农业气象监测系统产品介绍

一、系统定位与研究背景

托普云农农业气象监测系统（典型型号TP-WMS-1、TP-WMS-1L/H/Z等）是基于物联网（IoT）多传感器阵列与微气象学原理构建的国产化农田小气候原位观测装备。该系统针对传统气象台站空间分辨率低（通常≥5 km×5 km）、无法反映田块内植被冠层微环境差异的核心缺陷，通过在作物冠层高度及根区布设温湿、辐射、风场、降水及土壤剖面传感器，获取高时空分辨率的气—土—生全要素微气象数据集，为农业气象灾害预警、作物模型参数化、病虫害预测及精准农事决策提供原位定量强迫数据。

二、系统架构与工作原理

感知层：各要素传感器经RS485/Modbus总线接入低功耗数据采集器。空气温湿采用阻容/热敏元件（百叶箱防护）；风速风向多采用无启动风速超声波探头（360°全向，消除机械磨损）；雨量计为翻斗式；光照/光合有效辐射（PAR）用硅光电池或量子传感器；土壤温湿度及电导率（EC）采用频域反射（FDR）或时域反射（TDR）原理的一体化埋入式探头，通常按四层垂直剖面布设。

采集与边缘处理层：嵌入式数据采集终端按预设频率轮询传感器，执行滑动平均滤波、3σ异常值剔除与缺失值标记，计算活动积温（GDD）、有效积温、参考蒸散量等派生气象指标，本地TF卡/Flash存储保证断网不丢数。

传输与供电层：太阳能板配免维护蓄电池双供电，支持4G/5G/NB-IoT/LoRa/BDS北斗短报文多种无线传输模式，适应无市电野外长期无人值守；具备电压、位移、振动防盗报警功能。

应用层（云平台）：B/S架构农业气象大数据平台接收各站点实时数据流，提供时序曲线、统计报表、阈值预警（霜冻/干热风/旱涝）、积温积光分析、历史回溯及API对接，支持多站网格化拼接生成区域小气候分布图。

三、监测要素与可输出参数

大气气象要素：空气温度、相对湿度、大气压、风速、风向、降水量、光照强度（或光合有效辐射PAR）、紫外辐射、负氧离子浓度、PM₂.₅/PM₁₀（选配）。

土壤剖面要素：0–100 cm内多层（通常四层）土壤体积含水量（VWC）、土壤温度、土壤电导率（盐分），可选土壤pH与氧化还原电位（ORP）。

作物伴随信息：定时苗情/冠层图像抓拍，冠层覆盖率AI估算值。

派生农业气象指标：活动积温、有效积温、日照时数、参考作物蒸散量（ETo）、干燥度指数、露点温度、昼夜温差等，可按作物品种自定义基准温度。

四、核心功能

1、可配置传感器多：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，苗情图片等，传感器采用无线传输方式，安装维护更方便。

2、海拔及防盗定位功能：可测海拔高度，自动获取海拔参数和内置北斗、GPS、伽利略等多种定位系统。

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、带苗情摄像头：可高清观察植物实际生长情况。

11、软件平台可进行墒情趋势分析、作物种类识别、冠层覆盖率识别、作物需水分析等多维度分析。

12、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。

13、采用抗震级设计：可抵抗11级台风等级。

软件特点

1、数据可上传至管理云平台，数据不丢失，可通过手机或网页远程查看数据，平台内数据可下载，数据对比分析，打印。

2、平台可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。

3、平台支持设备数据云端存储，提供足够容量可长期保存。

4、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excel、pdf、csv等格式数据。

5、数据评价：可以设置高低超限值，可自动进行数据预警分析。

6、设备软件和web平台、APP均可支持在线升级。

7、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。

8、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，自动展示最新作物苗情图片，支持用户远程打开摄像头，实现视频实时查看功能，支持360°远程云台控制，在苗情摄像头启动后用户可随意调整可视角度观察作物苗情长势。

9、苗情分析：系统可对苗情监测的图片按用户自定义时间段筛选，实现对作物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。

10、墒情分析：系统支持对气象监测系统、墒情监测系统等智能装备的4层土壤水分数据进行墒情分析，按0~20cm，20~40cm，40~60cm，60~100cm这四个监测层进行单层墒情数据分析。

11、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。

五、典型应用场景

农业气象与微气候研究：获取农田冠层微环境连续时序数据，研究作物—大气界面能量与物质交换（感热/潜热通量参数化）、逆温层与霜冻形成机制。

作物模型驱动与校验：为DSSAT、APSIM、WOFOST等生长模型提供本地化气象强迫数据，校准蒸散与物候预测；为卫星遥感反演产品（土壤水分、LAI）提供地面真值验证。

病虫害预测模型：结合温湿系数、降雨与露点数据构建小麦锈病、稻飞虱、晚疫病等的发病概率预测模型。

精准农事与灾害防御：霜冻、干热风、暴雨内涝等阈值触发预警，指导适时灌溉、防霜熏烟、揭膜通风；配合水肥一体化系统实现变量灌溉决策。

高标准农田与特色作物园区：茶园、果园、中药材基地小气候区划与适地品种布局，支撑农业保险定损与气候适应性评估。

六、学术价值与国产化意义

TP-WMS系列实现了从微气象传感器选型、多协议采集终端、太阳能物联网供电到云端农业气象分析平台的全国产化全链路集成，克服了进口同类设备价格高昂、售后周期长及定制扩展性差的局限。其分钟级原位连续观测能力使农田小气候数据能与作物物候、表型及产量形成过程耦合，直接服务于作物模型本地化校准、基因型—环境互作（G×E）解析及气候智慧型农业管理决策，国产高精度农田小气候自动观测站在农林科研与数字农业基础设施中的应用空白。

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