摘要：农业气象服务需要农业气象观测站具有密集高效的观测密度，本次优化主要是利用LoRa和4G网络等通信技术，设计出了一套适合于大型农业基地和农业气象观测站所使用的数据采集传输和管理系统。以原有农业气象观测站和LoRa低功耗局域网为核心，实现设施农业气象观测数据密集、高效的无线采集、传输、分析。
关键词：农业气象观测站站; LoRa无线通信技术; 观测;
Agricultural Meteorological Observation Qualified by Lora Technology
Chen Binyuan
1 农气业气象观测站采集系统优化简介
随着物联网技术的普及，通过物联网与农业气象观测相互结合的方式已经逐渐成熟。但现阶段我省大量的农业气象观测站仍通过传统的手段继续观测、传输，不满足于现代农业的需求。因为农业气象观测的地理位置特点，大量的农业气象观测站被建设在一些远离人烟的山区，当地农业气象观测站采集的气象数据无法实现远程传输，观测数据的记录本地保存人工定期拷贝。现有的农业观测设备多是基于Zigbee和GPRS技术进行数据交换，存在着穿透定位能力差、信号弱、覆盖面少等问题。Lo Ra是一种超低功耗广域网络技术，融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术，功耗仅0.5 W，信号穿透能力强，在无中继放大条件下具备几十到上百公里的超长距传输，符合偏远地区通信组网的技术选择。
本次设计针对农业气象观测站的数据传输时效性和可靠性高要求的特性，利用Lo Ra技术设计出一种利用标准设备，低功耗高效率传输的农业气象观测站。
2 系统总体设计
总体优化的设计思路主要为：（1）整合同一节点范围内的农业气象观测站，通过Lo Ra组网进行通讯。（2）各个站点的数据交互由Lo Ra处理器作为中介整合后向中心站进行通讯。（3）中心站能快速接收并处理来着各个农业气象观测站的数据，及时向用户提供农业气象服务产品。
Lo Ra在的无线传输节点间的距离可达100 km，节点的数量最高可达万级，一个无线网关是可以同时连接多个无线传输节点或终端的设备，可实现了超低功耗条件下的数据超远距离传输。在一定范围内可以替代移动网络解决农业气象站的通讯问题，而且数据传输不受运营商通讯基站的影响，可适用于农业气象观测中地理位置偏僻的特点。
本设计主要由农业气象观测站、Lo Ra处理器以及数据中心站等三部分组成。农业气象观测站主要负责光合有效辐射、空气温湿度、风速风向、雨量、土壤温度和土壤湿度等要素进行实时数据采集，数据采集器与Lo Ra无线通信模块进行连接通讯。农业气象观测站通过采集器将采集到的气象数据通过Lo Ra模块将数据用无线的方式发送给处理器，最后由处理器利用移动网络或光纤将各个节点所采集的气象数据发送给数据中心站。Lo Ra处理器布置在通讯信号良好或者有固定网络的地方，由Lo Ra无线通信模块、通信模块以及处理器组成，Lo Ra处理器通过内部的Lo Ra模块与农业气象观测站的采集器进行通信，实现观测范围内的数据收集。利用Lo Ra处理器的通讯模块将自动站采集到的观测数据发送到互联网中，通过运营商的网络将观测数据发送到中心站服务器进行数据处理。
3 优化后各设备模块的工作模式
3.1 农业气象观测站
农业气象观测站的核心控制部件单元是采集。采集器具有强大的数据处理能力，可以满足各种复杂气象探测系统的数据处理要求。可以完成对光合有效辐射、空气温湿度、风速风向、雨量、土壤温度和土壤湿度等要素的探测、数据采集。
配合农业气象观测的特殊环境，温度、湿度测量传感器安装于温湿度通风罩或百叶箱内。一般采用铂电阻温度传感器用以测量温度。热敏元件为铂电阻传感器Pt100，感应部件位于传感器顶端，测量范围可达到-40℃～+80℃。湿度传感器测湿元件是聚合物薄膜电容传感器HUMICAP180，测量范围可达到0%～100%RH。
辐射传感器的安装场地应选择在感应范围内无任何障碍物，并且易于维护。总辐射表由感应件、玻璃罩和配件组成。其工作原理是基于热电效应实现的。感应件由感应面和热电堆组成。热电堆是快速响应的线绕电镀式热电堆，感应面涂3 M无光黑漆。当涂黑的感应面接收辐射而增热时，使热电堆产生与接收到的辐照度成正比的温差电动势输出信号V。辐射（w/m2):E=V&pide;K(K为灵敏度系数）。
通常风传感器需在开阔地进行，具地高度为10～12 m。测风仪器与障碍物之间的距离至少大于障碍物高度的10倍以上。风速的测量范围为0～60 m/s。但农业气象自动站中因周围环境的影响，周围环境难以满足要求，多不在观测物种位置进行风的测量。
3.2 Lo Ra处理器设计
Lo Ra处理器作为数据的交换中心，上行通过通讯网络与中心站进行通信，由于传输数据量较大，时效性强，故采用运行商的通讯网络进行数据传输。下行通过Lo Ra无线通信网络与各个农业气象观测站进行数据交换。本次设计主要用于户外或林下农业观测系统的数据传输，需采用通讯距离至少需要3 km，供电应与自动站供电一致12V，低功耗、抗干扰的Lo Ra无线射频收发器作为通讯工具。与数据中心站的通讯采用4G或GPRS等长距离通讯技术组成的数据模块。
3.3 中心站的作用
数据中心站接收来自气象自动站的数据进行存储，其主要由中心站数据服务器、通讯服务器、数据库服务器组成。它能通过宽带网络接收来自Lo Ra处理器的数据，并存储在数据库内，同时进行实时的数据处理、分发、上传，以供研究和服务使用。
4 Lo Ra通讯技术对农业气象观测站的作用
漳州的农业气象观测站，主要是根据不同的农作物，展开实时实地进行观测，难以保证农作物所在地的移动通信网络质量，但农业观测对数据的实时性又有着较高的要求。每个观测点密集收集的气象要素，主要包括雨量、温度、湿度、风速、风向、光合有效辐射、土壤温度和土壤湿度等。无法实时通过移动网络传输，现在通过Lo Ra网络进行能集中的传输到中心站服务器进行分析，及时的了解所选站点各要素的实时变化过程，可以实时的供研究人员分析并服务农户。
通过对全市布点建设的农业气象自动站的改造可以减少对移动通信网络的依赖，提高农作物的观测范围。多数的农业气象观测站点分布于林下、密林中，容易受到周围环境的干扰，影响通讯质量，利用设计方案，进行局部Lo Ra传输，远程移动通讯的方法，可以更好的解决数据通讯不稳定的问题。
5 小结
将低功耗、低成本、覆盖范围广的Lo Ra无线通信技术与移动通信网络相结合，设计了应用于农业气象观测站上，通过数据的上传分析。为农业预报、防灾减灾方面提供多样化的实时观测数据。还能根据掌握的农作物生长气象环境第一手资料，大大减少了从观测、分析、预报到应对措施下达的整个响应时间。为偏远地区的农业气象观测提高数据实时传输的一种方式。
参考文献
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