农业气象监测系统详细介绍

一、系统定义与农气学定位

托普云农农业气象监测系统（TP-WMS系列，浙江托普云农科技股份有限公司研制）是针对农田小气候（Microclimate）原位连续观测需求开发的无人值守自动气象观测体系。该系统以农业气象学中能量平衡与水量平衡方程为理论基础，通过冠层上方气象六要素传感器与根系区多层土壤温湿/电导率探头构建垂直剖面感知网络，经低功耗嵌入式数据采集器完成A/D转换与数字滤波后，依托4G/NB-IoT/LoRa无线链路上传至数字农业云平台，实现空气热力学参数、辐射与降水要素、土壤水热动态及田间苗情影像的同步采集、存储、可视化与阈值预警，弥补国家基准气象站空间分辨率不足导致的田块微环境数据盲区，为农业气象灾害早期预警、Penman–Monteith作物需水量计算、病虫害发生期预测及精准农事窗口期判定提供连续量化依据。

二、系统架构——端·边·云三层体系

（一）感知层（端）

冠层气象传感器阵列：空气温度与相对湿度采用高分子薄膜湿敏电容与NTC热敏电阻；光照强度/光合有效辐射（PAR）采用硅光电池或GaAsP光电二极管；翻斗式雨量计记录降水累积量；大气压由压阻式MEMS传感器测定；超声波风速风向传感器利用声波传播时差法（Time-of-Flight）测速测向，无启动风速限制且无机械磨损。

多层土壤剖面传感器：基于频域反射（FDR）或时域反射（TDR）原理的管式/插针式探头，通常按0–20–40–60 cm（或0–100 cm）分层埋设，同步测定各层土壤体积含水量（VWC）、土壤温度及可选土壤电导率（EC）、土壤氧气浓度。

苗情与生物感知模块：200万像素以上CMOS定时苗情摄像机（可选360°云台），支持定时抓拍冠层图像供AI冠层覆盖率估算与长势回溯；可扩展接入孢子捕捉或虫情测报设备数据。

（二）边缘采集与传输层（边）

低功耗数据采集器：ARM内核MCU对原始模拟/数字信号执行滑动平均滤波、野值剔除与有效性校验，按预设频率本地存储于TF卡（支持多年连续记录），内置时钟授时保障时间戳一致性。

通信与供电：支持4G Cat.1/NB-IoT/GPRS/LoRa多模无线加密传输；供电采用单/多晶硅太阳能电池板配免维护铅酸或锂电池组，低功耗休眠唤醒机制保障连续阴雨条件下持续运行；整机IP65防护、整体防雷设计，适应野外恶劣环境。

自诊断与远程运维：具备传感器断线检测、电量监控、移位震动报警，支持远程修改采集/上传间隔、写入传感器标定系数、固件OTA升级及设备重启。

（三）平台层（云）

B/S架构数字农业云平台，Web端与移动APP实时展示各站点多要素时序曲线、极值统计及区域聚合热力图。

用户可按作物生育期自定义温湿、风速、墒情下限/上限阈值，触发短信/APP弹窗分级预警（霜冻、干热风、暴雨、干旱等）。

支持历史数据导出（Excel/CSV）、积温积湿统计、活动积温与有效积温计算，提供RESTful API对接省市级农情监测平台或第三方ERP系统。

三、观测原理与关键传感机制

FDR频域反射测土壤墒情：高频振荡电路激励探头环状电极，土壤介电常数随体积含水量变化改变谐振频率，通过频率偏移反演VWC，受土壤质地与盐分影响较小，适合长期原位监测。

超声波时差法测风速风向：成对超声换能器交替发射与接收，顺逆风方向声速差异Δt与风速呈线性关系，经矢量合成得三维或二维风速及来向，消除机械启动风速死区。

热敏/湿敏电容式空气温湿测定：NTC电阻值随温度变化经Steinhart–Hart方程换算温度；聚合物湿敏膜吸湿后介电常数变化引起电容值改变，经温度补偿算法输出相对湿度RH。

翻斗式雨量计：雨水经承水口汇集流入对称双翻斗，每翻转一次触发磁簧开关输出一个计量脉冲，累计脉冲数乘翻斗容积得降雨量与降雨强度。

四、典型工作流程

站点布设与标定：依田块地形将立杆式气象站安装于开阔处（远离高大建筑物与树木遮挡），土壤剖面探头按设定深度垂直埋入代表性样点，开机写入站点地理坐标（内置GPS/北斗）、海拔及采样参数。

同步数据采集：采集器按设定间隔轮询各传感器，获取冠层气象参数与多层土壤水温热值，同步触发苗情相机定时拍照。

边缘预处理与存储：原始数据经数字滤波与合理性检查后存入本地存储介质，生成带时间戳的结构化数据帧。

无线加密上传：按用户设定上报周期通过移动通信网络将数据包推送至云端，断网时本地循环缓存待网络恢复后续传。

云端分析与预警：平台解析数据刷新实时仪表盘，判断是否越限触发预警；计算日/旬/月均值、积温、蒸散量（ET₀）等农气指标，供灌溉决策与病害模型调用。

农事响应与回溯：管理人员接收预警后执行防霜、遮阳、灌溉或排水作业；实验结束后可导出台站长期微气候序列与苗情影像用于作物模型校验或论文环境因子描述。

五、关键技术创新点

冠层—根系垂直剖面立体监测：同步获取地上气象六要素与地下0–100 cm多层级土壤温湿/电导率，完整表征作物根区水热动态，优于传统单点地表观测。

超声波无启动风速风速风向+ FDR高精度墒情：消除机械风杯启动死区与土壤探头易漂移问题，提升微风与低含水量段测量可靠性与长期稳定性。

阈值预警—农事联动雏形：虽以监测为核心，平台可对接水肥一体化控制器，在墒情低于下限或遇暴雨预警时提示或触发灌溉启停，形成"感知—分析—建议（执行）"初步闭环。

网格化可扩展与多设备融合：支持单点多要素或区域网格化密集布设，可与托普云农虫情测报灯、孢子捕捉仪、植物冠层仪等组网，纳入统一数字农业管控体系。

六、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，土壤氧气，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、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。

12、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。

13、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。

14、采用抗震级设计：可抵抗11级台风等级。

软件功能

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zui低最高超限值，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。

七、学术意义与技术价值

该系统将传统依靠县级气象台站宏观预报或人工手抄温湿计的粗放农气观测方式，升级为地块尺度、分钟级分辨率、多要素同步、具地理标记且连续存档的自动化微气候监测范式，消除了宏观气象数据与作物冠层实际生存微环境之间的尺度失配问题。其"冠层气象+根系剖面传感—低功耗边缘滤波—无线IoT上传—云端农气模型预警—多设备物联网融合"的技术路线，为区域农业气象灾害风险评估、精准水肥管理与作物模型参数化验证提供了标准化的国产原位观测基础设施。

浙江托普云农科技股份有限公司专业研发生产供应（销售）农业气象监测系统，厂家直销，欢迎新老用户了解咨询！