基于物联网的自动气象站设计开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.1研究背景及意义

农业是一个国家的立国之本,进入新世纪以来,随着城镇化程度的加深,农业耕地越来越少,如何在有限的耕地上最大化地利用耕地面积成为了现代农业发展的主要方向。应用科技手段发展农业是提升我国农业现代化的主要方式,物联网技术、3G技术等现代通信技术是实现农业现代化技术支点,利用物联网等现代通信技术实现对农业生产经营进行智能化管理、定位、追踪、监控,是提高农业的精细化生产、智能化决策的重要节点。

在传统农业中的使用和推广前,农民或农业专家获取农田信息的方式有限,准确率极低,其主要手段是通过人工测量,期间需要消耗大量的人力、物力、财力,往往测量数据跟不上自然环境和天气环境的变化脚步,采用无线传感器网络可以有效降低人力消耗同时也减少人对农田环境的影响,获取作物环境和作物信息的准确度、实时性大大提高。物联网技术的应用使得大量的传统传感器节点构成了一张张功能各异的监控网络,帮助农民及时发现问题,准确地捕捉和监控问题产生的位置,促进了农业生产发展方式的转变。

智能农业、精准农业的发展,智能感知芯片、移动嵌入式系统、无线通信技术等物联网技术在现代农业中的应用逐步拓宽,作用显著,具体表现在:在监控农作物灌溉情况、土壤空气变更、畜禽的环境状况以及大面积的地表检测,收集温度、湿度、风力、大气、降雨量,有关土地的湿度、氮浓缩量、土壤污染和土壤pH 值等方面实现科学监测、科学种植,帮助农民抗灾、减灾,提高农业生产的综合效益,促进了我国传统农业的转型升级。

农村小型气象站正是物联网应用在农业领域上的一个及其重要的代表。为提高耕地利用率和增加农业收益而建立的观测设备。它是一种能自动进行地面气象数据观测、存储、发送,并根据需要将观测数据转换成气象电报或气象报表的地面气象观测设备。随着科学技术的发展与农业政策的扶持,我国设施农业快速发展,产量与面积都已跃居世界第一,但是农业气象监控系统的发展与发达国家存在着较大差距。目前,针对农村气象环境观测的气象监测服务多以传统的气象监测平台为主,科技水平不高,实时性随地区产生差异性。此外,系统的主要硬件设施仍旧难以彻底摆脱自然气候条件约束,不利和极端气象环境依然影响农作物产量,制约现代农业的发展。

对现代农业发展影响比较大的气象灾害当属暴风雨、大风、高温、干旱等,为了减弱这些气象灾害对农作物产量和质量的影响,关于农业气象检测装置即农业气象站大规模地被安放在了农村田间。农业气象站站在有效避免农作物因恶劣气象灾害产量损失的同时,提升了设施农业现代化发展。但是,现有的农业环境要求气象站既能够在无人值守的情况下适应多种恶劣自然环境,而且要求气象监测的精度达到一定要求。现有的自动气象站并不能完全满足这些要求。此外,随着物联网技术在农业领域的发展,信息化、高精度的智能气象监测系统有望成为自动气象站的重要发展方向。因此,研究智能化和检测性能优良的自动气象站已经成为农业发展的重点之一。

1.2国内外研究现状

我国农业基础设施经过国家连续多年的关注和建设,已经实现质的飞跃,经过各级政府的共同努力,在农田改造,农田灌溉工程、水利治理、农村电网改造建设等方面取得了很大进步,已基本实现农业基础设施的现代化,但也呈现东西部农业现代化程度不同的发展态势。东部地区由于地理的优势,率先在全国实现了农业基础设施的现代化,从灌溉、播种、收获、增雨、防雹等方面都取得了举世瞩目的成绩,尤其是在农田集中维护、设施集中管理等成绩斐然。西部地区由于山区较多,农田基本设施现代化主要集中在水利工程、农田改造、电力升级等方面,经过国家和地方政府政策和资金的倾斜,农业生产环境、生态环境等已经打下了良好的农业基础现代化可持续发展的基础,目前正在按照国家和地方政府的要求继续落实和升级。

目前,物联网技术在农业领域基本应用涵盖了农业资源利用、农业生态环境监测、农业生产经营管理、农产品质量安全监管和农业产品物流管理的方面,政府在政策扶持、技术研发、示范应用、人才培养等方面也给予了一定的政策性支持,但物联网技术在农业中的应用总体处于初步应用阶段,和其他行业中物联网技术应用一样,关键技术产品及集成体系成熟度较低、应用标准规范不统一、运营机制和发展模式不完善、专业技术人才缺乏等问题,因此需要国家相关部门积极推进农业物联网技术应用示范项目建设,加快建设农业物联网技术应用。

对于气象站来说,最初开始应用是在二十世纪五十年代,当时的自动气象站技术以美国和前苏联最具有代表性。但是,此时各国出现的自动气象站技术仍然不是很成熟,可以收集的气象要素很有限,当时的自动气象站被称为第一代自动气象站。这种功能不完善、难以满足观测要求的自动气象站系统结构比较简单、观测要素较少、测量精度低,很快就被第二代所取代。随着技术的进一步发展,60年代中期开发出了第二代自动化气象站系统,其各方面的观测性能和气候适应能力都大大增加,但是这种自动气象站的观测点和主站之间的通讯问题不能很好地被解决,在数据存储和数据传输方面仍有问题,无法形成较为完善的整个系统数据采集、传输、检测和存储系统,因此在应用上仍然有一些问题。等到了90年代,自动化气象数据采集系统开始在各个较为发达的国家遍地开花,并且得到了迅速的发展,第二代自动气象站逐渐被有线通信,并部分实现模块化的第三气象站所取代,如芬兰建成的自动化气象监测系统(MILOS)、法国的基于基本站网的自动化气象站检测系统(MISTRAL)以及美国的自动化地面气象观测系统(ASOS)等等。

相比国外而言,我国的自动气象站系统的发展相对缓慢,是基于美国和芬兰等发达国家自动气象站的技术基础上,同时根据我国在农业、林业、高速公路等对气象站的应用需求开展的研究与设计。90年代中期,我国开始在珠三角等地区建设中小型自动化气象站并运行。

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