农业多要素气象站的实现_陈晓.pdf

FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索农业多要素气象站的实现*陈 晓陈锋平（福建省机械科学研究院，福建 福州 350005）摘要：农业生产与气象是息息相关的，气象环境要素对农作物生长的影响各不相同，相互间也不可取代。农业多要素气象站选用性价比高、易维护的气象仪表来感知大气和土壤的多种环境信息，气象站主机依据Modbus通讯协议读取现场气象仪表的数据，通过无线网络上传至农业环境监测平台，及时掌握环境要素的变化。关键词：环境要素；大气环境；土壤环境；降雨量；Modbus通讯中图分类号：S24文献标识码：A文章编号：1004-3969（2022）04-012-04Realization of Agricultural Multi Factor Meteorological Station*CHEN Xiao，CHEN Fengping（Fujian Academy of Mechanical Sciences，Fuzhou，Fujian 350005，China）Abstract：Agricultural production is closely related to meteorology，and meteorological environmental factors have differentimpacts on crop growth，which cannot be replaced by each other.The agricultural multi factor meteorological station selectsmeteorological instruments with high cost performance and easy maintenance to sense various environmental information of theatmosphere and soil.The host of the meteorological station reads the data of the on-site meteorological instruments according to theModbus communication protocol，uploads it to the agricultural environment monitoring platform through the wireless network，andtimely grasps the changes of environmental factors.Key words：Environmental elements；Atmospheric environment；Soil environment；Rainfall；Modbus communication*省属公益类科研院所基本科研专项项目（2021R1004007）作者简介：陈晓（1970），男，高级工程师，研究方向：工业过程自动化、智能农业装备技术。植物生长的外部环境可归纳为光、温、水、气、肥等要素，气象环境要素有其各自的特征，对植物生长的影响各不相同，相互间也不可取代。如光照、温度非常适宜而土壤却很干旱时，植物吸收不到足够的水分无法进行光合作用；或者水分充足而温度太低，植物也无法进行光合作用。农业多要素气象站采集大气和土壤的相关环境数据，通过无线网络上传至农业环境监测平台，可及时掌握环境要素的变化，指导改善农业种植环境，提高农作物的产量和品质。该系统可以针对气候变化进行灾害预警，提前做好防灾减灾工作，发挥气象为农业生产服务的作用。1气象站构成农业多要素气象站的构成见图1，气象站主机集成了远程通讯模块和串口通讯模块，通过多功能GPRS 无线接口将数据上传至远端监测平台，通过RS485串行通讯接口读取现场各气象仪表的数据以及传送数据到本地监测主机、PLC或显示屏。远程通讯模块 太阳能板 电源控制器 串口通讯模块 气象仪表、传感器 气象站主机 蓄电池 远端监测平台 本地监测主机 图图1 1气象站的构成气象站的构成Fig.1 Composition of meteorological station气象站采用太阳能蓄能供电方式，保证在户外的 12FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索各种气候条件下可以正常不间断工作。电源控制器调节太阳能板的输出电压对蓄电池进行充电，防止蓄电池过充电；电源控制器为气象站主机、气象仪表等提供工作电源，并保护蓄电池不会过放电。2环境要素气象主管部门推荐列装的气象站应具备监测温度、湿度、气压、风向、风速及雨量等6个要素，其中为农业生产服务的气象站需要增加对光、气、肥等环境要素的测量，如光照度、CO2浓度、电导率等。农业多要素气象站监测大气和土壤环境等信息，主要包括大气环境监测、风向风速监测、降雨监测、土壤环境监测，实时测量 CO2浓度、空气温湿度、光照度、大气压力、风向、风速、降雨量、土壤温度、土壤水分、土壤电导率等环境参数，并可根据环境监测的要求增减气象仪表。系统选用性价比高、易维护的环境气象仪表、传感器，提供稳定可靠的测量数据来指导改善农业种植环境。2.1大气环境监测大气环境由温湿度、大气压力、CO2浓度及光照度等环境传感器来监测，传感器采用高灵敏度探头，信号稳定、精度高，传感器安装在气象百叶盒内，可保护其不受风吹日晒的影响。百叶盒采用优质抗紫外线材质，防水性能好，使用寿命长；盒体为白色，可提高对太阳辐射的反射；百叶盒的叶片倾斜向下，通风透气，可较真实地感应外界环境的变化。测量空气的温度、湿度是气象站的基本内容，直接暴露在空气中的测温元件所测的温度值与空气温度存在辐射误差，将温湿度传感器安放在气象百叶盒内，可防止太阳的直接辐射和地面的反辐射，减少辐射对气象传感器的影响。大气压力的变化与天气、季节等关系密切，一般来说，晴天的大气压比阴天高，冬天的大气压比夏天高。气象站每天应在规定的时间进行观测和记录大气压力，作为天气预报的一个重要依据。CO2是植物进行光合作用所必需的原料之一，是影响作物产量的重要因素。CO2浓度传感器基于远红外吸收原理，适用于快速、在线测量，传感器选用对CO2吸收最强的4.26 m红外线作为光源，有效避免水蒸气的干扰。植物生长依靠光合作用，光合有效辐射是指被绿色植物用来进行光合作用的那部分太阳辐射，是形成生物量的基本能源。光合有效辐射有3种测量方式：1）根据人的视觉光谱光效应测定单位面积光通量，用光照度（lx）来度量；2）从能量角度测定单位面积辐射量，用辐射度（Wm-2）来度量；3）从光量子角度测定单位时间单位面积通过的光量子数，用光量子通量密度（molm-2s-1）来度量。辐射度和光量子通量密度都是测量光合有效波段范围380710 nm的辐射能量，可以测定植物吸收光能的多少，是农业种植光照强度较好的衡量方法。光照度以人眼较为敏感的波长为555 nm的黄绿光为基准，植物对不同波段辐射能量的吸收是不同的，用光照度来描述植物的光照条件并不理想。但是光照度测量成本低，其应用更加广泛，自然环境下基本可以反映太阳辐射的强度，设计时选其作为农业气象站光照的计量。2.2风向风速监测风是农业生产不可或缺的一个环境因素，风会加速农田近地层热量交换，加强农田蒸散和空气的流动等，适度的风可以改善农田环境条件。但是风也会传播病原体，大风会造成土壤风蚀、毁坏农田等问题，同时大风还会造成作物倒伏、落花落果等，影响农作物产量。对风向风速进行监测，记录风的变化，可及时安排农事工作，减少大风带来的损失，确保农业稳产高产。采用风向仪对风向进行监测，风向仪主体采用风向标的机械结构，当风吹向风向标尾翼的时候，风向标的箭头就会指向风吹过来的方向。采用风速仪对风速进行监测，采用3风杯方式感应风速，当风吹动风杯旋转时，带动同轴的截光盘或磁棒转动，得到与风杯转速成正比的脉冲信号，换算后得出实际风速值。风向仪和风速仪外部进行电镀喷塑处理，具有良 13FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索好的防腐、防侵蚀等特点，内部采用顺滑的轴承系统以及防电磁干扰处理，确保准确采集风向风速的信息。2.3降雨监测降雨是大气水循环的重要环节，也是作物吸收水分的重要来源，降雨的信息是环境监测、农业气象安全等领域的重要指标。目前气象站较多使用双翻斗式雨量传感器，降落的雨水通过承水器、漏斗流入计量翻斗，在积水量达到一定时计量翻斗翻转，输出降雨量计数信号。这种基于流量的测量方式机械结构复杂且安装不方便，测量过程中易受蒸发作用和落叶、尘土等堵塞问题的影响，从而导致雨量数据缺测或数据异常。随着光学技术的发展和进步，光学技术应用在降雨的测量上已逐渐成熟。光学雨量计采用红外光感应原理，内置多个光学探头，利用空气中有无水滴时透光性质不同这一特点来推算出雨量的大小。光学雨量计采用非接触式测量，雨量检测不存在蒸发或溅洒误差，能快速测量降雨量并实时累计。表1列出光学雨量计和翻斗式雨量计性能对比。光学测量存在雨量信号阀值，小雨时降雨量如未超过阀值则检测不到，但是其分辨率、允许最大雨量都优于传统的机械接触式测量，与机械式相比价格相当且易于安装和维护。表表1 1雨量计性能对比雨量计性能对比Tab.1 Performance comparison of rain gauge性能指标分辨率/mm累计降雨信号/mm允许最大雨量/（mm/min）测量误差/%安装方式维护性光学雨量计0.10.1245体积小重量轻，安装简单不易被落叶遮挡翻斗式雨量计0.211083高灵敏翻斗，需水平安装需不定期检查、清洗2.4土壤环境监测土壤是植物吸收水分、营养物质生长的重要来源，有机质的分解和转化与土壤中的温度、水分有着密切的关系。在农业生产和种植中，应加强对温度、水分、肥力等土壤环境的管理，指导合理的施肥、科学的灌溉，以达到节水节肥增产的目标。土壤监测仪可同时监测土壤的含水量、温度和电导率，传感器采用时域反射法或高频振荡法监测原理，能够较为准确测量土壤中的水分含量。土壤电导率是测定土壤水溶性盐的指标，通过土壤电导率测算灌溉时加入的水溶性肥料的盐分，以此判断土壤中肥料的含量，进而指导是否需要施肥及施肥量多少。3通讯配置该设计的气象站共采集大气和土壤的11种环境要素，分别通过RS485串行通讯接口从5个气象仪表中读取数据，通讯接口上增加气象仪表也很方便。表2通讯配置表中列出5个气象仪表的通讯地址、所测量的参数、数据读取的地址。气象仪表之间用4芯接插头对接，其中2芯为电源线，2芯为RS485通讯线，尼龙接插头防水防尘也方便线路拆装。RS485 通讯基本参数为：波特率4800 bit/s，数据位8位，无奇偶校验位，1位停止位，冗余循环码校验。采用Modbus通讯协议连接可以一次性读取各站点的多个字节数据，便于查询气象百叶盒、土壤监测仪等包含多个数据的气象仪表。表表2 2通讯配置表通讯配置表Tab.2 Communication configuration table仪表名称风速仪风向仪土壤监测仪气象百叶盒雨量计通讯地址1231116测量参数风速风向土壤温度土壤水分土壤电导率空气温度空气湿度CO2浓度大气压力光照度降雨量寄存器地址001025015005035055065070（下转第下转第1818页页）14FUJIANNONGJI福建农机FUJIANNONGJI第4期2022研究与探索备实现无人值守、远程监测，减少了农艺管理员和设备管理员的重复工作。设备的应用可实现高品质、高产量、节能、节水、节肥种植。水培式控温灌溉系统的功能示意图如图2所示。图图2 2水培式控温灌溉系统功能示意图水培式控温灌溉系统功能示意图Fig.2 Functional diagram of hydroponict temperaturecontrol irrigation system4结语调温灌溉可以促进植物对养分的吸