托普云農農田小氣候自動氣象站（典型型號TP-WMS-1L/1Z系列）是由浙江托普云農科技股份有限公司研制的"端—邊—云"一體化田間微氣候物聯網觀測系統。該系統基于多傳感器陣列融合、低功耗邊緣計算與無線傳感網絡（WSN）架構，對作物冠層至根系剖面的全要素環境因子進行原位、高頻、連續采集，彌補國家基本氣象站空間代表性不足與田間微環境（Microclimate）脫節的問題，為Penman–Monteith蒸散模型（ET?）、病蟲害預測模型、作物生長模型（WOFOST/DSSAT）及氣候—產量關聯分析提供標準化地面真值數據集。

一、系統架構與立體感知層

系統采用分層分布式物聯網架構，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）構成：

大氣環境傳感陣列：防輻射百葉箱內高精度Pt100或NTC熱敏元件測空氣溫濕度；超聲波風速風向傳感器（無機械軸承、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，400–700 nm波段）；壓電/電容式氣壓傳感器測定大氣壓；可選擴展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4層）土壤體積含水量（VWC）、土壤溫度，可選擴展土壤電導率（EC）及土壤氧氣含量，表征根系活躍區水熱—鹽分動態。

作物苗情視覺感知單元（選配）：集成CMOS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，支持5年以上數據留存）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IP65及以上防護等級，具備防雷擊、抗強風（≥11級）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：空氣溫度由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，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

主機及傳輸部分：

1、農田氣象監測站主機可通過管理云平臺遠程設置數據采集時間、存儲和發送時間間隔。

2、農田氣象監測站具有數據采集及上傳功能，可采集環境溫度、濕度、光照強度、雨量、風速、風向、土壤溫度、土壤水分、大氣壓、圖像等參數，并通過無線通訊方式上傳至云平臺；

3、系統支持4G CAT1網絡與服務器通訊，網絡支持聯通移動的2/4G，電信4G；

4、數據可以上傳到自己的電腦也可以上傳到總服務器，可切換，無影響。

5、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。

6、帶攝像頭，CMOS1/2.7英寸圖像傳感器，200W（1280*1080）像素，支持定時拍照功能，可將現場圖片上傳到管理云平臺方便觀察植物實際生長情況，亦可在平臺上設置拍照間隔和時間；

7、農田氣象站支持遠程故障在線診斷，當設備發生故障，可通過遠程在線故障診斷功能進行故障排查；

8、農田氣象站具有遠程固件在線升級功能，可通過平臺或者app，直接遠程對硬件設備進行固件升級；

9、系統支持TF卡配置，可以確保5年傳感器數據存儲。

管理云平臺功能：

1、帶數字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，數據不丟失，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、平臺支持設備數據云端存儲，提供足夠容量可長期保存；

3、平臺為設備數據提供曲線與表格等報表形式，平臺內數據、圖表均可下載，進行數據對比分析及打印且數據報表可導出；

4、數字農業云管理平臺支持傳感器實時數據及預警狀態可視化，可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，

5、用戶可為作物配置傳感器報警條件，預置若干常用的農作物的報警配置。

6、數據評價：可以設置高低超限值，可自動進行數據預警分析。

7、苗情監測：可在管理平臺上查看作物生長苗情圖片，支持動態播放苗情生長過程；

8、可進行區域氣象數據分析應用-氣象指標統計，可統計活動積溫、可照時數、有效積溫、到達有效溫度天數等。

9、管理平臺可對氣象監測站設備基礎設置管理與遠程控制；

10、管理平臺軟件支持在線升級。

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（逐時Ta/RH/u/Ws/Rs），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、小麥赤霉病、晚疫病等病害預測模型，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；可用于高標準農田、國家農業氣象試驗站、智慧果園及種質資源基地。

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區域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。

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