一、系統(tǒng)定義與農(nóng)氣學(xué)定位

托普云農(nóng)智能氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TP-WMS系列無(wú)線農(nóng)業(yè)氣象綜合監(jiān)測(cè)站及配套數(shù)字農(nóng)業(yè)云平臺(tái)）是一套基于多傳感器融合、嵌入式邊緣計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)建的無(wú)人值守農(nóng)田小氣候自動(dòng)觀測(cè)體系。該系統(tǒng)通過(guò)在作物冠層及根系剖面布設(shè)高密度傳感節(jié)點(diǎn)，同步采集空氣熱力學(xué)參數(shù)、輻射與降水要素、多層土壤水熱鹽動(dòng)態(tài)及田間苗情影像，填補(bǔ)宏觀氣象臺(tái)站與地塊微環(huán)境之間的觀測(cè)空白，為農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害早期預(yù)警、作物需水模型計(jì)算、病蟲(chóng)害發(fā)生期預(yù)測(cè)及精準(zhǔn)農(nóng)事窗口期判定提供連續(xù)、客觀的量化數(shù)據(jù)支撐。

二、系統(tǒng)架構(gòu)——端·邊·云三層體系

感知層（端）：由多要素一體式氣象傳感器、多層土壤溫濕度/電導(dǎo)率探頭（通常0–100 cm剖面分層埋設(shè)）、光合有效輻射或總輻射傳感器、翻斗式雨量計(jì)、超聲波風(fēng)速風(fēng)向傳感器及定時(shí)苗情攝像模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)冠層以上氣象六要素與根系區(qū)土壤參數(shù)的立體同步采集。

采集與邊緣層（邊）：低功耗嵌入式數(shù)據(jù)采集器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、滑動(dòng)平均濾波與異常值剔除，按預(yù)設(shè)頻率本地存儲(chǔ)（支持大容量TF卡），并通過(guò)內(nèi)置通信模組將預(yù)處理數(shù)據(jù)包上傳；具備遠(yuǎn)程固件OTA升級(jí)、傳感器標(biāo)定系數(shù)寫(xiě)入及故障自診斷功能。

傳輸與平臺(tái)層（云）：采用4G/NB-IoT/LoRa等無(wú)線方式將加密數(shù)據(jù)推送至B/S架構(gòu)數(shù)字農(nóng)業(yè)云平臺(tái)，支持Web端與移動(dòng)端APP實(shí)時(shí)可視化、歷史曲線回放、多站點(diǎn)區(qū)域聚合統(tǒng)計(jì)、閾值超限短信/APP彈窗預(yù)警及第三方省市級(jí)農(nóng)情監(jiān)測(cè)平臺(tái)API對(duì)接。

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、自動(dòng)獲取海拔和坐標(biāo)信息：增加海拔高度設(shè)計(jì)，可隨時(shí)獲取數(shù)據(jù)采集點(diǎn)具體的地理位置，防盜防位移。

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(píng)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、供電、結(jié)構(gòu)與野外適應(yīng)性

整機(jī)立桿與法蘭底座采用熱鍍鋅鋼或鋁合金材質(zhì)，傳感器支架可調(diào)節(jié)高度以匹配不同作物生育期冠層位置。供電方案支持交流220V市電或單/多晶硅太陽(yáng)能板+免維護(hù)鉛酸/鋰電池儲(chǔ)能，低功耗設(shè)計(jì)保障連續(xù)陰雨條件下持續(xù)運(yùn)行。電氣系統(tǒng)做整體防雷擊浪涌保護(hù)與IP65及以上防護(hù)等級(jí)處理，適應(yīng)高溫、高濕、沙塵及強(qiáng)風(fēng)等野外惡劣環(huán)境。

五、數(shù)據(jù)處理與農(nóng)學(xué)應(yīng)用邏輯

災(zāi)害預(yù)警：按作物種類設(shè)定低溫霜凍、高溫干熱風(fēng)、暴雨洪澇、干旱墑情下限等環(huán)境閾值，系統(tǒng)實(shí)時(shí)比對(duì)并在觸發(fā)多級(jí)報(bào)警。

灌溉決策支持：結(jié)合Penman–Monteith方程或經(jīng)驗(yàn)作物系數(shù)法，基于凈輻射、氣溫、濕度、風(fēng)速及多層土壤含水量計(jì)算參考蒸散量（ET?）與作物需水量，可聯(lián)動(dòng)水肥一體化設(shè)備實(shí)現(xiàn)按需灌溉。

植保模型耦合：將田間小氣候溫濕因子輸入已蟲(chóng)害發(fā)生預(yù)測(cè)模型（如稻瘟病、小麥銹病適宜侵染溫濕區(qū)間判據(jù)），輔助確定施藥最佳窗口期。

農(nóng)氣指標(biāo)統(tǒng)計(jì)：平臺(tái)自動(dòng)累計(jì)活動(dòng)積溫、有效積溫、日照時(shí)數(shù)、降雨總量等農(nóng)氣學(xué)指標(biāo)，服務(wù)于品種區(qū)域適應(yīng)性評(píng)估與播期安排。

六、適用場(chǎng)景與學(xué)科意義

廣泛部署于高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田、大田糧食作物（水稻、小麥、玉米）產(chǎn)區(qū)、設(shè)施農(nóng)業(yè)園區(qū)、果園茶園、草地畜牧業(yè)基地、自然保護(hù)區(qū)及農(nóng)林病蟲(chóng)害測(cè)報(bào)站。該系統(tǒng)將農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)從區(qū)域宏觀尺度下沉至田塊微氣候尺度，克服傳統(tǒng)人工記錄頻次低、夜間缺失、主觀誤差大的局限，是推進(jìn)農(nóng)業(yè)氣象學(xué)向數(shù)字化、網(wǎng)格化、模型化方向發(fā)展的核心基礎(chǔ)設(shè)施。

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