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

雨量監(jiān)測站作為氣象觀測體系的核心組成部分，通過高精度傳感器和自動化采集系統，實時記錄降雨量、降雨強度及降雨歷時等關鍵參數，為農田管理提供可靠的數據支撐。

雨量監(jiān)測站的構成

雨量傳感器

這是雨量監(jiān)測站的“心臟”，監(jiān)測降雨，并將其轉化為電信號。

常見的雨量傳感器有：

1翻斗雨量傳感器

翻斗雨量傳感器由一個集雨漏斗和與之相連的翻斗機構組成。降雨時，雨水通過集雨漏斗收集，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的雨水收集起來，引導至翻斗中進行計量。

翻斗則是一個對稱的雙斗結構，中間由一個軸支撐，可以繞軸自由翻轉。當一側的斗內收集到一定量的雨水時，由于重力作用，這一側的斗會向下傾斜，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，翻斗就會快速翻轉，將雨水倒出，然后另一側的斗開始收集雨水，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(jiān)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，會觸發(fā)一個信號開關，產生一個電信號，這個電信號可以是脈沖信號等形式。信號轉換裝置會將翻斗的機械動作轉換為電信號，并通過導線或無線通信模塊將信號傳輸到數據采集設備或監(jiān)控中心，實現降雨量的實時監(jiān)測和數據記錄。

雨量計筒直徑Φ200mm

雨強范圍0mm～4mm/min允許通過最大雨強8mm/min

大雨強范圍0～10mm/min允許通過最大雨強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，由于雨滴具有一定的質量和速度，會對感雨面產生一個沖擊力，這個沖擊力會使感雨面產生機械應力。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產生電壓信號。電壓信號的大小與雨滴產生的沖擊力相關，而沖擊力又與雨滴的大小、速度等因素有關，所以不同的降雨量會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 神經網絡中。神經網絡中的卷積層等結構會對輸入的電信號數據進行特征提取。例如，會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(xù)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網絡進行訓練，使其學習到雨滴信號的典型模式和特征。在實際工作中，就能將提取到的特征向量與已學習到的模式進行比對，判斷當前信號是雨滴信號還是砂礫、灰塵、振動等干擾信號。根據模式識別的結果，神經網絡輸出相應的決策信息，比如確定為雨滴信號時，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，則忽略該信號，不進行相關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，雨滴會對電磁波產生散射作用，部分電磁波會被散射回來，被傳感器接收。由于雨滴相對于雷達傳感器存在相對運動，根據多普勒效應，散射回來的電磁波頻率會發(fā)生變化，產生多普勒頻移。當雨滴靠近雷達時，接收信號的頻率會升高；當雨滴遠離雷達時，接收信號的頻率會降低。

通過測量接收信號與發(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行測量和統計，結合雨滴速度與降雨強度的經驗關系或理論模型，就可以估算出該區(qū)域的降雨量。一般來說，雨滴速度越大，降雨強度越大，降雨量也就越多。

正因這個原理，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

通訊協議 ModBus

數據采集器

負責接收、處理和存儲雨量傳感器傳來的信號，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有線或無線的方式傳輸到數據中心或用戶終端，實現數據的實時共享和遠程監(jiān)控。

供電系統

為監(jiān)測站的各個部件提供穩(wěn)定的電力供應，確保能長時間的運行。常見的供電方式包括太陽能供電、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吹、雨淋、日曬等惡劣環(huán)境的影響，延長其使用壽命。

安裝支架

為監(jiān)測站提供穩(wěn)固的支撐，各個部件都安裝在支架上。

除了上述基礎設備，一些雨量監(jiān)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(jiān)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(jiān)測站的位置，方便數據管理和分析。

總之，雨量監(jiān)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)化提供了科學依據。

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