)部分：一方面，利用氣象監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)實(shí)時(shí)采集氣象數(shù)據(jù)；另一方面，氣象監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性檢查，可對(duì)最近缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)傳，或由人工操作進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)傳。

②數(shù)據(jù)解析。根據(jù)不同設(shè)備通信協(xié)議的特點(diǎn)，確定不同的檢查方法，檢查接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式。

③數(shù)據(jù)入庫(kù)。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理并寫(xiě)入中間文件，對(duì)中間文件中標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析入庫(kù)處理。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)管理。

①基本信息維護(hù)：觀(guān)測(cè)站點(diǎn)信息的添加、刪除、更改、查找。

②報(bào)文數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)讀取、解析、數(shù)據(jù)入庫(kù)、報(bào)文備份等。

③其他功能：數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)檢測(cè)、數(shù)據(jù)庫(kù)備份與清除、入庫(kù)記錄查看、系統(tǒng)日志查看等。

（3）系統(tǒng)管理。

①參數(shù)管理：對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件參數(shù)以及硬件設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、修改及下發(fā)，包括站點(diǎn)信息、設(shè)備信息、設(shè)備工作參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)連接參數(shù)等。

②同步時(shí)鐘：定時(shí)自動(dòng)或人工手動(dòng)與設(shè)備終端進(jìn)行校時(shí)，確保系統(tǒng)內(nèi)時(shí)間的同步。

③系統(tǒng)監(jiān)控：記錄用戶(hù)的登錄和注銷(xiāo)狀態(tài)、操作種類(lèi)、操作時(shí)間，形成用戶(hù)操作日志；記錄各個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)（在線(xiàn)狀態(tài)及故障信息），形成系統(tǒng)日志。

3.5Web應(yīng)用平臺(tái)

Web應(yīng)用平臺(tái)是基于B/S架構(gòu)而設(shè)計(jì)的集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)查詢(xún)、分析和統(tǒng)計(jì)于一體的PC客戶(hù)端軟件，主要包括運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)應(yīng)用、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，用戶(hù)通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)Web應(yīng)用平臺(tái)的外網(wǎng)地址，登錄后即可使用。

（1）運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。

通過(guò)調(diào)用百度地圖API，系統(tǒng)可自動(dòng)根據(jù)臺(tái)站參數(shù)配置進(jìn)行定位，并根據(jù)臺(tái)站運(yùn)行狀況進(jìn)行顯示。當(dāng)臺(tái)站運(yùn)行正常時(shí)，臺(tái)站圖標(biāo)顯示為藍(lán)色圖標(biāo)；當(dāng)臺(tái)站運(yùn)行異常時(shí)，則顯示為紅色圖標(biāo)等，如圖3所示。

（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控。

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控頁(yè)面中，可查看蘑菇大棚內(nèi)的空氣溫濕度、基質(zhì)溫濕度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并以曲線(xiàn)圖的方式顯示各要素的數(shù)據(jù)走勢(shì)，在左側(cè)的視頻監(jiān)控窗口中可查看實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻，如圖4所示。

（3）歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)。

用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際需要，按照臺(tái)站編號(hào)、觀(guān)測(cè)要素和觀(guān)測(cè)時(shí)間查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)，并將查詢(xún)結(jié)果以表格視圖或曲線(xiàn)視圖的形式進(jìn)行顯示，如圖5所示。

（4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

系統(tǒng)能夠?qū)諝鉁囟?、空氣濕度、基質(zhì)溫濕度等觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)按照日最高值、日平均值以及日最低值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際需要，自定義臺(tái)站編號(hào)、觀(guān)測(cè)要素或觀(guān)測(cè)時(shí)間等查詢(xún)條件，篩選統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖6所示。

3.6手機(jī)APP客戶(hù)端

氣象監(jiān)測(cè)分析應(yīng)用客戶(hù)端APP，是基于A(yíng)ndroid系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的移動(dòng)應(yīng)用客戶(hù)端，用戶(hù)登錄后可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程查看大棚內(nèi)空氣溫濕度和基質(zhì)溫濕度數(shù)據(jù)、六要素氣象站數(shù)據(jù)以及視頻監(jiān)控，并具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、信息推送等功能，如圖7所示。

4小結(jié)及展望

筆者在深入了解蘑菇生長(zhǎng)環(huán)境的基礎(chǔ)上，結(jié)合灣店村的實(shí)際情況，成功研制了一套蘑菇大棚小氣候觀(guān)測(cè)及氣象服務(wù)系統(tǒng)，對(duì)于探索蘑菇科學(xué)生產(chǎn)條件、增強(qiáng)當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)能力具有重要意義。

目前，該系統(tǒng)已建成并投入使用，可對(duì)蘑菇大棚內(nèi)空氣溫濕度、基質(zhì)溫濕度、技術(shù)員日常操作、周邊氣象環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基本實(shí)現(xiàn)了蘑菇大棚小氣候觀(guān)測(cè)及氣象服務(wù)平臺(tái)的統(tǒng)一化、智能化。由于該系統(tǒng)尚不具備大棚內(nèi)小氣候調(diào)節(jié)功能，因此研制配套的小氣候智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)，結(jié)合大棚內(nèi)環(huán)境因子數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)小氣候智能調(diào)節(jié)，將是今后研究的方向。

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