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摘要为提高湾店村防灾减灾水平，研制了一套蘑菇大棚小气候观测及气象服务系统。利用智能传感器和信息网络技术，实现了蘑菇大棚小气候观测及气象预警服务的自动化和智能化，并取得了良好的应用效果。对该系统的结构、工作原理和建设方案进行了阐述。
关键词小气候；气象服务；智能传感器；信息网络
中图分类号S126；P409文献标识码A文章编号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
作者簡介樊奇（1988—），男，河南開封人，助理工程师，硕士，从事气象技术保障和研究工作。
收稿日期2017-06-09
湾店村位于河南省信阳市新县西南部，地处江淮流域，雨量充沛，土质肥沃。河南省气象局扶贫工作队根据湾店村的地理优势和气候条件，引进了“四菇连种项目”，并取得了良好的经济效益。为赋予蘑菇生产气象科技元素，有力扶持“四菇连种项目”的健康成长，同时增强湾店村气象灾害监测及预警能力，提高防灾减灾水平[1-3]，笔者所在的河南省气象探测数据中心研制了一套蘑菇大棚小气候观测及气象服务系统，用于探索蘑菇科学生产条件，指导种植户合理作业，并及时方便地向当地村民提供气象预报、灾害预警等信息。笔者对该系统的结构、工作原理和建设方案进行了阐述。
1系统结构
蘑菇大棚小气候观测及气象服务系统主要由小气候自动观测系统、六要素气象站、视频监控系统、气象监测分析平台、Web应用平台、手机APP客户端、LED显示屏构成，其系统结构如图1所示。其中，小气候自动观测系统和视频监控系统安装在蘑菇大棚内部，六要素气象站安装在大棚附近的开阔场地，LED显示屏安装在大棚外的道路旁，气象监测分析平台和Web应用平台部署在河南省气象局信息中心服务器上，手机APP客户端由种植户根据需要自行下载安装。
2工作原理
小气候自动观测系统、六要素气象站、视频监控系统分别采集大棚内小气候数据、气象环境数据、视频监控数据，采集到的数据分别通过无线（如3G、4G等）或有线方式发送到河南省气象局的气象监测分析平台，经气象监测分析平台分析、处理后，将小气候数据、气象环境数据、天气预报、气象灾害预警等信息制作成产品，发布到Web应用平台、LED显示屏及种植户的手机APP客户端。
3建设方案
3.1小气候自动观测系统
蘑菇的生长、管理、采摘都与气象因子密切相关，适宜的气象环境对于提高蘑菇产量和质量具有重要作用[4]。影响蘑菇生长的环境因子主要有空气温湿度、氧气和CO2含量、基质温湿度、基质酸碱度等，依据蘑菇种植对大棚环境因子的敏感度以及大棚内的实际种植情况，该系统对大棚内空气温湿度、基质温湿度进行梯度观测。
小气候自动观测系统主要由空气温湿度传感器、基质温湿度传感器以及数据通信器组成。由于蘑菇大棚内部为高温、高湿环境，且考虑到种植管理过程中的安全问题，安装在大棚内部的传感器等设备必须具备较高的防护等级，且不得使用强电电源。因此，该系统的空气温湿度传感器、基质温湿度传感器采用电池供电，并由可透过无线信号的密封壳体包覆，分别安装在大棚内支架和培育基质中。大棚内蘑菇种植共分为6层，观测1、3、6层的空气温湿度和基质温湿度，无线传感器的安装位置如图2所示。
数据通信器安装在蘑菇大棚外，供电方式不受限制，既可使用内部电池供电，也可采用外接电源。数据通信器和各传感器之间通过ZigBee或WiFi无线网络协议组网通讯。可接入的通讯节点数量不少于200个，局地通信距离不小于1 km，与中心站软件可通过无线或有线方式实现数据交互。
3.2视频监控系统
蘑菇生产不仅与环境因子有关，技术人员的生产操作对其同样也有较大的影响。记录技术员的日常操作，并结合大棚内环境因子数据进行统计分析，对于建立蘑菇种植的标准化方式和提高大棚生产效益具有重要意义。该系统通过智能记录技术员的生产操作，并定时向省中心站发送蘑菇生长状态图片，为蘑菇种植技术研究提供相关依据。 视频监控系统主要由摄像机、图像采集器、WiFi定向發射/接收器、监控主机等组成。其中，摄像机安装在大棚内中间位置通道的上方，拍摄方向正对蘑菇架的位置。WiFi定向发射器/接收器配套使用，分别安装在大棚和监控室外壁上。通过WiFi定向发射器/接收器，图像采集器将拍摄到的视频数据以无线通信的方式发送到监控主机，监控主机也可遥控摄像机的方向，使其找准最佳拍摄角度。
3.3六要素气象站
暴雨是湾店村的主要气象灾害，发生频率高、灾害影响大。此外，由于湾店村境内地貌形态多为山地，土壤多是黏结力差的风化麻骨石，暴雨很容易造成山体滑坡、泥石流，从而造成严重的洪涝灾害[5-6]。为防御暴雨灾害，减少灾害损失，提高灾害性天气监测水平和预报精度并及时发布预警信息是非常必要的。
通过在现场建设六要素气象站，增加该区域的气象数据采集空间密度，可以提高当地的灾害性天气监测水平和预报精度，配合其附近设置的LED显示屏以及手机APP等，保证预警、预报信息的及时发布，从而提高当地防灾减灾水平。
该系统采用国务院气象主管机构业务主管部门列装的
六要素气象站，观测要素包括空气温湿度、风速、风向、雨量、大气压力。
3.4气象监测分析平台
气象监测分析平台是整个小气候观测及气象服务系统的核心，主要包括数据采集和处理、数据库管理、系统管理等功能。
（1）数据采集和处理。
①数据采集。数据采集包括实时数据采集和数据补测2个部分：一方面，利用气象监测分析平台实时采集气象数据；另一方面，气象监测分析平台自动进行数据完整性检查，可对最近缺失的数据进行自动补传，或由人工操作进行数据补传。
②数据解析。根据不同设备通信协议的特点，确定不同的检查方法，检查接收数据的数据格式。
③数据入库。对原始数据进行标准化处理并写入中间文件，对中间文件中标准格式的数据进行解析入库处理。
（2）数据库管理。
①基本信息维护：观测站点信息的添加、删除、更改、查找。
②报文数据处理：数据读取、解析、数据入库、报文备份等。
③其他功能：数据传输状态检测、数据库备份与清除、入库记录查看、系统日志查看等。
（3）系統管理。
①参数管理：对系统的应用软件参数以及硬件设备参数进行设置、修改及下发，包括站点信息、设备信息、设备工作参数、网络通信参数、数据库连接参数等。
②同步时钟：定时自动或人工手动与设备终端进行校时，确保系统内时间的同步。
③系统监控：记录用户的登录和注销状态、操作种类、操作时间，形成用户操作日志；记录各个监测设备的运行状态（在线状态及故障信息），形成系统日志。
3.5Web应用平台
Web应用平台是基于B/S架构而设计的集实时数据与状态的监测、数据查询、分析和统计于一体的PC客户端软件，主要包括运行状态监控、数据应用、远程监控等功能，用户通过访问Web应用平台的外网地址，登录后即可使用。
（1）运行状态监控。
通过调用百度地图API，系统可自动根据台站参数配置进行定位，并根据台站运行状况进行显示。当台站运行正常时，台站图标显示为蓝色图标；当台站运行异常时，则显示为红色图标等，如图3所示。
（2）实时数据监控。
在实时数据监控页面中，可查看蘑菇大棚内的空气温湿度、基质温湿度的实时数据，并以曲线图的方式显示各要素的数据走势，在左侧的视频监控窗口中可查看实时监控视频，如图4所示。
（3）历史数据查询。
用户可根据实际需要，按照台站编号、观测要素和观测时间查询历史数据，并将查询结果以表格视图或曲线视图的形式进行显示，如图5所示。
（4）数据统计分析。
系统能够对空气温度、空气湿度、基质温湿度等观测数据按照日最高值、日平均值以及日最低值进行统计分析，用户可根据实际需要，自定义台站编号、观测要素或观测时间等查询条件，筛选统计结果，如图6所示。
3.6手机APP客户端
气象监测分析应用客户端APP，是基于Android系统开发的移动应用客户端，用户登录后可实时远程查看大棚内空气温湿度和基质温湿度数据、六要素气象站数据以及视频监控，并具有数据统计分析、信息推送等功能，如图7所示。
4小结及展望
笔者在深入了解蘑菇生长环境的基础上，结合湾店村的实际情况，成功研制了一套蘑菇大棚小气候观测及气象服务系统，对于探索蘑菇科学生产条件、增强当地防灾减灾能力具有重要意义。
目前，该系统已建成并投入使用，可对蘑菇大棚内空气温湿度、基质温湿度、技术员日常操作、周边气象环境数据进行实时监测，基本实现了蘑菇大棚小气候观测及气象服务平台的统一化、智能化。由于该系统尚不具备大棚内小气候调节功能，因此研制配套的小气候智能调节系统，结合大棚内环境因子数据，实现大棚内小气候智能调节，将是今后研究的方向。
参考文献
[1] 王晓，曹华.阿克塞县温室大棚小气候观测及气象服务系统建设[J].现代农业科技，2016（20）：210-213.
[2] 杨文刚，黎明锋，胡幼林，等.蔬菜大棚气象服务系统设计与实现[J].湖北农业科学，2008，47（11）：1342-1345.
[3] 宫志宏，李春，薛庆禹.基于GPRS模块温室小气候预警查询系统设计[J].现代农业科技，2015（12）：335-337.
[4] 林莉，李招连.漳州市蘑菇生产的气象条件和对策研究[J].福建热作科技，2012，37（4）：37-39.
[5] 赵萍，彭焕荣，赵辉，等.新县地形地貌与暴雨洪涝成因分析[C]//天气、气候与可持续发展——河南省气象学会2010年年会论文集.郑州：河南省气象学会，2010.
[6] 陈刚.广州市城区暴雨洪涝成因分析及防治对策[J].广东水利水电，2010（7）：38-41.
关键词小气候；气象服务；智能传感器；信息网络
中图分类号S126；P409文献标识码A文章编号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
作者簡介樊奇（1988—），男，河南開封人，助理工程师，硕士，从事气象技术保障和研究工作。
收稿日期2017-06-09
湾店村位于河南省信阳市新县西南部，地处江淮流域，雨量充沛，土质肥沃。河南省气象局扶贫工作队根据湾店村的地理优势和气候条件，引进了“四菇连种项目”，并取得了良好的经济效益。为赋予蘑菇生产气象科技元素，有力扶持“四菇连种项目”的健康成长，同时增强湾店村气象灾害监测及预警能力，提高防灾减灾水平[1-3]，笔者所在的河南省气象探测数据中心研制了一套蘑菇大棚小气候观测及气象服务系统，用于探索蘑菇科学生产条件，指导种植户合理作业，并及时方便地向当地村民提供气象预报、灾害预警等信息。笔者对该系统的结构、工作原理和建设方案进行了阐述。
1系统结构
蘑菇大棚小气候观测及气象服务系统主要由小气候自动观测系统、六要素气象站、视频监控系统、气象监测分析平台、Web应用平台、手机APP客户端、LED显示屏构成，其系统结构如图1所示。其中，小气候自动观测系统和视频监控系统安装在蘑菇大棚内部，六要素气象站安装在大棚附近的开阔场地，LED显示屏安装在大棚外的道路旁，气象监测分析平台和Web应用平台部署在河南省气象局信息中心服务器上，手机APP客户端由种植户根据需要自行下载安装。
2工作原理
小气候自动观测系统、六要素气象站、视频监控系统分别采集大棚内小气候数据、气象环境数据、视频监控数据，采集到的数据分别通过无线（如3G、4G等）或有线方式发送到河南省气象局的气象监测分析平台，经气象监测分析平台分析、处理后，将小气候数据、气象环境数据、天气预报、气象灾害预警等信息制作成产品，发布到Web应用平台、LED显示屏及种植户的手机APP客户端。
3建设方案
3.1小气候自动观测系统
蘑菇的生长、管理、采摘都与气象因子密切相关，适宜的气象环境对于提高蘑菇产量和质量具有重要作用[4]。影响蘑菇生长的环境因子主要有空气温湿度、氧气和CO2含量、基质温湿度、基质酸碱度等，依据蘑菇种植对大棚环境因子的敏感度以及大棚内的实际种植情况，该系统对大棚内空气温湿度、基质温湿度进行梯度观测。
小气候自动观测系统主要由空气温湿度传感器、基质温湿度传感器以及数据通信器组成。由于蘑菇大棚内部为高温、高湿环境，且考虑到种植管理过程中的安全问题，安装在大棚内部的传感器等设备必须具备较高的防护等级，且不得使用强电电源。因此，该系统的空气温湿度传感器、基质温湿度传感器采用电池供电，并由可透过无线信号的密封壳体包覆，分别安装在大棚内支架和培育基质中。大棚内蘑菇种植共分为6层，观测1、3、6层的空气温湿度和基质温湿度，无线传感器的安装位置如图2所示。
数据通信器安装在蘑菇大棚外，供电方式不受限制，既可使用内部电池供电，也可采用外接电源。数据通信器和各传感器之间通过ZigBee或WiFi无线网络协议组网通讯。可接入的通讯节点数量不少于200个，局地通信距离不小于1 km，与中心站软件可通过无线或有线方式实现数据交互。
3.2视频监控系统
蘑菇生产不仅与环境因子有关，技术人员的生产操作对其同样也有较大的影响。记录技术员的日常操作，并结合大棚内环境因子数据进行统计分析，对于建立蘑菇种植的标准化方式和提高大棚生产效益具有重要意义。该系统通过智能记录技术员的生产操作，并定时向省中心站发送蘑菇生长状态图片，为蘑菇种植技术研究提供相关依据。 视频监控系统主要由摄像机、图像采集器、WiFi定向發射/接收器、监控主机等组成。其中，摄像机安装在大棚内中间位置通道的上方，拍摄方向正对蘑菇架的位置。WiFi定向发射器/接收器配套使用，分别安装在大棚和监控室外壁上。通过WiFi定向发射器/接收器，图像采集器将拍摄到的视频数据以无线通信的方式发送到监控主机，监控主机也可遥控摄像机的方向，使其找准最佳拍摄角度。
3.3六要素气象站
暴雨是湾店村的主要气象灾害，发生频率高、灾害影响大。此外，由于湾店村境内地貌形态多为山地，土壤多是黏结力差的风化麻骨石，暴雨很容易造成山体滑坡、泥石流，从而造成严重的洪涝灾害[5-6]。为防御暴雨灾害，减少灾害损失，提高灾害性天气监测水平和预报精度并及时发布预警信息是非常必要的。
通过在现场建设六要素气象站，增加该区域的气象数据采集空间密度，可以提高当地的灾害性天气监测水平和预报精度，配合其附近设置的LED显示屏以及手机APP等，保证预警、预报信息的及时发布，从而提高当地防灾减灾水平。
该系统采用国务院气象主管机构业务主管部门列装的
六要素气象站，观测要素包括空气温湿度、风速、风向、雨量、大气压力。
3.4气象监测分析平台
气象监测分析平台是整个小气候观测及气象服务系统的核心，主要包括数据采集和处理、数据库管理、系统管理等功能。
（1）数据采集和处理。
①数据采集。数据采集包括实时数据采集和数据补测2个部分：一方面，利用气象监测分析平台实时采集气象数据；另一方面，气象监测分析平台自动进行数据完整性检查，可对最近缺失的数据进行自动补传，或由人工操作进行数据补传。
②数据解析。根据不同设备通信协议的特点，确定不同的检查方法，检查接收数据的数据格式。
③数据入库。对原始数据进行标准化处理并写入中间文件，对中间文件中标准格式的数据进行解析入库处理。
（2）数据库管理。
①基本信息维护：观测站点信息的添加、删除、更改、查找。
②报文数据处理：数据读取、解析、数据入库、报文备份等。
③其他功能：数据传输状态检测、数据库备份与清除、入库记录查看、系统日志查看等。
（3）系統管理。
①参数管理：对系统的应用软件参数以及硬件设备参数进行设置、修改及下发，包括站点信息、设备信息、设备工作参数、网络通信参数、数据库连接参数等。
②同步时钟：定时自动或人工手动与设备终端进行校时，确保系统内时间的同步。
③系统监控：记录用户的登录和注销状态、操作种类、操作时间，形成用户操作日志；记录各个监测设备的运行状态（在线状态及故障信息），形成系统日志。
3.5Web应用平台
Web应用平台是基于B/S架构而设计的集实时数据与状态的监测、数据查询、分析和统计于一体的PC客户端软件，主要包括运行状态监控、数据应用、远程监控等功能，用户通过访问Web应用平台的外网地址，登录后即可使用。
（1）运行状态监控。
通过调用百度地图API，系统可自动根据台站参数配置进行定位，并根据台站运行状况进行显示。当台站运行正常时，台站图标显示为蓝色图标；当台站运行异常时，则显示为红色图标等，如图3所示。
（2）实时数据监控。
在实时数据监控页面中，可查看蘑菇大棚内的空气温湿度、基质温湿度的实时数据，并以曲线图的方式显示各要素的数据走势，在左侧的视频监控窗口中可查看实时监控视频，如图4所示。
（3）历史数据查询。
用户可根据实际需要，按照台站编号、观测要素和观测时间查询历史数据，并将查询结果以表格视图或曲线视图的形式进行显示，如图5所示。
（4）数据统计分析。
系统能够对空气温度、空气湿度、基质温湿度等观测数据按照日最高值、日平均值以及日最低值进行统计分析，用户可根据实际需要，自定义台站编号、观测要素或观测时间等查询条件，筛选统计结果，如图6所示。
3.6手机APP客户端
气象监测分析应用客户端APP，是基于Android系统开发的移动应用客户端，用户登录后可实时远程查看大棚内空气温湿度和基质温湿度数据、六要素气象站数据以及视频监控，并具有数据统计分析、信息推送等功能，如图7所示。
4小结及展望
笔者在深入了解蘑菇生长环境的基础上，结合湾店村的实际情况，成功研制了一套蘑菇大棚小气候观测及气象服务系统，对于探索蘑菇科学生产条件、增强当地防灾减灾能力具有重要意义。
目前，该系统已建成并投入使用，可对蘑菇大棚内空气温湿度、基质温湿度、技术员日常操作、周边气象环境数据进行实时监测，基本实现了蘑菇大棚小气候观测及气象服务平台的统一化、智能化。由于该系统尚不具备大棚内小气候调节功能，因此研制配套的小气候智能调节系统，结合大棚内环境因子数据，实现大棚内小气候智能调节，将是今后研究的方向。
参考文献
[1] 王晓，曹华.阿克塞县温室大棚小气候观测及气象服务系统建设[J].现代农业科技，2016（20）：210-213.
[2] 杨文刚，黎明锋，胡幼林，等.蔬菜大棚气象服务系统设计与实现[J].湖北农业科学，2008，47（11）：1342-1345.
[3] 宫志宏，李春，薛庆禹.基于GPRS模块温室小气候预警查询系统设计[J].现代农业科技，2015（12）：335-337.
[4] 林莉，李招连.漳州市蘑菇生产的气象条件和对策研究[J].福建热作科技，2012，37（4）：37-39.
[5] 赵萍，彭焕荣，赵辉，等.新县地形地貌与暴雨洪涝成因分析[C]//天气、气候与可持续发展——河南省气象学会2010年年会论文集.郑州：河南省气象学会，2010.
[6] 陈刚.广州市城区暴雨洪涝成因分析及防治对策[J].广东水利水电，2010（7）：38-41.