托普云農TP-WMS系列智能農業氣象監測系統是由浙江托普云農科技股份有限公司研制的"端—邊—云"一體化農田小氣候物聯網觀測平臺。系統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境（Microclimate）脫節的問題，為農田蒸散發（ET?）模型、病蟲害預測模型、作物生長模型及氣候—產量關聯分析提供標準化地面真值數據集。

一、系統架構與感知層組成

系統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）及數字農業云平臺（應用層）三部分構成：

大氣環境傳感陣列：配置防輻射百葉箱內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。

土壤剖面多參數監測單元：通過非金屬式FDR（頻域反射）或多參數一體傳感器配合PVC導管，同步采集0–100 cm深度內多層級（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，表征根系活躍區水熱—鹽分動態。

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，實現氣象數據與作物表型時空關聯。

數據采集與控制主機：內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）及通信協議封裝；支持遠程修改采樣頻率、校準系數及固件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，支持連續陰雨天長期運行；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變化解算；大氣壓由壓阻式MEMS傳感器經溫度補償輸出。

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射與接收40 kHz超聲波脈沖，依據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。

降水（翻斗原理）：雨水經承水口注入雙室翻斗，每完成一次翻轉觸發磁簧開關計數，單位計數對應固定容積水量，換算單位時間降雨強度與累計降水量。

土壤水分（FDR原理）：探頭環形電極發射高頻電磁波（典型100 MHz左右），測量周圍介質介電常數ε，經Topp經驗公式或標定曲線轉換為土壤體積含水量；土壤溫度由內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，生態景區/林木及農作物苗情圖片等，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，自動獲取海拔參數和內置北斗、GPS、伽利略等多種定位系統。

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：智能氣象監測儀可遠程設置采集時間間隔、聯網模式、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、數據查看多樣化：智能氣象監測儀可通過手機APP和云平臺隨時查看數據和曲線圖，數據可和云平臺其他設備數據關聯分析，歷史數據不丟失。

6、支持多網絡通訊：系統支持4G\5G\GPRS\NB\CDMA\4G\5G等方式。

7、數據采集頻率可設置：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，促使測量數據更準、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、數據可靠等優點，數字化輸出，集成度高, 確保產品具可靠性與長期穩定性；

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，支持實時現場顯示傳感器數據，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、數據可接入全國農作物重大病蟲害數字化監測預警系統、全國土壤墑情監測系統。

16、可提供歷史至未來5天的參考蒸發蒸騰量、天氣預測、全年氣候分析。

軟件功能：

1、帶數智農業云管理平臺包含B/S架構，可將所有便攜式設備及在線設備數據進行匯總分析，數據集中展示分析，查看操作方式包括網頁端及手機端（安卓及蘋果系統均可用）。

2、平臺支持設備數據在云端自由存儲，提供足夠容量可長期保存，確保數據不丟失；

3、顯示每種參數過程曲線趨勢，最大值、最小值、平均值顯示查看，放大、縮小功能。

4、數據可上傳至管理云平臺。平臺上可以實現多個傳感器數據按自定義時間段進行對比分析和數據列表的互相切換，數據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據上下限值進行設定，超出預設值后會自動報警與提示。

6、平臺支持設備數據云端存儲，提供足夠容量可長期保存。

7、平臺為設備數據提供曲線與表格等報表形式，且數據可導出與導入。

8、數據評價：可以設置高低超限值，可自動進行數據預警分析。

9、數據校準：系統支持對傳感器的數據進行多元參數修訂，可針對線性變化參數進行偏移量修正，確保統一多個環境中同一類型的數據的偏移設置。

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

11、林木苗情分析：系統可對林木苗情監測的圖片按用戶自定義時間段篩選，實現對林木苗情動態展示苗情生長狀況，同時系統自動識別出當前圖片中的冠層覆蓋度，可支持用戶或專家對苗情圖片進行評價和記錄。

12、設備管理：管理平臺軟件對系統有進行遠程管理的功能，可支持用戶自定義設定數據采集間隔和數據上傳間隔，系統對物聯網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

農田小氣候與微環境研究：網格化布設獲取田塊尺度溫濕風光的精細空間異質性，服務于冠層能量平衡、邊界層湍流及微氣象學參數化方案驗證。

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動變量，提高區域產量與水分利用模擬精度。

病蟲害發生預測：結合冠層相對濕度、葉面濕潤持續時間）與積溫數據，驅動稻瘟病、小麥銹病等病害預測模型，支撐植保預警。

農林生態與氣候適應：長期連續監測為作物需熱量（積溫）、需冷量及物候期與氣候變暖關聯分析積累基礎觀測資料。

五、學術價值評述

托普云農TP-WMS系列將農業氣象觀測由傳統人工讀數與孤立站點記錄升級為全自動、多要素、立體剖面的物聯網連續監測體系，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化整合，使田間微氣候數據具備時空連續性、站點間可比性及與農藝模型的耦合能力，是農業生態學、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。