在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，雨量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)是科學(xué)決策的重要依據(jù)。從播種期的水分需求評(píng)估，到生長(zhǎng)期的水肥協(xié)同調(diào)控，再到汛期的災(zāi)害預(yù)警防范，都離不開(kāi)準(zhǔn)確的雨量數(shù)據(jù)。

雨量監(jiān)測(cè)站作為氣象觀測(cè)體系的核心組成部分，通過(guò)高精度傳感器和自動(dòng)化采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄降雨量、降雨強(qiáng)度及降雨歷時(shí)等關(guān)鍵參數(shù)，為農(nóng)田管理提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

雨量監(jiān)測(cè)站的構(gòu)成

雨量傳感器

這是雨量監(jiān)測(cè)站的“心臟”，監(jiān)測(cè)降雨，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

常見(jiàn)的雨量傳感器有：

1翻斗雨量傳感器

翻斗雨量傳感器由一個(gè)集雨漏斗和與之相連的翻斗機(jī)構(gòu)組成。降雨時(shí)，雨水通過(guò)集雨漏斗收集，然后順著漏斗的管道流入翻斗。集雨漏斗的口徑是固定的，其作用是將一定面積內(nèi)的雨水收集起來(lái)，引導(dǎo)至翻斗中進(jìn)行計(jì)量。

翻斗則是一個(gè)對(duì)稱(chēng)的雙斗結(jié)構(gòu)，中間由一個(gè)軸支撐，可以繞軸自由翻轉(zhuǎn)。當(dāng)一側(cè)的斗內(nèi)收集到一定量的雨水時(shí)，由于重力作用，這一側(cè)的斗會(huì)向下傾斜，而另一側(cè)的斗則向上抬起。當(dāng)收集的雨水達(dá)到特定的重量，使得翻斗的重心發(fā)生偏移，翻斗就會(huì)快速翻轉(zhuǎn)，將雨水倒出，然后另一側(cè)的斗開(kāi)始收集雨水，如此循環(huán)往復(fù)。

翻斗每翻轉(zhuǎn)一次，就表示一定量的雨水被測(cè)量過(guò)了。通常情況下，翻斗的設(shè)計(jì)使得每次翻轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的雨量是固定的，比如 0.1 毫米或 0.2 毫米等。通過(guò)記錄翻斗的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，就可以計(jì)算出總的降雨量。例如，如果翻斗翻轉(zhuǎn)了 10 次，每次翻轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的雨量是 0.1 毫米，那么總的降雨量就是 10×0.1 = 1 毫米。

為了能夠?qū)⒔涤炅繑?shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，翻斗雨量傳感器還配備了信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置。當(dāng)翻斗翻轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)觸發(fā)一個(gè)信號(hào)開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)可以是脈沖信號(hào)等形式。信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置會(huì)將翻斗的機(jī)械動(dòng)作轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過(guò)導(dǎo)線或無(wú)線通信模塊將信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集設(shè)備或監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)降雨量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)記錄。

雨量計(jì)筒直徑Φ200mm

雨強(qiáng)范圍0mm～4mm/min允許通過(guò)最大雨強(qiáng)8mm/min

大雨強(qiáng)范圍0～10mm/min允許通過(guò)最大雨強(qiáng)15mm/min

輸出方式Modbus 485

2.壓電雨量傳感器

當(dāng)雨滴落在壓電雨量傳感器的感雨面上時(shí)，由于雨滴具有一定的質(zhì)量和速度，會(huì)對(duì)感雨面產(chǎn)生一個(gè)沖擊力，這個(gè)沖擊力會(huì)使感雨面產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。感雨面通常由具有壓電效應(yīng)的材料制成，如 PVDF 壓電薄膜。

在機(jī)械應(yīng)力的作用下，壓電材料內(nèi)部的正負(fù)電荷會(huì)發(fā)生分離，在材料的表面形成正負(fù)電荷分布。由于壓電材料內(nèi)部的電荷分離，在壓電材料的兩端就會(huì)產(chǎn)生電壓信號(hào)。電壓信號(hào)的大小與雨滴產(chǎn)生的沖擊力相關(guān)，而沖擊力又與雨滴的大小、速度等因素有關(guān)，所以不同的降雨量會(huì)導(dǎo)致不同大小的電壓信號(hào)。

這些電信號(hào)作為原始數(shù)據(jù)被采集后輸入到嵌入式 AI 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的卷積層等結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)輸入的電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取。例如，會(huì)提取信號(hào)的波形特征、頻率特征、強(qiáng)度特征等，將原始的、較為復(fù)雜的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為更具代表性的特征向量，以便后續(xù)分析處理。

而基于大量已標(biāo)注的雨滴信號(hào)數(shù)據(jù)和干擾信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，使其學(xué)習(xí)到雨滴信號(hào)的典型模式和特征。在實(shí)際工作中，就能將提取到的特征向量與已學(xué)習(xí)到的模式進(jìn)行比對(duì)，判斷當(dāng)前信號(hào)是雨滴信號(hào)還是砂礫、灰塵、振動(dòng)等干擾信號(hào)。根據(jù)模式識(shí)別的結(jié)果，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出相應(yīng)的決策信息，比如確定為雨滴信號(hào)時(shí)，輸出與該雨滴信號(hào)對(duì)應(yīng)的降雨量、降雨強(qiáng)度等數(shù)據(jù)信息；確定為干擾信號(hào)時(shí)，則忽略該信號(hào)，不進(jìn)行相關(guān)雨量數(shù)據(jù)的記錄和處理。

測(cè)量范圍 0-4mm/min

測(cè)量精度 ≤±4%

分辨率 0.01mm

采樣頻率 ＜1S

通訊接口 RS485

通訊協(xié)議 MODBUS

3.雷達(dá)雨量傳感器

它的測(cè)量原理是多普勒效應(yīng)。

雷達(dá)雨量傳感器會(huì)向空中發(fā)射一定頻率的電磁波信號(hào)，當(dāng)電磁波遇到雨滴時(shí)，雨滴會(huì)對(duì)電磁波產(chǎn)生散射作用，部分電磁波會(huì)被散射回來(lái)，被傳感器接收。由于雨滴相對(duì)于雷達(dá)傳感器存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)多普勒效應(yīng)，散射回來(lái)的電磁波頻率會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生多普勒頻移。當(dāng)雨滴靠近雷達(dá)時(shí)，接收信號(hào)的頻率會(huì)升高；當(dāng)雨滴遠(yuǎn)離雷達(dá)時(shí)，接收信號(hào)的頻率會(huì)降低。

通過(guò)測(cè)量接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的頻率差，即多普勒頻移，利用多普勒效應(yīng)的公式，可以計(jì)算出雨滴的徑向速度，即雨滴在雷達(dá)視線方向上的速度分量。在一定的空間范圍內(nèi)，對(duì)大量雨滴的速度進(jìn)行測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，結(jié)合雨滴速度與降雨強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系或理論模型，就可以估算出該區(qū)域的降雨量。一般來(lái)說(shuō)，雨滴速度越大，降雨強(qiáng)度越大，降雨量也就越多。

正因這個(gè)原理，不僅可以測(cè)雨，還能測(cè)雪、冰雹。

測(cè)量范圍 0-200mm/hour（降雨）

測(cè)量精度 5% ( @風(fēng)速<5m/s )

粒徑范圍 （雨滴尺寸） 0.5-5.0mm

降雨的分辨率 0.1mm

采樣頻率 1秒

通訊接口 RS485、RS232

通訊協(xié)議 ModBus

數(shù)據(jù)采集器

負(fù)責(zé)接收、處理和存儲(chǔ)雨量傳感器傳來(lái)的信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為可讀的降雨數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊將采集到的雨量數(shù)據(jù)通過(guò)有線或無(wú)線的方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心或用戶(hù)終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

供電系統(tǒng)

為監(jiān)測(cè)站的各個(gè)部件提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，確保能長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行。常見(jiàn)的供電方式包括太陽(yáng)能供電、市電供電和電池供電。

防護(hù)外殼

防護(hù)外殼保護(hù)內(nèi)部部件免受風(fēng)吹、雨淋、日曬等惡劣環(huán)境的影響，延長(zhǎng)其使用壽命。

安裝支架

為監(jiān)測(cè)站提供穩(wěn)固的支撐，各個(gè)部件都安裝在支架上。

除了上述基礎(chǔ)設(shè)備，一些雨量監(jiān)測(cè)站還可能配備以下功能：

其他傳感器，比如空氣溫濕度傳感器，用于監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度和濕度，為分析降雨數(shù)據(jù)提供更全面的信息。

GPS定位模塊， 用于精確定位監(jiān)測(cè)站的位置，方便數(shù)據(jù)管理和分析。

總之，雨量監(jiān)測(cè)站將科技與農(nóng)業(yè)深度融合，為農(nóng)田管理、災(zāi)害預(yù)警和資源優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。

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