智能气象监测系统：地块级微气候感知与智慧农业技术解析

一、产品概述

托普云农智能气象监测系统（典型型号TP-WMS-1、TP-WMS-1L、TP-WMS-1Z、TP-WMS-1P、TP-WMS-1H）是一套基于物联网架构的农田小气候原位观测装备。系统由立杆式感知阵列、边缘采集主机、多层土壤剖面探头、苗情成像单元及数字农业云平台组成，可同步获取近地面大气要素与根区水热参数，并通过4G/5G、NB-IoT、LoRa等无线链路回传数据。

设备面向大田、果园、茶园、设施农业及长期定位试验站，解决常规气象台站空间分辨率有限、难以反映田块内冠层微环境差异的问题。作为“天空地一体化"感知体系的地面环境强迫数据入口，系统为灌溉调度、植保预警、育种选择与农业气象灾害评估提供带坐标、带时间戳的连续观测序列。

二、工作原理

系统按“端—边—云"三级链路运行：

大气感知：防辐射通风百叶箱内，铂电阻（Pt100/NTC）测空气温度，电容式探头测湿度，输出经通风滞热修正的瞬时值；超声波时差法解算水平风矢量，无启动风速限制；翻斗式计量降水量；硅光电器件测总辐射，滤光分流获取光合有效辐射（PAR）。

土壤剖面感知：非金属FDR探头经PVC导管在0–20、20–40、40–60、60–100 cm分层布设，通过介电常数反演体积含水率（VWC）与土温，可扩展电导率（EC）、pH、土壤氧气与水势。

边缘计算：嵌入式终端按预设频率轮询采样，执行滑动平均、3σ野值剔除与缺失标记，本地计算活动积温、有效积温、参考蒸散量（ET₀）、露点温度等派生指标并缓存。

云端闭环：断网续传恢复时序，平台按农林小气候观测规范做日界校时，结合苗情图像与历史序列输出干旱、渍涝、霜冻、高温热害事件标记与预警。

三、核心检测指标

1. 大气气象要素

空气温度、相对湿度、露点温度、大气压

风速、风向（超声波360°无机械磨损）

降水量、光照强度、总辐射、PAR、紫外辐射（选配）

2. 土壤剖面要素

4层体积含水率（VWC）、4层土壤温度

扩展：EC、pH、土壤氧气、氧化还原电位、水势

3. 伴随与派生参数

苗情图像、冠层覆盖度、物候识别

活动/有效积温、日照时数、ET₀、昼夜温差、干燥度

干旱/渍涝/冷害/高温热害等级判定

4. 设备与平台功能

北斗/GPS/伽利略多模定位、海拔获取、移位震动报警

太阳能+锂电双供电，阴雨条件持续运行

远程设参、OTA升级、传感器在线校准、故障自诊断

GIS多站分布、过程曲线、超限推送、数据导出（CSV/Excel/PDF）

可接入全国土壤墒情与病虫害数字化监测平台

四、功能特点

主机及传输部分：

1、农业生态气象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、农业小型气象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、农业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、农业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。

五、适用应用场景

高标准农田：墒情—灌溉联动，按Penman-Monteith估算需水，替代固定周期灌水；

病虫害预测：低温高湿预警稻瘟病，高温低湿结合迁飞峰研判稻飞虱暴发，与虫情灯/性诱端同图叠加；

育种与区试：多点微气候基线采集，服务G×E（基因型×环境）分解、耐逆筛选与播期优化；

果园茶园：花期防霜、膨大期防日灼、采摘前积温与降水追溯；

设施农业：棚内外气象对照，联动通风、遮阳、补光与水肥一体化执行；

林草与生态：物候—气象耦合长期定位、负氧离子与PM2.5辅助生态质量评价；

农业保险与防灾：天气过程留痕，支撑气象指数理赔与定损核查。

六、科研价值与系统意义

智能气象监测系统的核心价值在于把“气候变量"转化为可控制的农学变量：

提供分钟级、带坐标的微气候真值，消除人工读数与单点仪器时空偏差；

将光温水气数据与作物物候、墒情、虫情耦合，校准病害预测与需水模型；

多站组网可做区域降尺度校验，服务数字农田、气候智慧型农业与县域农情平台；

在智慧农业体系中作为环境感知底座，衔接表型平台、墒情站、虫情系统与执行端，形成“感知—诊断—决策—调控"闭环。

其学术严谨性不依赖参数堆叠，而来自测量原理合规、安装高度规范（温湿与风场约150 cm、雨口无遮挡）与派生量可回溯到标准公式。

总结

托普云农智能气象监测系统以多要素原位感知、边缘质控与云边协同，构建了田块级微气候连续观测基座。其技术意义不仅限于“记录天气"，更在于把气象过程翻译成播种、灌溉、防病、采收可依据的定量参数，为农业科研、绿色生产与智慧农业系统提供稳定、可复现的环境数据支撑。

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