托普云農(nóng)TP-WMS系列智能農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司研制的"端—邊—云"一體化農(nóng)田小氣候物聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)平臺(tái)。系統(tǒng)基于多傳感器陣列融合、低功耗廣域無(wú)線傳輸與邊緣計(jì)算架構(gòu)，對(duì)作物冠層至根系剖面的全維度環(huán)境要素進(jìn)行全天候原位時(shí)序采集，彌補(bǔ)宏觀氣象站空間代表性不足與田間微環(huán)境（Microclimate）脫節(jié)的問(wèn)題，為農(nóng)田蒸散發(fā)（ET?）模型、病蟲(chóng)害預(yù)測(cè)模型、作物生長(zhǎng)模型及氣候—產(chǎn)量關(guān)聯(lián)分析提供標(biāo)準(zhǔn)化地面真值數(shù)據(jù)集。

一、系統(tǒng)架構(gòu)與感知層組成

系統(tǒng)采用分層分布式架構(gòu)，由野外采集端（感知層）、通信傳輸層（邊緣端）及數(shù)字農(nóng)業(yè)云平臺(tái)（應(yīng)用層）三部分構(gòu)成：

大氣環(huán)境傳感陣列：配置防輻射百葉箱內(nèi)高精度鉑電阻或熱敏元件測(cè)空氣溫濕度；超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器（無(wú)機(jī)械磨損、零啟動(dòng)風(fēng)速、360°全向測(cè)量）測(cè)定水平風(fēng)矢量；翻斗式雨量計(jì)計(jì)量液態(tài)降水量；硅光電二極管或全光譜輻射傳感器測(cè)定光照強(qiáng)度與光合有效輻射（PAR）；壓電/電容式氣壓傳感器測(cè)定大氣壓；部分型號(hào)可擴(kuò)展CO?濃度、紫外輻射、負(fù)氧離子及PM?.?傳感器。

土壤剖面多參數(shù)監(jiān)測(cè)單元：通過(guò)非金屬式FDR（頻域反射）或多參數(shù)一體傳感器配合PVC導(dǎo)管，同步采集0–100 cm深度內(nèi)多層級(jí)（通常為4層）土壤體積含水量（VWC）、土壤溫度，可擴(kuò)展土壤電導(dǎo)率（EC）及土壤氧氣含量，表征根系活躍區(qū)水熱—鹽分動(dòng)態(tài)。

作物視覺(jué)感知單元（選配）：集成高清定焦攝像頭（支持定時(shí)抓拍或視頻流），采集苗情圖像上傳云端，結(jié)合AI算法識(shí)別冠層覆蓋度、葉色及物候階段，實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)與作物表型時(shí)空關(guān)聯(lián)。

數(shù)據(jù)采集與控制主機(jī)：內(nèi)置低功耗微處理器與邊緣計(jì)算模塊，負(fù)責(zé)多通道傳感器輪詢采集、信號(hào)線性化、異常值濾波（3σ準(zhǔn)則）、本地存儲(chǔ)（TF卡）及通信協(xié)議封裝；支持遠(yuǎn)程修改采樣頻率、校準(zhǔn)系數(shù)及固件OTA升級(jí)。

供能與防護(hù)結(jié)構(gòu)：太陽(yáng)能光伏板配合免維護(hù)鉛酸/鋰電池組構(gòu)成雙供電系統(tǒng)，支持連續(xù)陰雨天長(zhǎng)期運(yùn)行；整體立柱與機(jī)箱達(dá)到IP65及以上防護(hù)等級(jí)，具備防雷擊與抗強(qiáng)風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，適應(yīng)野外長(zhǎng)期無(wú)人值守。

二、測(cè)量原理與信號(hào)解算

溫濕度與氣壓：空氣溫度多采用Pt100或NTC熱敏電阻四點(diǎn)校準(zhǔn)測(cè)量；相對(duì)濕度由高分子薄膜電容式濕敏元件檢測(cè)介電常數(shù)變化解算；大氣壓由壓阻式MEMS傳感器經(jīng)溫度補(bǔ)償輸出。

風(fēng)速風(fēng)向（超聲波原理）：成對(duì)正交布置的超聲波換能器交替發(fā)射與接收40 kHz超聲波脈沖，依據(jù)順風(fēng)與逆風(fēng)傳播時(shí)間差Δt解算水平風(fēng)速分量及合成風(fēng)向角，消除機(jī)械軸承摩擦與啟動(dòng)風(fēng)速死區(qū)。

降水（翻斗原理）：雨水經(jīng)承水口注入雙室翻斗，每完成一次翻轉(zhuǎn)觸發(fā)磁簧開(kāi)關(guān)計(jì)數(shù)，單位計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)固定容積水量，換算單位時(shí)間降雨強(qiáng)度與累計(jì)降水量。

土壤水分（FDR原理）：探頭環(huán)形電極發(fā)射高頻電磁波（典型100 MHz左右），測(cè)量周圍介質(zhì)介電常數(shù)ε，經(jīng)Topp經(jīng)驗(yàn)公式或標(biāo)定曲線轉(zhuǎn)換為土壤體積含水量；土壤溫度由內(nèi)置熱敏元件同步測(cè)得。

輻射（光電/熱電堆）：硅光電池或熱電堆探測(cè)器響應(yīng)400–700 nm（PAR）或全太陽(yáng)光譜輻射通量密度，經(jīng)光譜響應(yīng)校正輸出輻照度值。

三、核心功能

1、可配置傳感器多：該系統(tǒng)可采集土壤墑情(4層)，土壤溫度（4層)，空氣溫度，空氣相對(duì)濕度，光照強(qiáng)度，風(fēng)向，風(fēng)速，降水量，負(fù)氧離子，PM2.5，生態(tài)景區(qū)/林木及農(nóng)作物苗情圖片等，傳感器采用無(wú)線傳輸方式，安裝維護(hù)更方便。

2、海拔及防盜定位功能：可測(cè)海拔高度，自動(dòng)獲取海拔參數(shù)和內(nèi)置北斗、GPS、伽利略等多種定位系統(tǒng)。

3、故障報(bào)警功能：具有電池電量、太陽(yáng)能電壓、移位報(bào)警、震動(dòng)報(bào)警等功能。

4、設(shè)備遠(yuǎn)程控制：智能氣象監(jiān)測(cè)儀可遠(yuǎn)程設(shè)置采集時(shí)間間隔、聯(lián)網(wǎng)模式、地理信息、査看設(shè)備電量、設(shè)備進(jìn)行重啟與恢復(fù)、傳感器在線校準(zhǔn)。

5、數(shù)據(jù)查看多樣化：智能氣象監(jiān)測(cè)儀可通過(guò)手機(jī)APP和云平臺(tái)隨時(shí)查看數(shù)據(jù)和曲線圖，數(shù)據(jù)可和云平臺(tái)其他設(shè)備數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，歷史數(shù)據(jù)不丟失。

6、支持多網(wǎng)絡(luò)通訊：系統(tǒng)支持4G\5G\GPRS\NB\CDMA\4G\5G等方式。

7、數(shù)據(jù)采集頻率可設(shè)置：主機(jī)可通過(guò)云平臺(tái)遠(yuǎn)程自由設(shè)定采集、存儲(chǔ)和發(fā)送時(shí)間間隔。

8、傳感器通訊接口可兼容：可兼容RS485與LORA兩種傳感器通訊接口。

9、超聲波傳感器：配置超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器，無(wú)啟動(dòng)風(fēng)速限制，可零風(fēng)速工作，360°無(wú)角度限制，可同時(shí)獲得風(fēng)速風(fēng)向數(shù)值。

10、帶負(fù)氧離子傳感器：水平式探頭安裝方式，更易讓負(fù)氧離子吸入，促使測(cè)量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)、更快。

11、帶PM2.5傳感器：能夠充分得到空氣中0.3～10微米懸浮顆粒物濃度，有迅速檢測(cè)、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字化輸出，集成度高, 確保產(chǎn)品具可靠性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性；

12、帶苗情攝像頭：可高清觀察植物實(shí)際生長(zhǎng)情況。

13、可選配一體化LED屏：可配置P5戶外單色顯示屏，支持實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)顯示傳感器數(shù)據(jù)，并可遠(yuǎn)程設(shè)置開(kāi)關(guān)和工作時(shí)段。

14、軟件平臺(tái)可進(jìn)行作物種類識(shí)別、冠層覆蓋率識(shí)別根系分析等多維度分析。

15、數(shù)據(jù)可接入全國(guó)農(nóng)作物重大病蟲(chóng)害數(shù)字化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、全國(guó)土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

16、可提供歷史至未來(lái)5天的參考蒸發(fā)蒸騰量、天氣預(yù)測(cè)、全年氣候分析。

軟件功能：

1、帶數(shù)智農(nóng)業(yè)云管理平臺(tái)包含B/S架構(gòu)，可將所有便攜式設(shè)備及在線設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，數(shù)據(jù)集中展示分析，查看操作方式包括網(wǎng)頁(yè)端及手機(jī)端（安卓及蘋果系統(tǒng)均可用）。

2、平臺(tái)支持設(shè)備數(shù)據(jù)在云端自由存儲(chǔ)，提供足夠容量可長(zhǎng)期保存，確保數(shù)據(jù)不丟失；

3、顯示每種參數(shù)過(guò)程曲線趨勢(shì)，最大值、最小值、平均值顯示查看，放大、縮小功能。

4、數(shù)據(jù)可上傳至管理云平臺(tái)。平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)按自定義時(shí)間段進(jìn)行對(duì)比分析和數(shù)據(jù)列表的互相切換，數(shù)據(jù)和對(duì)比分析圖表可下載，可打印。

5、用戶可為設(shè)備配置傳感器報(bào)警條件，預(yù)置若干常用的林木作物的報(bào)警配置，可按林木不同生長(zhǎng)階段對(duì)傳感器數(shù)據(jù)上下限值進(jìn)行設(shè)定，超出預(yù)設(shè)值后會(huì)自動(dòng)報(bào)警與提示。

6、平臺(tái)支持設(shè)備數(shù)據(jù)云端存儲(chǔ)，提供足夠容量可長(zhǎng)期保存。

7、平臺(tái)為設(shè)備數(shù)據(jù)提供曲線與表格等報(bào)表形式，且數(shù)據(jù)可導(dǎo)出與導(dǎo)入。

8、數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)：可以設(shè)置高低超限值，可自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)警分析。

9、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)：系統(tǒng)支持對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元參數(shù)修訂，可針對(duì)線性變化參數(shù)進(jìn)行偏移量修正，確保統(tǒng)一多個(gè)環(huán)境中同一類型的數(shù)據(jù)的偏移設(shè)置。

10、林木苗情監(jiān)測(cè)：系統(tǒng)按照默認(rèn)設(shè)置圖像采集時(shí)間點(diǎn)按時(shí)自動(dòng)發(fā)送命令遠(yuǎn)程拍照，自動(dòng)展示最新林木苗情圖片，支持用戶遠(yuǎn)程打開(kāi)攝像頭，實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)查看功能。

11、林木苗情分析：系統(tǒng)可對(duì)林木苗情監(jiān)測(cè)的圖片按用戶自定義時(shí)間段篩選，實(shí)現(xiàn)對(duì)林木苗情動(dòng)態(tài)展示苗情生長(zhǎng)狀況，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別出當(dāng)前圖片中的冠層覆蓋度，可支持用戶或?qū)＜覍?duì)苗情圖片進(jìn)行評(píng)價(jià)和記錄。

12、設(shè)備管理：管理平臺(tái)軟件對(duì)系統(tǒng)有進(jìn)行遠(yuǎn)程管理的功能，可支持用戶自定義設(shè)定數(shù)據(jù)采集間隔和數(shù)據(jù)上傳間隔，系統(tǒng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程管理故障報(bào)警的信息。

13、管理平臺(tái)軟件可在線升級(jí)。

四、典型科研與應(yīng)用場(chǎng)景

農(nóng)田小氣候與微環(huán)境研究：網(wǎng)格化布設(shè)獲取田塊尺度溫濕風(fēng)光的精細(xì)空間異質(zhì)性，服務(wù)于冠層能量平衡、邊界層湍流及微氣象學(xué)參數(shù)化方案驗(yàn)證。

作物模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證：為WOFOST、DSSAT等作物生長(zhǎng)模型及Penman–Monteith蒸散模型提供本地化氣象驅(qū)動(dòng)變量，提高區(qū)域產(chǎn)量與水分利用模擬精度。

病蟲(chóng)害發(fā)生預(yù)測(cè)：結(jié)合冠層相對(duì)濕度、葉面濕潤(rùn)持續(xù)時(shí)間）與積溫?cái)?shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)稻瘟病、小麥銹病等病害預(yù)測(cè)模型，支撐植保預(yù)警。

農(nóng)林生態(tài)與氣候適應(yīng)：長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)為作物需熱量（積溫）、需冷量及物候期與氣候變暖關(guān)聯(lián)分析積累基礎(chǔ)觀測(cè)資料。

五、學(xué)術(shù)價(jià)值評(píng)述

托普云農(nóng)TP-WMS系列將農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)由傳統(tǒng)人工讀數(shù)與孤立站點(diǎn)記錄升級(jí)為全自動(dòng)、多要素、立體剖面的物聯(lián)網(wǎng)連續(xù)監(jiān)測(cè)體系，通過(guò)超聲波無(wú)慣性風(fēng)場(chǎng)測(cè)量、分層土壤原位傳感與云端智能分析的國(guó)產(chǎn)化整合，使田間微氣候數(shù)據(jù)具備時(shí)空連續(xù)性、站點(diǎn)間可比性及與農(nóng)藝模型的耦合能力，是農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)、作物生理學(xué)及氣候—作物互作（C×E）研究中的地面基準(zhǔn)觀測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施。