一、系統(tǒng)定位與研究背景

托普云農(nóng)農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（典型型號(hào)TP-WMS-1、TP-WMS-1L/H/Z等）是基于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）多傳感器陣列與微氣象學(xué)原理構(gòu)建的國(guó)產(chǎn)化農(nóng)田小氣候原位觀測(cè)裝備。該系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)氣象臺(tái)站空間分辨率低（通?！? km×5 km）、無(wú)法反映田塊內(nèi)植被冠層微環(huán)境差異的核心缺陷，通過(guò)在作物冠層高度及根區(qū)布設(shè)溫濕、輻射、風(fēng)場(chǎng)、降水及土壤剖面?zhèn)鞲衅鳎@取高時(shí)空分辨率的氣—土—生全要素微氣象數(shù)據(jù)集，為農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害預(yù)警、作物模型參數(shù)化、病蟲害預(yù)測(cè)及精準(zhǔn)農(nóng)事決策提供原位定量強(qiáng)迫數(shù)據(jù)。

二、系統(tǒng)架構(gòu)與工作原理

感知層：各要素傳感器經(jīng)RS485/Modbus總線接入低功耗數(shù)據(jù)采集器?？諝鉁貪癫捎米枞?熱敏元件（百葉箱防護(hù)）；風(fēng)速風(fēng)向多采用無(wú)啟動(dòng)風(fēng)速超聲波探頭（360°全向，消除機(jī)械磨損）；雨量計(jì)為翻斗式；光照/光合有效輻射（PAR）用硅光電池或量子傳感器；土壤溫濕度及電導(dǎo)率（EC）采用頻域反射（FDR）或時(shí)域反射（TDR）原理的一體化埋入式探頭，通常按四層垂直剖面布設(shè)。

采集與邊緣處理層：嵌入式數(shù)據(jù)采集終端按預(yù)設(shè)頻率輪詢傳感器，執(zhí)行滑動(dòng)平均濾波、3σ異常值剔除與缺失值標(biāo)記，計(jì)算活動(dòng)積溫（GDD）、有效積溫、參考蒸散量等派生氣象指標(biāo)，本地TF卡/Flash存儲(chǔ)保證斷網(wǎng)不丟數(shù)。

傳輸與供電層：太陽(yáng)能板配免維護(hù)蓄電池雙供電，支持4G/5G/NB-IoT/LoRa/BDS北斗短報(bào)文多種無(wú)線傳輸模式，適應(yīng)無(wú)市電野外長(zhǎng)期無(wú)人值守；具備電壓、位移、振動(dòng)防盜報(bào)警功能。

應(yīng)用層（云平臺(tái)）：B/S架構(gòu)農(nóng)業(yè)氣象大數(shù)據(jù)平臺(tái)接收各站點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，提供時(shí)序曲線、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、閾值預(yù)警（霜凍/干熱風(fēng)/旱澇）、積溫積光分析、歷史回溯及API對(duì)接，支持多站網(wǎng)格化拼接生成區(qū)域小氣候分布圖。

三、監(jiān)測(cè)要素與可輸出參數(shù)

大氣氣象要素：空氣溫度、相對(duì)濕度、大氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、降水量、光照強(qiáng)度（或光合有效輻射PAR）、紫外輻射、負(fù)氧離子濃度、PM?.?/PM??（選配）。

土壤剖面要素：0–100 cm內(nèi)多層（通常四層）土壤體積含水量（VWC）、土壤溫度、土壤電導(dǎo)率（鹽分），可選土壤pH與氧化還原電位（ORP）。

作物伴隨信息：定時(shí)苗情/冠層圖像抓拍，冠層覆蓋率AI估算值。

派生農(nóng)業(yè)氣象指標(biāo)：活動(dòng)積溫、有效積溫、日照時(shí)數(shù)、參考作物蒸散量（ETo）、干燥度指數(shù)、露點(diǎn)溫度、晝夜溫差等，可按作物品種自定義基準(zhǔn)溫度。

四、核心功能

1、可配置傳感器多：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，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：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：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、帶苗情攝像頭：可高清觀察植物實(shí)際生長(zhǎng)情況。

11、軟件平臺(tái)可進(jìn)行墑情趨勢(shì)分析、作物種類識(shí)別、冠層覆蓋率識(shí)別、作物需水分析等多維度分析。

12、數(shù)據(jù)可接入全國(guó)農(nóng)作物重大病蟲害數(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)。

13、采用抗震級(jí)設(shè)計(jì)：可抵抗11級(jí)臺(tái)風(fēng)等級(jí)。

軟件特點(diǎn)

1、數(shù)據(jù)可上傳至管理云平臺(tái)，數(shù)據(jù)不丟失，可通過(guò)手機(jī)或網(wǎng)頁(yè)遠(yuǎn)程查看數(shù)據(jù)，平臺(tái)內(nèi)數(shù)據(jù)可下載，數(shù)據(jù)對(duì)比分析，打印。

2、平臺(tái)可顯示每種參數(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。

3、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。

4、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excel、pdf、csv等格式數(shù)據(jù)。

5、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。

6、設(shè)備軟件和web平臺(tái)、APP均可支持在線升級(jí)。

7、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。

8、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)展示最新作物苗情圖片，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，支持360°遠(yuǎn)程云臺(tái)控制，在苗情攝像頭啟動(dòng)后用戶可隨意調(diào)整可視角度觀察作物苗情長(zhǎng)勢(shì)。

9、苗情分析：系統(tǒng)可對(duì)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)作物苗情動(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。

10、墑情分析：系統(tǒng)支持對(duì)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等智能裝備的4層土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行墑情分析，按0~20cm，20~40cm，40~60cm，60~100cm這四個(gè)監(jiān)測(cè)層進(jìn)行單層墑情數(shù)據(jù)分析。

11、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。

五、典型應(yīng)用場(chǎng)景

農(nóng)業(yè)氣象與微氣候研究：獲取農(nóng)田冠層微環(huán)境連續(xù)時(shí)序數(shù)據(jù)，研究作物—大氣界面能量與物質(zhì)交換（感熱/潛熱通量參數(shù)化）、逆溫層與霜凍形成機(jī)制。

作物模型驅(qū)動(dòng)與校驗(yàn)：為DSSAT、APSIM、WOFOST等生長(zhǎng)模型提供本地化氣象強(qiáng)迫數(shù)據(jù)，校準(zhǔn)蒸散與物候預(yù)測(cè)；為衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品（土壤水分、LAI）提供地面真值驗(yàn)證。

病蟲害預(yù)測(cè)模型：結(jié)合溫濕系數(shù)、降雨與露點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建小麥銹病、稻飛虱、晚疫病等的發(fā)病概率預(yù)測(cè)模型。

精準(zhǔn)農(nóng)事與災(zāi)害防御：霜凍、干熱風(fēng)、暴雨內(nèi)澇等閾值觸發(fā)預(yù)警，指導(dǎo)適時(shí)灌溉、防霜熏煙、揭膜通風(fēng)；配合水肥一體化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變量灌溉決策。

高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田與特色作物園區(qū)：茶園、果園、中藥材基地小氣候區(qū)劃與適地品種布局，支撐農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)定損與氣候適應(yīng)性評(píng)估。

六、學(xué)術(shù)價(jià)值與國(guó)產(chǎn)化意義

TP-WMS系列實(shí)現(xiàn)了從微氣象傳感器選型、多協(xié)議采集終端、太陽(yáng)能物聯(lián)網(wǎng)供電到云端農(nóng)業(yè)氣象分析平臺(tái)的全國(guó)產(chǎn)化全鏈路集成，克服了進(jìn)口同類設(shè)備價(jià)格高昂、售后周期長(zhǎng)及定制擴(kuò)展性差的局限。其分鐘級(jí)原位連續(xù)觀測(cè)能力使農(nóng)田小氣候數(shù)據(jù)能與作物物候、表型及產(chǎn)量形成過(guò)程耦合，直接服務(wù)于作物模型本地化校準(zhǔn)、基因型—環(huán)境互作（G×E）解析及氣候智慧型農(nóng)業(yè)管理決策，國(guó)產(chǎn)高精度農(nóng)田小氣候自動(dòng)觀測(cè)站在農(nóng)林科研與數(shù)字農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用空白。

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