托普云農(nóng)TP-WMS系列智能農(nóng)業(yè)氣象監(jiān)測系統(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)觀測平臺。系統(tǒng)基于多傳感器陣列融合、低功耗廣域無線傳輸與邊緣計算架構，對作物冠層至根系剖面的全維度環(huán)境要素進行全天候原位時序采集，彌補宏觀氣象站空間代表性不足與田間微環(huán)境（Microclimate）脫節(jié)的問題，為農(nóng)田蒸散發(fā)（ET?）模型、病蟲害預測模型、作物生長模型及氣候—產(chǎn)量關聯(lián)分析提供標準化地面真值數(shù)據(jù)集。

一、系統(tǒng)架構與感知層組成

系統(tǒng)采用分層分布式架構，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（應用層）三部分構成：

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空氣溫濕度；超聲波風速風向傳感器（無機械磨損、零啟動風速、360°全向測量）測定水平風矢量；翻斗式雨量計計量液態(tài)降水量；硅光電二極管或全光譜輻射傳感器測定光照強度與光合有效輻射（PAR）；壓電/電容式氣壓傳感器測定大氣壓；部分型號可擴展CO?濃度、紫外輻射、負氧離子及PM?.?傳感器。

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

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

數(shù)據(jù)采集與控制主機：內(nèi)置低功耗微處理器與邊緣計算模塊，負責多通道傳感器輪詢采集、信號線性化、異常值濾波（3σ準則）、本地存儲（TF卡）及通信協(xié)議封裝；支持遠程修改采樣頻率、校準系數(shù)及固件OTA升級。

供能與防護結構：太陽能光伏板配合免維護鉛酸/鋰電池組構成雙供電系統(tǒng)，支持連續(xù)陰雨天長期運行；整體立柱與機箱達到IP65及以上防護等級，具備防雷擊與抗強風結構設計，適應野外長期無人值守。

二、測量原理與信號解算

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

風速風向（超聲波原理）：成對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)順風與逆風傳播時間差Δt解算水平風速分量及合成風向角，消除機械軸承摩擦與啟動風速死區(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)磁簧開關計數(shù)，單位計數(shù)對應固定容積水量，換算單位時間降雨強度與累計降水量。

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），測量周圍介質(zhì)介電常數(shù)ε，經(jīng)Topp經(jīng)驗公式或標定曲線轉(zhuǎn)換為土壤體積含水量；土壤溫度由內(nèi)置熱敏元件同步測得。

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

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，空氣相對濕度，光照強度，風向，風速，降水量，負氧離子，PM2.5，生態(tài)景區(qū)/林木及農(nóng)作物苗情圖片等，傳感器采用無線傳輸方式，安裝維護更方便。

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

3、故障報警功能：具有電池電量、太陽能電壓、移位報警、震動報警等功能。

4、設備遠程控制：智能氣象監(jiān)測儀可遠程設置采集時間間隔、聯(lián)網(wǎng)模式、地理信息、査看設備電量、設備進行重啟與恢復、傳感器在線校準。

5、數(shù)據(jù)查看多樣化：智能氣象監(jiān)測儀可通過手機APP和云平臺隨時查看數(shù)據(jù)和曲線圖，數(shù)據(jù)可和云平臺其他設備數(shù)據(jù)關聯(lián)分析，歷史數(shù)據(jù)不丟失。

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

7、數(shù)據(jù)采集頻率可設置：主機可通過云平臺遠程自由設定采集、存儲和發(fā)送時間間隔。

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：配置超聲波風速風向傳感器，無啟動風速限制，可零風速工作，360°無角度限制，可同時獲得風速風向數(shù)值。

10、帶負氧離子傳感器：水平式探頭安裝方式，更易讓負氧離子吸入，促使測量數(shù)據(jù)更準、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、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)點，數(shù)字化輸出，集成度高, 確保產(chǎn)品具可靠性與長期穩(wěn)定性；

12、帶苗情攝像頭：可高清觀察植物實際生長情況。

13、可選配一體化LED屏：可配置P5戶外單色顯示屏，支持實時現(xiàn)場顯示傳感器數(shù)據(jù)，并可遠程設置開關和工作時段。

14、軟件平臺可進行作物種類識別、冠層覆蓋率識別根系分析等多維度分析。

15、數(shù)據(jù)可接入全國農(nóng)作物重大病蟲害數(shù)字化監(jiān)測預警系統(tǒng)、全國土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)。

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

軟件功能：

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

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

3、顯示每種參數(shù)過程曲線趨勢，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。平臺上可以實現(xiàn)多個傳感器數(shù)據(jù)按自定義時間段進行對比分析和數(shù)據(jù)列表的互相切換，數(shù)據(jù)和對比分析圖表可下載，可打印。

5、用戶可為設備配置傳感器報警條件，預置若干常用的林木作物的報警配置，可按林木不同生長階段對傳感器數(shù)據(jù)上下限值進行設定，超出預設值后會自動報警與提示。

6、平臺支持設備數(shù)據(jù)云端存儲，提供足夠容量可長期保存。

7、平臺為設備數(shù)據(jù)提供曲線與表格等報表形式，且數(shù)據(jù)可導出與導入。

8、數(shù)據(jù)評價：可以設置高低超限值，可自動進行數(shù)據(jù)預警分析。

9、數(shù)據(jù)校準：系統(tǒng)支持對傳感器的數(shù)據(jù)進行多元參數(shù)修訂，可針對線性變化參數(shù)進行偏移量修正，確保統(tǒng)一多個環(huán)境中同一類型的數(shù)據(jù)的偏移設置。

10、林木苗情監(jiān)測：系統(tǒng)按照默認設置圖像采集時間點按時自動發(fā)送命令遠程拍照，自動展示最新林木苗情圖片，支持用戶遠程打開攝像頭，實現(xiàn)視頻實時查看功能。

11、林木苗情分析：系統(tǒng)可對林木苗情監(jiān)測的圖片按用戶自定義時間段篩選，實現(xiàn)對林木苗情動態(tài)展示苗情生長狀況，同時系統(tǒng)自動識別出當前圖片中的冠層覆蓋度，可支持用戶或?qū)＜覍γ缜閳D片進行評價和記錄。

12、設備管理：管理平臺軟件對系統(tǒng)有進行遠程管理的功能，可支持用戶自定義設定數(shù)據(jù)采集間隔和數(shù)據(jù)上傳間隔，系統(tǒng)對物聯(lián)網(wǎng)設備遠程管理故障報警的信息。

13、管理平臺軟件可在線升級。

四、典型科研與應用場景

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

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

病蟲害發(fā)生預測：結合冠層相對濕度、葉面濕潤持續(xù)時間）與積溫數(shù)據(jù)，驅(qū)動稻瘟病、小麥銹病等病害預測模型，支撐植保預警。

農(nóng)林生態(tài)與氣候適應：長期連續(xù)監(jiān)測為作物需熱量（積溫）、需冷量及物候期與氣候變暖關聯(lián)分析積累基礎觀測資料。

五、學術價值評述

托普云農(nóng)TP-WMS系列將農(nóng)業(yè)氣象觀測由傳統(tǒng)人工讀數(shù)與孤立站點記錄升級為全自動、多要素、立體剖面的物聯(lián)網(wǎng)連續(xù)監(jiān)測體系，通過超聲波無慣性風場測量、分層土壤原位傳感與云端智能分析的國產(chǎn)化整合，使田間微氣候數(shù)據(jù)具備時空連續(xù)性、站點間可比性及與農(nóng)藝模型的耦合能力，是農(nóng)業(yè)生態(tài)學、作物生理學及氣候—作物互作（C×E）研究中的地面基準觀測基礎設施。