智能气象监测系统介绍

一、系统定义与农气学定位

托普云农智能气象监测系统（TP-WMS系列无线农业气象综合监测站及配套数字农业云平台）是一套基于多传感器融合、嵌入式边缘计算与物联网（IoT）无线通信技术构建的无人值守农田小气候自动观测体系。该系统通过在作物冠层及根系剖面布设高密度传感节点，同步采集空气热力学参数、辐射与降水要素、多层土壤水热盐动态及田间苗情影像，填补宏观气象台站与地块微环境之间的观测空白，为农业气象灾害早期预警、作物需水模型计算、病虫害发生期预测及精准农事窗口期判定提供连续、客观的量化数据支撑。

二、系统架构——端·边·云三层体系

感知层（端）：由多要素一体式气象传感器、多层土壤温湿度/电导率探头（通常0–100 cm剖面分层埋设）、光合有效辐射或总辐射传感器、翻斗式雨量计、超声波风速风向传感器及定时苗情摄像模块构成，实现冠层以上气象六要素与根系区土壤参数的立体同步采集。

采集与边缘层（边）：低功耗嵌入式数据采集器对原始信号进行A/D转换、滑动平均滤波与异常值剔除，按预设频率本地存储（支持大容量TF卡），并通过内置通信模组将预处理数据包上传；具备远程固件OTA升级、传感器标定系数写入及故障自诊断功能。

传输与平台层（云）：采用4G/NB-IoT/LoRa等无线方式将加密数据推送至B/S架构数字农业云平台，支持Web端与移动端APP实时可视化、历史曲线回放、多站点区域聚合统计、阈值超限短信/APP弹窗预警及第三方省市级农情监测平台API对接。

三、核心功能

1、可配置传感器多：该系统可采集土壤墒情(4层)，土壤温度（4层)，空气温度，空气相对湿度，光照强度，风向，风速，降水量，负氧离子，PM2.5，生态景区/林木及农作物苗情图片等，传感器采用无线传输方式，安装维护更方便。

2、自动获取海拔和坐标信息：增加海拔高度设计，可随时获取数据采集点具体的地理位置，防盗防位移。

3、故障报警功能：具有电池电量、太阳能电压、移位报警、震动报警等功能。

4、设备远程控制：可远程设置采集时间间隔、联网模式、地理信息、査看设备电量、设备进行重启与恢复、传感器在线校准。

5、数据查看多样化：可通过手机APP和云平台随时查看数据和曲线图，数据可和云平台其他设备数据关联分析，历史数据不丢失。

6、支持多网络通讯：系统支持4G\5G\GPRS\NB\CDMA\4G\5G等方式。

7、数据采集频率可设置：主机可通过云平台远程自由设定采集、存储和发送时间间隔。

8、传感器通讯接口可兼容：可兼容RS485与LORA两种传感器通讯接口。

9、超声波传感器：配置超声波风速风向传感器，无启动风速限制，可零风速工作，360°无角度限制，可同时获得风速风向数值。

10、带负氧离子传感器：水平式探头安装方式，更易让负氧离子吸入，促使测量数据更准、更快。

11、带PM2.5传感器：能够充分得到空气中0.3～10微米悬浮颗粒物浓度，有迅速检测、数据可靠等优点，数字化输出，集成度高, 确保产品具可靠性与长期稳定性；

12、带苗情摄像头：可高清观察植物实际生长情况。

13、可选配一体化LED屏：可配置P5户外单色显示屏，支持实时现场显示传感器数据，并可远程设置开关和工作时段。

14、软件平台可进行作物种类识别、冠层覆盖率识别根系分析等多维度分析。

15、数据可接入全国农作物重大病虫害数字化监测预警系统、全国土壤墒情监测系统。

16、可提供历史至未来5天的参考蒸发蒸腾量、天气预测、全年气候分析。

软件功能：

1、带数智农业云管理平台包含B/S架构，可将所有便携式设备及在线设备数据进行汇总分析，数据集中展示分析，查看操作方式包括网页端及手机端（安卓及苹果系统均可用）。

2、平台支持设备数据在云端自由存储，提供足够容量可长期保存，确保数据不丢失；

3、显示每种参数过程曲线趋势，最大值、最小值、平均值显示查看，放大、缩小功能。

4、数据可上传至管理云平台。平台上可以实现多个传感器数据按自定义时间段进行对比分析和数据列表的互相切换，数据和对比分析图表可下载，可打印。

5、用户可为设备配置传感器报警条件，预置若干常用的林木作物的报警配置，可按林木不同生长阶段对传感器数据上下限值进行设定，超出预设值后会自动报警与提示。

6、平台支持设备数据云端存储，提供足够容量可长期保存。

7、平台为设备数据提供曲线与表格等报表形式，且数据可导出与导入。

8、数据评价：可以设置高低超限值，可自动进行数据预警分析。

9、数据校准：系统支持对传感器的数据进行多元参数修订，可针对线性变化参数进行偏移量修正，确保统一多个环境中同一类型的数据的偏移设置。

10、林木苗情监测：系统按照默认设置图像采集时间点按时自动发送命令远程拍照，自动展示最新林木苗情图片，支持用户远程打开摄像头，实现视频实时查看功能。

11、林木苗情分析：系统可对林木苗情监测的图片按用户自定义时间段筛选，实现对林木苗情动态展示苗情生长状况，同时系统自动识别出当前图片中的冠层覆盖度，可支持用户或专家对苗情图片进行评价和记录。

12、设备管理：管理平台软件对系统有进行远程管理的功能，可支持用户自定义设定数据采集间隔和数据上传间隔，系统对物联网设备远程管理故障报警的信息。

13、管理平台软件可在线升级。

四、供电、结构与野外适应性

整机立杆与法兰底座采用热镀锌钢或铝合金材质，传感器支架可调节高度以匹配不同作物生育期冠层位置。供电方案支持交流220V市电或单/多晶硅太阳能板+免维护铅酸/锂电池储能，低功耗设计保障连续阴雨条件下持续运行。电气系统做整体防雷击浪涌保护与IP65及以上防护等级处理，适应高温、高湿、沙尘及强风等野外恶劣环境。

五、数据处理与农学应用逻辑

灾害预警：按作物种类设定低温霜冻、高温干热风、暴雨洪涝、干旱墒情下限等环境阈值，系统实时比对并在触发多级报警。

灌溉决策支持：结合Penman–Monteith方程或经验作物系数法，基于净辐射、气温、湿度、风速及多层土壤含水量计算参考蒸散量（ET₀）与作物需水量，可联动水肥一体化设备实现按需灌溉。

植保模型耦合：将田间小气候温湿因子输入已虫害发生预测模型（如稻瘟病、小麦锈病适宜侵染温湿区间判据），辅助确定施药最佳窗口期。

农气指标统计：平台自动累计活动积温、有效积温、日照时数、降雨总量等农气学指标，服务于品种区域适应性评估与播期安排。

六、适用场景与学科意义

广泛部署于高标准农田、大田粮食作物（水稻、小麦、玉米）产区、设施农业园区、果园茶园、草地畜牧业基地、自然保护区及农林病虫害测报站。该系统将农业气象观测从区域宏观尺度下沉至田块微气候尺度，克服传统人工记录频次低、夜间缺失、主观误差大的局限，是推进农业气象学向数字化、网格化、模型化方向发展的核心基础设施。

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