农业气象观测站：TP-WMS-1 技术解析与应用实践

一、产品概述

托普云农 TP-WMS-1 农业气象观测站，是一套基于多传感器阵列融合、低功耗边缘计算与物联网架构的农田小气候原位自动观测系统。设备由立杆式采集主机、冠层大气传感单元、分层土壤剖面探头、可选苗情成像模块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。

系统定位于“天空地"一体化农业感知体系的地面环境强迫数据入口，弥补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。其将公里级格点观测下沉至地块级连续描述，为农业气象灾害预警、作物模型参数化、病虫害气象适宜度研判及精准农事调度提供带坐标、带时间戳、可溯源的地面真值数据。

二、工作原理

TP-WMS-1 按“端—边—云"三级链路运行：

大气要素感知：空气温湿度置于防辐射通风百叶箱内，采用 Pt100/NTC 测温与高分子薄膜电容测湿，消除日光直晒与滞热误差；超声波时差法解算水平风矢量，无机械磨损、无启动风速限制；翻斗式雨量计计量液态降水；硅光电二极管测定总辐射，经滤光得到光合有效辐射（PAR）；压阻式 MEMS 传感器输出大气压。

土壤剖面感知：非金属 FDR 频域反射探头经 PVC 导管分层布设（常用 0–20、20–40、40–60、60–100 cm），反演各层体积含水率（VWC）与土温，可扩展电导率（EC）与土壤氧气。

边缘计算：嵌入式终端按分钟级轮询采样，执行滑动平均滤波、3σ 野值剔除与缺失标记，本地计算露点温度、活动积温、有效积温、日照时数、参考蒸散量（ET₀）等派生指标。

数据回传：通过 4G/5G、NB-IoT 或 LoRa 上传云平台，TF 卡断网续存；北斗/GPS 双模定位绑定坐标与海拔，平台侧按农林小气候观测规范做日界对齐与时序回溯。

苗情关联（选配）：定时抓拍冠层图像，边缘侧估算覆盖度与物候状态，实现气象—表型时空关联。

三、核心检测指标与功能

检测指标

大气要素：空气温度、相对湿度、露点温度、大气压、风速、风向、降水量、光照强度、总辐射、PAR

土壤要素：4 层土壤体积含水率、4 层土壤温度、土壤 EC、土壤氧气（选配）

派生参数：活动积温、有效积温、日照时数、ET₀、昼夜温差、水分胁迫参考值

伴随数据：苗情图像、冠层覆盖度、物候阶段、设备状态与定位信息

核心功能

立体感知：同步覆盖“气—土—苗"三维环境，避免单要素误判。

边缘预处理：本地滤波与农气指标计算，降低无效回传与云端算力负担。

远程运维：Web/移动端查看数据，支持采样频率配置、标定系数写入、固件 OTA 与故障诊断。

灾害预警：基于阈值与历史序列提示霜冻、倒春寒、干热风、渍涝、持续寡照等风险。

决策联动：可对接灌溉阀、水肥一体机、虫情与孢子监测设备，输出农事窗口建议。

数据溯源：每条记录带时间戳、坐标、海拔与设备元数据，支持导出与第三方平台接入。

功能特点

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，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、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。

12、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。

13、采用抗震级设计：可抵抗11级台风等级。

软件特点

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，提供足够容量可长期保存。

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：可以设置高低超限值，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。

四、适用应用场景

大田粮食产区：水稻、小麦、玉米产区，用于积温核算、旱涝预警与收获期判别。

经济作物区：设施大棚、丘陵茶园、坡地果园，监测冠层微气候与根区墒情差异。

高标准农田与灌区：支撑变量灌溉、水肥协同与水资源调度考核。

林业与草原生态站：小气候长期定位观测、碳汇与蒸散研究。

科研试验站与育种基地：G×E 互作分析、作物模型校准、品种区试环境基线构建。

五、科研价值与系统意义

在农学研究层面，TP-WMS-1 将“看天种地"转为可量化、可复算的地块环境真值序列。连续微气候数据可用于积温模型验证、ET₀ 区域修正、土壤—作物—大气连续体（SPAC）水热通量估算，以及病虫害气象适宜度建模。

在智慧农业层面，系统把气象从背景信息提升为决策变量：灌溉不再按固定周期，而是按墒情、辐射与降雨预报动态给水；植保不再孤立看虫口，而是结合温湿光组合判断病害流行风险。

在方法学层面，设备通过标准化安装规范（温湿 150 cm、风场同高、雨口无遮挡、辐射南向余弦校正）与可审计数据源，打通田间观测—区域网格—县级农情平台的数据链条，为绿色增产、防灾减损与数字农情建档提供底层基础设施。

六、结尾总结

TP-WMS-1 农业气象观测站，以多传感器融合与边缘智能为核心，构建了覆盖大气、土壤与作物表型的田块级连续观测能力。其技术价值不在于单点读数精度，而在于把微气候过程转化为带空间坐标、时间轴与质控标记的结构化数据资产。作为智慧农业的环境感知基座，该系统在提升农气服务粒度、支撑精准管理与服务长期农业科研方面具有明确且务实的工程与学术意义。

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