A TY田间小气候自动观测仪农田气象站 农田气
夏志尧 何洪林 王俊杰
[摘 要]由于先进传感器、通讯网络及数据库技术的进步，我国农田小气候观测从人工转到自动化观测已是一种必然的趋向。本文介绍了一种农田气候自动观测仪，从其软硬件结构、功能、性能及适用要求等方面进行了详细论述，具有一定的应用价值。
[关键词]农田气候自动观测仪 结构 数据
中图分类号：TU105 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）15-0097-01
对农业气象加以观察的一个关键构成就是农田小气候自动观测，其亦奠定了农业气象服务及科学研究的根基，在维护国家粮食安全方面有着十分重要的作用。新世纪及新情况下，强化农业气象观测能力是发展我国农业生产的需要，亦是防灾减灾的需要，还是发展我国气象事业的需要，更是发展我国现代农业气象业务的需要。
由于先进传感器、通讯网络及数据库技术的进步，我国农田小气候观测从人工转到自动化观测已是一种必然的趋向。对农田小气候进行自动观测能够很好地提升工作成效、增强观测资料的客观性、减少人为误差、提升业务的时效性及针对性。
1、结构要求
农田小气候自动观测体系由硬件与软件构成，硬件上主要包括气象要素传感器、视频监控设备、数据采集器和外围设备；软件上主要包括嵌入式软件和观测站业务软件。
1.1 硬件结构
1.1.1 气象要素传感器
气象要素传感器是农田小气候观测的关键构成内容，由数字量传感器、模拟量传感器及智能传感器构成。
1.1.2 数据采集器
农田小气候自动观测体系的要害之处在于气象要素采集器，其硬件部分由许多种类的电路模块构成，主要包括：嵌入式处理器；高稳定性电源；大容量数据存储器；高精度时钟电路；高精度模数转换电路，以及多路数字及模拟传感器接口、通讯接口、指示灯电路等。
1.1.3 外围设备
（1）电源。农田小气候电源主要有两种类型，其一是主电源，其二是图像视频电源。农田小气候主电源向气象要素数据采集器与相关传感器、通信设备提供电力支持，其组成部分包括：太阳能电池、PV控制器、蓄电池。采取市电提供电力时，电源由开关电源、充电器、蓄电池构成；采用太阳能供电时，电源由太阳能电池、PV控制器、蓄电池构成，电源容量可以满足图像、通信设备在停电或连续阴雨天气下正常工作7天。
（2）外存储器。观测系统可同时使用1个CF卡作为外存储器，用于存储气象数据，数据以FAT32文件格式存储。
（3）通信设备。GPRS通信模块：通过在气象数据采集器的RS-232通信口上扩展GPRS通信模块，实现采集器和观测站的GPRS通信，传输气象观测数据；当选择有线通信方式时，路由器是视频监控的重要组成部分，用来实现与观测站进行光纤通信。
1.2 软件结构
主要包括嵌入式软件及业务软件。嵌入式操作系统应选择实时性高、性价比好、稳定可靠的多任务实时操作系统；业务软件是安装在数据监控中心服务器中的应用软件。
2、功能要求
2.1 观测项目
农田小气候自动观测仪的观测项目分为气象观测元素、土壤环境元素、作物特点、安全和环境情况、扩展元素等。
2.2 各硬件单元功能
2.2.1 数据采集
此项功能包括：对传感器按预定的采样频率进行扫描，然后把获取的电信号转换成微控制器可读信号；对气象变量测量值进行转换，得到采样瞬时值；利用采样瞬时值计算出瞬时气象值；掌控数据的品质等。
2.2.2 数据处理
此项功能主要包括：导出气象观测需要的其他气象变量瞬时值；计算气象观测需要的统计量。
2.2.3 数据存储
气象要素采集器主要存储如下数据：1小时的采样瞬时值、7天的瞬时气象（分钟）值、1月的正点气象要素值，以及相应的导出量和统计量等。数据存储可以使用循环式存储器结构，即允许最新的数据覆盖旧数据。采集器内部的数据存贮器应具备掉电保存功能。
采集的气象要素数据在可移动存储器（如CF卡）上以文件方式进行存储，可以保存不少于6个月时间的全要素分钟数据，全部数据以文件方式存入。
2.2.4 数据传输
农田小气候自动观测仪要具备传递气象数据的功用。数据采集器利用RS-232长线驱动器、GRPS模块等通信设备，把气象数据以无线或有线的方式传输到数据监控中心。气象数据传输应采用终端操作命令中的数据传输命令实现。
2.2.5 状态监控
每隔60分钟上传一次观测站工作状态参数集，或随时接收监控中心下达的指令、上传监测站当前工作状态信息集。具体内容包括：交流供电状态、蓄电池电压、机箱温度、机箱门开关状态、传感器工作状态参数等。
2.2.6 安全报警
每隔60分钟上传一次监测站安全状态信息集，或随时接收监控中心下达的指令上传监测站当前安全状态信息集。安全报警监控包括交流供电状态、蓄电池电压、机箱温度、机箱门开关状态、无线通讯在线状态、传感器工作状态等出现异常时报警。
2.2.7 終端操作命令
终端操作命令为采集器和终端微机之间进行通讯的命令，以实现对采集器所有参数的设置及传达，从采集器读取各种数据和下载所有类型的文件。
2.2.8 对时
采用中心站业务软件自动或人工发布指令，对站网内的观测站统一校准日期和时间，当观测站时钟误差超过设定值时可自动报警。支持网络时间同步，实现时间同步。
3、性能要求
3.1 气象要素测量性能
3.1.1 测量要素
标配时农田小气候传感器要能够同一时间测量如下气象元素：田间不同高度的空气温度、空气湿度；作物冠层上方的风向、风速；田间降水量；作物冠层上方总辐射；作物冠层上方光合有效辐射；田间日照时数；田间不同深度的地温。
3.1.2 单位量纲
主要气象要素的量和单位名称及其符号按照有关规定确定。
3.1.3 测量要求
气象要素的测量性能及相关要求，包括范围、分辨力、最大允许误差等，亦需参见有关规定执行。
3.1.4 采样和算法
在多任务即时操作体系的帮助下，分别设置采集器所有传感器的采样任务，各任务在规定的时间内进行采样。采集器对直接挂接的各要素传感器按规定的时序要求进行采集，并为采样值加上时间标志，交给后续处理。
4、供电要求及工作环境要求等
农田小气候自动观测仪把标称12V免维护蓄电池当作完成基本任务的电源，而且把太阳能当作优先选择的辅助电源给蓄电池充电。备选的辅助电源可以采用风能、交流电源等。蓄电池的容量必须保证自动气象站能在脱离辅助电源的条件下连续工作7天，并在蓄电池电压低到标称电压的95%（11.4V）时发出报警信息。此外，其对工作环境亦有着一定的要求，主要包括以下方面内容：环境温度：-30℃～50℃；相对湿度：15%～100%RH；大气压力：840hPa～1060hPa；太阳辐射：≤1120W/m2；环境风速：≤60m/s；降水强度：6mm/min。
参考文献
[1] 刘阳，甘景霖，白玉龙.农田小气候观测仪的设计[J].仪器仪表用户，2015，22（05）：31-36.
[2] 辛玉明.基于ARM的农田气候自动观测系统的设计[D].哈尔滨理工大学，2017.
[3] 胡萌琦.普及型生态—农业气象自动观测方法研究与应用[D].南京农业大学，2011.
作者简介
夏志尧（1995.08.21）男，天津宝坻人，本科，哈尔滨理工大学学生，研究方向：自动化仪表及装置，单位邮编：150000。
何洪林（1994.11.18）男，四川通江人，本科，哈尔滨理工大学学生，研究方向：自动化仪表及装置，单位邮编：150000。
王俊杰（1996.09.18）男，广东东莞人，本科，哈尔滨理工大学学生，研究方向：自动化仪表及装置，单位邮编：150000。
