在現代農業(yè)生產(chǎn)中，雨量數據的精準監測是科學(xué)決策的重要依據。從播種期的水分需求評估，到生長(cháng)期的水肥協(xié)同調控，再到汛期的災害預警防范，都離不開(kāi)準確的雨量數據。

雨量監測站作為氣象觀(guān)測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，實(shí)時(shí)記錄降雨量、降雨強度及降雨歷時(shí)等關(guān)鍵參數，為農田管理提供可靠的數據支撐。

雨量監測站的構成

雨量傳感器

這是雨量監測站的“心臟”，監測降雨，并將其轉化為電信號。

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構組成。降雨時(shí)，雨水通過(guò)集雨漏斗收集，然后順著(zhù)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的雨水收集起來(lái)，引導至翻斗中進(jìn)行計量。

翻斗則是一個(gè)對稱(chēng)的雙斗結構，中間由一個(gè)軸支撐，可以繞軸自由翻轉。當一側的斗內收集到一定量的雨水時(shí)，由于重力作用，這一側的斗會(huì )向下傾斜，而另一側的斗則向上抬起。當收集的雨水達到特定的重量，使得翻斗的重心發(fā)生偏移，翻斗就會(huì )快速翻轉，將雨水倒出，然后另一側的斗開(kāi)始收集雨水，如此循環(huán)往復。

翻斗每翻轉一次，就表示一定量的雨水被測量過(guò)了。通常情況下，翻斗的設計使得每次翻轉所對應的雨量是固定的，比如 0.1 毫米或 0.2 毫米等。通過(guò)記錄翻斗的翻轉次數，就可以計算出總的降雨量。例如，如果翻斗翻轉了 10 次，每次翻轉對應的雨量是 0.1 毫米，那么總的降雨量就是 10×0.1 = 1 毫米。

為了能夠將降雨量數據傳輸到數據采集系統或遠程監控中心，翻斗雨量傳感器還配備了信號轉換裝置。當翻斗翻轉時(shí)，會(huì )觸發(fā)一個(gè)信號開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生一個(gè)電信號，這個(gè)電信號可以是脈沖信號等形式。信號轉換裝置會(huì )將翻斗的機械動(dòng)作轉換為電信號，并通過(guò)導線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信模塊將信號傳輸到數據采集設備或監控中心，實(shí)現降雨量的實(shí)時(shí)監測和數據記錄。

雨量計筒直徑Φ200mm

雨強范圍0mm～4mm/min允許通過(guò)最大雨強8mm/min

大雨強范圍0～10mm/min允許通過(guò)最大雨強15mm/min

輸出方式Modbus 485

2.壓電雨量傳感器

當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)生機械應力。感雨面通常由具有壓電效應的材料制成，如 PVDF 壓電薄膜。

在機械應力的作用下，壓電材料內部的正負電荷會(huì )發(fā)生分離，在材料的表面形成正負電荷分布。由于壓電材料內部的電荷分離，在壓電材料的兩端就會(huì )產(chǎn)生電壓信號。電壓信號的大小與雨滴產(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 )導致不同大小的電壓信號。

這些電信號作為原始數據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 )中的卷積層等結構會(huì )對輸入的電信號數據進(jìn)行特征提取。例如，會(huì )提取信號的波形特征、頻率特征、強度特征等，將原始的、較為復雜的電信號轉化為更具代表性的特征向量，以便后續分析處理。

而基于大量已標注的雨滴信號數據和干擾信號數據對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行訓練，使其學(xué)習到雨滴信號的典型模式和特征。在實(shí)際工作中，就能將提取到的特征向量與已學(xué)習到的模式進(jìn)行比對，判斷當前信號是雨滴信號還是砂礫、灰塵、振動(dòng)等干擾信號。根據模式識別的結果，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )輸出相應的決策信息，比如確定為雨滴信號時(shí)，輸出與該雨滴信號對應的降雨量、降雨強度等數據信息；確定為干擾信號時(shí)，則忽略該信號，不進(jìn)行相關(guān)雨量數據的記錄和處理。

測量范圍 0-4mm/min

測量精度 ≤±4%

分辨率 0.01mm

采樣頻率 ＜1S

通訊接口 RS485

通訊協(xié)議 MODBUS

3.雷達雨量傳感器

它的測量原理是多普勒效應。

雷達雨量傳感器會(huì )向空中發(fā)射一定頻率的電磁波信號，當電磁波遇到雨滴時(shí)，雨滴會(huì )對電磁波產(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。由于雨滴相對于雷達傳感器存在相對運動(dòng)，根據多普勒效應，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。當雨滴靠近雷達時(shí)，接收信號的頻率會(huì )升高；當雨滴遠離雷達時(shí)，接收信號的頻率會(huì )降低。

通過(guò)測量接收信號與發(fā)射信號之間的頻率差，即多普勒頻移，利用多普勒效應的公式，可以計算出雨滴的徑向速度，即雨滴在雷達視線(xiàn)方向上的速度分量。在一定的空間范圍內，對大量雨滴的速度進(jìn)行測量和統計，結合雨滴速度與降雨強度的經(jīng)驗關(guān)系或理論模型，就可以估算出該區域的降雨量。一般來(lái)說(shuō)，雨滴速度越大，降雨強度越大，降雨量也就越多。

正因這個(gè)原理，不僅可以測雨，還能測雪、冰雹。

測量范圍 0-200mm/hour（降雨）

測量精度 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

數據采集器

負責接收、處理和存儲雨量傳感器傳來(lái)的信號，并將其轉化為可讀的降雨數據。

數據傳輸模塊

數據傳輸模塊將采集到的雨量數據通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式傳輸到數據中心或用戶(hù)終端，實(shí)現數據的實(shí)時(shí)共享和遠程監控。

供電系統

為監測站的各個(gè)部件提供穩定的電力供應，確保能長(cháng)時(shí)間的運行。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。

防護外殼

防護外殼保護內部部件免受風(fēng)吹、雨淋、日曬等惡劣環(huán)境的影響，延長(cháng)其使用壽命。

安裝支架

為監測站提供穩固的支撐，各個(gè)部件都安裝在支架上。

除了上述基礎設備，一些雨量監測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，用于監測環(huán)境溫度和濕度，為分析降雨數據提供更全面的信息。

GPS定位模塊， 用于精確定位監測站的位置，方便數據管理和分析。

總之，雨量監測站將科技與農業(yè)深度融合，為農田管理、災害預警和資源優(yōu)化提供了科學(xué)依據。

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