农业小气候观测站介绍

一、系统定义与农气学定位

托普云农TP-WMS系列农业小气候观测站（农林小气候监测系统/无线农业气象综合监测站）是一套依据WMO及农业气象观测规范设计的无人值守自动监测系统。通过冠层高度大气参数与根系区土壤剖面参数的立体同步采集，填补国家基本气象站公里级空间分辨率与田块微环境间的观测断层，为Penman–Monteith蒸散量（ET₀）计算、病虫害发生期预测、干热风/晚霜冻预警及精准农事窗口期判定提供连续量化数据集。

二、硬件系统构成（端—边—云架构）

大气环境传感阵列：防辐射百叶箱内铂电阻或NTC元件测定空气温湿度；超声波风速风向传感器（无机械轴承、零启动风速）测水平风矢量；翻斗式雨量计计量液态降水量；硅光电二极管或全光谱传感器测光照强度与光合有效辐射（PAR，400–700 nm）；可选配压电/电容式气压传感器、CO₂浓度传感器、紫外辐射及负氧离子传感器。

土壤剖面多参数单元：采用非金属FDR（频域反射）或多参数一体探头，配合PVC埋设导管，同步采集0–100 cm深度内多层（通常4层：0–20/20–40/40–60/60–100 cm）土壤体积含水量（VWC）、土壤温度，可选扩展土壤电导率（EC）及土壤热通量，表征根系活跃区水热—盐分动态。

数据采集与边缘终端：低功耗嵌入式采集器对原始信号进行A/D转换、滑动平均滤波与3σ准则异常值剔除；内置大容量TF卡本地存储（可达数年）；支持远程写入传感器标定系数、固件OTA升级及故障自诊断。

通信与供电系统：内置4G/5G/NB-IoT/GPRS无线模组上传加密数据包至B/S架构数字农业云平台；太阳能光伏板配合免维护铅酸/锂离子蓄电池组双供电，支持连续阴雨天持续工作。

辅助结构：不锈钢或铝合金三角/立杆支架（通常含横臂），带水平气泡与防盗定位（内置GPS/北斗双模模块获取经纬度与海拔）；可选配定时苗情摄像机（CMOS传感器）抓拍冠层图像上传云平台。

三、工作原理与数据流程

各传感器将环境物理量转换为标准模拟或数字电信号→数据采集器按预设频率轮询读取各通道原始值→边缘端执行数字滤波、温度补偿及单位换算→按选定通信协议打包→无线模组发送至云端服务器→平台解包存储，生成时序曲线、活动积温、可照时数等二次衍生指标→超限触发短信/APP弹窗告警。土壤剖面参数通过预先埋设探头连续监测，避免人工取样的时空离散误差。

四、适用范围与局限

适用：大田作物（小麦、水稻、玉米等）、经济作物（茶园、果园、设施蔬菜）地块级小气候连续监测；高标准农田建设与第三次全国土壤普查配套墒情网点；林业、草地、湿地生态站微气象背景值获取；育种试验基地多品种环境差异量化比较；农业气象灾害（干旱、洪涝、霜冻、干热风）早期预警系统前端感知。

局限：翻斗式雨量计仅计量液态降水，固态降水（雪、冰雹）需人工补测或加热型雨量筒；超声波风速仪仅测二维水平风，不含垂直分量；传感器精度受长期积尘、辐射屏蔽通风不足影响需定期校准维护；站点代表性受周边下垫面均一性制约，地形破碎山地需加密布点。

五、安装与布设规范

点位选择：按观测规范选地势平坦、代表性好、周围开阔处，距孤立障碍物≥10倍障碍物高度，避开陡坡、建筑物及强电磁源。

基础与立杆固定：浇筑混凝土基础或用地锚固定底脚法兰，调整水平气泡居中，锁紧各连接螺栓使整机达抗风等级要求。

传感器安装：防辐射百叶箱开口朝北（北半球）距地面1.5 m；雨量计筒口水平、无遮挡；超声波风速仪顶端无尾流干扰；土壤探头按预设深度分层埋入原状土中（回填与原土紧实度一致），避免悬空或挤压。

接线与上电：按色标连接各传感器RS-485/模拟线至采集器端子，屏蔽层单端接地；接通蓄电池与太阳能控制器，开机检查各通道通信握手及实时示值合理性。

平台注册与调试：扫码或手动绑定设备序列号至云平台，设定采集/上传间隔（通常5～30 min）、各要素报警阈值，确认数据正常上云后闭合防水接线盒。

六、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、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：智能气象监测仪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：智能气象监测仪可通过手机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。

七、典型应用场景

精准灌溉决策：结合土壤墒情多层数据与ET₀计算，驱动智能水肥一体化系统开关。

植保预警：利用温湿—降雨组合触发稻瘟病、小麦赤霉病等病害预测模型。

科研教学：长期定位监测不同耕作制度下农田能量—水分—碳通量微气候背景。

高标准农田监管：接入省市级农业大数据平台实现区域墒情旱情网格化监控。

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