微型气象站介绍

托普云农微型自动气象站（典型代表TP-WMS-1P/1L小型自动气象站及微型节点站）是由浙江托普云农科技股份有限公司研制的分布式农田小气候原位观测设备。该系统基于微机电系统（MEMS）多要素传感融合、低功耗边缘计算与低功耗广域网（LPWAN）无线组网技术，同步采集近地大气参数（气温、相对湿度、风速风向、降水量、光照强度、大气压）与土壤剖面参数（多层温度、体积含水量、电导率），以分钟级高频将地块尺度微气象数据上传至数字农业云平台，弥补国家基本气象站公里级空间分辨率与田间作物冠层微环境之间的观测断层，为作物生长模型（WOFOST/DSSAT）、Penman–Monteith蒸散模型（ET₀）、病虫害预测模型及微气候—产量关联分析提供高时空分辨率的地面真值数据集。

一、系统架构与立体感知层

系统采用"感知节点—网关—云平台"三层物联网架构，野外采集端由以下模块集成：

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）；压电/电容式气压传感器测定大气压；可选扩展CO₂浓度、紫外辐射及负氧离子传感器。

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：0–20 cm、20–40 cm、40–60 cm、60–100 cm）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。

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，支持多年数据留存）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磷酸铁锂/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

1、带太阳能，采集数据多：可连接32种传感器。

2、数据存储量大：可缓存约50万条数据。

3、设备支持5G/4G/GPRS/CDMA/NBIOT/GSM/网线等任意方式，上传测量数据和远程设置功能。

4、功耗小，用时长：支持太阳能及220V供电，内置充电锂电池，一次充满，使用时间不小于200天。

5、带GPS功能：实时采集GPS信息，设备信息上传到本系统地图中。

6、异常报警：通过手机/Web端/LED灯/语音提示，提醒用户处理异常情况。

7、流量管理：可将每月剩余流量储存起来，分配到其他设备中。

8、使用简单：二维码扫描注册即可使用。

软件功能：

自带仪器云管理平台：可实时通过电脑或手机在线查看历史数据和实时数据，自动计算数据各项值，远程控制传感器各项功能。

设备数据存储：提供足够容量可长期保存。

数据评价：可设置高低限值，可自动进行数据预警分析，预置若干常用的农作物的报警配置。

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的精细空间异质性，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，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、小麦锈病、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；适用于高标准农田、国家农业气象试验站、智慧果园及种质资源基地、育种小区微环境对照监测。

五、学术价值评述

托普云农微型自动气象站将农业气象观测由传统区域孤立站点推进至地块级分布式物联网连续监测层面，通过MEMS多要素传感融合、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、跨站点可比性及与农艺模型的耦合能力。其微型化、低功耗、易网格化部署的特性特别适合育种试验小区微环境对照、坡地果园微气候差异捕捉及长期生态定位研究，是农业生态学、作物生理学及气候—作物互作（C×E）研究中重要的地面基准观测节点。

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