在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，雨量數(shù)據(jù)的精準監(jiān)測是科學決策的重要依據(jù)。從播種期的水分需求評估，到生長期的水肥協(xié)同調(diào)控，再到汛期的災(zāi)害預(yù)警防范，都離不開準確的雨量數(shù)據(jù)。

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(tǒng)，實時記錄降雨量、降雨強度及降雨歷時等關(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)測站的構(gòu)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(zhuǎn)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(gòu)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(nèi)的雨水收集起來，引導(dǎo)至翻斗中進行計量。

翻斗則是一個對稱的雙斗結(jié)構(gòu)，中間由一個軸支撐，可以繞軸自由翻轉(zhuǎn)。當一側(cè)的斗內(nèi)收集到一定量的雨水時，由于重力作用，這一側(cè)的斗會向下傾斜，而另一側(cè)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(zhuǎn)，將雨水倒出，然后另一側(cè)的斗開始收集雨水，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量過了。通常情況下，翻斗的設(shè)計使得每次翻轉(zhuǎn)所對應(yīng)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(zhuǎn)次數(shù)，就可以計算出總的降雨量。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)或遠程監(jiān)控中心，翻斗雨量傳感器還配備了信號轉(zhuǎn)換裝置。當翻斗翻轉(zhuǎn)時，會觸發(fā)一個信號開關(guān)，產(chǎn)生一個電信號，這個電信號可以是脈沖信號等形式。信號轉(zhuǎn)換裝置會將翻斗的機械動作轉(zhuǎn)換為電信號，并通過導(dǎo)線或無線通信模塊將信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集設(shè)備或監(jiān)控中心，實現(xiàn)降雨量的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)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(zhì)量和速度，會對感雨面產(chǎn)生一個沖擊力，這個沖擊力會使感雨面產(chǎn)生機械應(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。

在機械應(yīng)力的作用下，壓電材料內(nèi)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(nèi)部的電荷分離，在壓電材料的兩端就會產(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導(dǎo)致不同大小的電壓信號。

這些電信號作為原始數(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)會對輸入的電信號數(shù)據(jù)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(fù)雜的電信號轉(zhuǎn)化為更具代表性的特征向量，以便后續(xù)分析處理。

而基于大量已標注的雨滴信號數(shù)據(jù)和干擾信號數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jù)模式識別的結(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時，輸出與該雨滴信號對應(yīng)的降雨量、降雨強度等數(shù)據(jù)信息；確定為干擾信號時，則忽略該信號，不進行相關(guān)雨量數(shù)據(jù)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(yīng)。

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(chǎn)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(jù)多普勒效應(yīng)，散射回來的電磁波頻率會發(fā)生變化，產(chǎn)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(yīng)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(nèi)，對大量雨滴的速度進行測量和統(tǒng)計，結(jié)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(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(xié)議 ModBus

數(shù)據(jù)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(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)通過有線或無線的方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心或用戶終端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時共享和遠程監(jiān)控。

供電系統(tǒng)

為監(jiān)測站的各個部件提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，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(nèi)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(chǔ)設(shè)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(shù)據(jù)提供更全面的信息。

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

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

推薦閱讀：校園自動氣象站：助力教學與科研，賦能環(huán)境與未來

本文地址：http://www.gzhexi.cn/3076.html