农田小气候气象站介绍

托普云农农田小气候自动气象站（典型型号TP-WMS-1L/1Z系列）是由浙江托普云农科技股份有限公司研制的"端—边—云"一体化田间微气候物联网观测系统。该系统基于多传感器阵列融合、低功耗边缘计算与无线传感网络（WSN）架构，对作物冠层至根系剖面的全要素环境因子进行原位、高频、连续采集，弥补国家基本气象站空间代表性不足与田间微环境（Microclimate）脱节的问题，为Penman–Monteith蒸散模型（ET₀）、病虫害预测模型、作物生长模型（WOFOST/DSSAT）及气候—产量关联分析提供标准化地面真值数据集。

一、系统架构与立体感知层

系统采用分层分布式物联网架构，由野外采集端（感知层）、通信传输层（边缘端）及数字农业云平台（应用层）构成：

大气环境传感阵列：防辐射百叶箱内高精度Pt100或NTC热敏元件测空气温湿度；超声波风速风向传感器（无机械轴承、零启动风速、360°全向测量）测定水平风矢量；翻斗式雨量计计量液态降水量；硅光电二极管或全光谱辐射传感器测定光照强度与光合有效辐射（PAR，400–700 nm波段）；压电/电容式气压传感器测定大气压；可选扩展CO₂浓度、紫外辐射、负氧离子及PM₂.₅传感器。

土壤剖面多参数监测单元：通过非金属式FDR（频域反射）或多参数一体传感器配合PVC导管，同步采集0–100 cm深度内多层级（通常4层）土壤体积含水量（VWC）、土壤温度，可选扩展土壤电导率（EC）及土壤氧气含量，表征根系活跃区水热—盐分动态。

作物苗情视觉感知单元（选配）：集成CMOS高清定焦摄像头（支持定时抓拍或视频流），采集苗情图像上传云端，结合AI算法识别冠层覆盖度、叶色及物候阶段，实现气象数据与作物表型时空关联。

数据采集与控制主机：内置低功耗微处理器与边缘计算模块，负责多通道传感器轮询采集、信号线性化、异常值滤波（3σ准则）、本地存储（TF卡，支持5年以上数据留存）及通信协议封装；支持远程修改采样频率、校准系数及固件OTA升级。

供能与防护结构：太阳能光伏板配合免维护锂电池组构成双供电系统（支持连续阴雨天长期运行）；整体立柱与机箱达IP65及以上防护等级，具备防雷击、抗强风（≥11级）结构设计，适应野外长期无人值守。

二、测量原理与信号解算

温湿度与气压：空气温度由Pt100或NTC热敏电阻四点校准测量；相对湿度由高分子薄膜电容式湿敏元件检测介电常数变化解算；大气压由压阻式MEMS传感器经温度补偿输出。

风速风向（超声波原理）：成对正交布置超声波换能器交替发射与接收40 kHz超声波脉冲，依据顺风与逆风传播时间差Δt解算水平风速分量及合成风向角，消除机械轴承摩擦与启动风速死区。

降水（翻斗原理）：雨水经承水口注入双室翻斗，每完成一次翻转触发磁簧开关计数，单位计数对应固定容积水量，换算单位时间降雨强度与累计降水量。

土壤水分（FDR原理）：探头环形电极发射高频电磁波，测量周围介质介电常数ε，经Topp经验公式或标定曲线转换为土壤体积含水量；土壤温度由内置热敏元件同步测得。

辐射（光电/热电堆）：硅光电池或热电堆探测器响应PAR或全太阳光谱辐射通量密度，经光谱响应校正输出辐照度值。

三、核心功能

主机及传输部分：

1、农田气象监测站主机可通过管理云平台远程设置数据采集时间、存储和发送时间间隔。

2、农田气象监测站具有数据采集及上传功能，可采集环境温度、湿度、光照强度、雨量、风速、风向、土壤温度、土壤水分、大气压、图像等参数，并通过无线通讯方式上传至云平台；

3、系统支持4G CAT1网络与服务器通讯，网络支持联通移动的2/4G，电信4G；

4、数据可以上传到自己的电脑也可以上传到总服务器，可切换，无影响。

5、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。

6、带摄像头，CMOS1/2.7英寸图像传感器，200W（1280*1080）像素，支持定时拍照功能，可将现场图片上传到管理云平台方便观察植物实际生长情况，亦可在平台上设置拍照间隔和时间；

7、农田气象站支持远程故障在线诊断，当设备发生故障，可通过远程在线故障诊断功能进行故障排查；

8、农田气象站具有远程固件在线升级功能，可通过平台或者app，直接远程对硬件设备进行固件升级；

9、系统支持TF卡配置，可以确保5年传感器数据存储。

管理云平台功能：

1、带数字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，数据不丢失，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、平台支持设备数据云端存储，提供足够容量可长期保存；

3、平台为设备数据提供曲线与表格等报表形式，平台内数据、图表均可下载，进行数据对比分析及打印且数据报表可导出；

4、数字农业云管理平台支持传感器实时数据及预警状态可视化，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，

5、用户可为作物配置传感器报警条件，预置若干常用的农作物的报警配置。

6、数据评价：可以设置高低超限值，可自动进行数据预警分析。

7、苗情监测：可在管理平台上查看作物生长苗情图片，支持动态播放苗情生长过程；

8、可进行区域气象数据分析应用-气象指标统计，可统计活动积温、可照时数、有效积温、到达有效温度天数等。

9、管理平台可对气象监测站设备基础设置管理与远程控制；

10、管理平台软件支持在线升级。

四、典型科研与应用场景

农田小气候与微环境研究：网格化布设获取田块尺度温湿风光精细空间异质性，服务于冠层能量平衡、边界层湍流及微气象学参数化方案验证。

作物模型校准与验证：为WOFOST、DSSAT等作物生长模型及Penman–Monteith蒸散模型提供本地化气象驱动变量（逐时Ta/RH/u/Ws/Rs），提高区域产量与水分利用模拟精度。

病虫害发生预测：结合冠层相对湿度、叶面湿润持续时间与积温数据，驱动稻瘟病、小麦赤霉病、晚疫病等病害预测模型，支撑植保预警。

农林生态与气候适应：长期连续监测为作物需热量（积温）、需冷量及物候期与气候变暖关联分析积累基础观测资料；可用于高标准农田、国家农业气象试验站、智慧果园及种质资源基地。

五、学术价值评述

托普云农TP-WMS系列将农业气象观测由传统人工读数与孤立区域站点记录升级为全自动、多要素、立体剖面的物联网连续监测体系，通过超声波无惯性风场测量、分层土壤原位传感与云端智能分析的国产化整合，使田间微气候数据具备时空连续性、站点间可比性及与农艺模型的耦合能力，是农业生态学、作物生理学及气候—作物互作（C×E）研究中的地面基准观测基础设施。

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