便携式自动气象站功能规格需求书.docx
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便携式自动气象站功能规格需求书
便携式自动气象站功能规格需求书
（修订版）
中国气象局气象探测中心
2012年8月
1前言
1.1目的
中国气象局《综合气象观测系统发展指导意见》和《综合气象观测系统发展规划（2010-2015年）》指出：
气象部门需要提升移动观测能力，满足重要观测设施应急备份和加密观测需要，满足防灾减灾、重大社会活动、突发公共事件、科学试验等气象保障服务的需求。
本功能规格需求书由中国气象局综合观测司委托中国气象局气象探测中心在2011年9月发布的《便携式自动气象站功能规格需求书（试行）》（气测函〔2011〕198号）基础上，结合业务需求和前期便携式站试验考核结果，进行修改完善，目的在于进一步规范便携站研发和生产行为，为仪器设计定型和开展试验提供依据。
本功能规格需求书的解释权属于中国气象局。
1.2适用范围
本功能规格需求书所规定的便携站是指采用积木式结构，可以观测常规气象要素（温度、湿度、风向、风速、气压、雨量），具有体积小、重量轻、便于运输和人工携带、架设方便快捷等特点的自动气象站。
同时，还具有低功耗、支持多种供电和通信方式、观测要素可扩展等特点。
本功能规格需求书规定了便携站组成结构、功能、测量性能、采样和算法、供电电源、工作环境、安全、可靠性和可维护性等要求，为设备制造单位提供设计和生产的依据。
1.3编写依据
本功能规格需求书参考国内外便携站发展情况，在国内气象部门对便携式自动气象站试用的基础上，以下列文件资料为依据进行编写的：
1.《地面气象观测规范》，中国气象局，2003年；
2.《QX/T1-2000Ⅱ型自动气象站》，中国气象局，2000年；
3.《新型自动气象（气候）站功能规格书（业务试用版）》，中国气象局，2010年；
4.《Guidetometeorologicalinstrumentsandmethodsofobservation（Seventhedition）》，WMO，2008年。
2组成结构
2.1概述
便携站由硬件和软件两部分组成。
硬件可分成气象要素传感器、数据采集单元、通信传输模块、供电单元及支架等，软件为采集器嵌入式软件、本地终端操作软件及中心站组网软件。
便携站的逻辑结构如下图1。
RS232
通信传输模块
气压传感器
风向传感器
雨量传感器
风速传感器
温度传感器
外围部件
供电单元
数据采集单元
湿度传感器
中心站组网软件
图1便携式自动气象站逻辑结构框图
便携站的设计应考虑：
⑴体积小，重量轻，便于运输和人工携带；
⑵架设方便，稳固安装，能快速投入观测；
⑶使用符合《地面气象观测规范》要求的传感器，观测结果准确可靠；
⑷适应恶劣工作环境，具备防潮、防水、抗高低温等能力，密封性好；
⑸低功耗，采用多种供电方式冗余设计；
⑹支持多种通信方式，支持本地或远程传输数据并组网观测；
⑺设备运行稳定可靠。
2.2传感器
便携站使用的传感器，可以根据观测需求，分为标准配置传感器和扩展配置传感器两类：
表1 可配置的传感器种类及观测要素
配置
观测要素
标准
空气温度、空气湿度、风速、风向、雨量、大气压力
扩展
例如：
总辐射、地表温度等
便携站基本配置为六要素（气温、湿度、风向、风速、气压、雨量）自动气象站，可满足应急备份和加密观测的需求。
在选择传感器时，应考虑使用气象部门业务观测已认可的（通过中国气象局设计定型、列装）气象传感器型号，同时考虑传感器重量轻，便于安装、携带。
2.3数据采集单元
数据采集单元是便携站的关键部件。
它由中央处理器、时钟电路、数据存储器、接口、控制电路等部分构成，主要功能是完成各传感器的采样、对采样数据进行数据质量控制、数据计算处理、数据记录存储，实现数据通信和传输，并能够监测自身的电源电压、主板温度等。
数据采集单元具备模拟量、频率和数字量等多种信号采集通道，可以直接挂接基本配置的传感器，并具备扩展接入不少于2种传感器的能力；具备不少于2个RS232接口，支持调试和数据通信传输（本地\远程）功能。
数据采集单元应设计为功能齐全、规模小巧、功耗低、结构紧凑，防水防尘防震。
2.4通信传输模块
数据采集单元具备RS232接口，可以通过电缆线直接与终端连接，也可以通过RS232接口扩展本地通信距离。
便携站支持短距离和远程二种无线通信方式，短距离无线通信采用WIFI\蓝牙\点对点\Zigbee等传输模块，可以在较短距离内将数据传输到接收终端（如电脑、显示屏或PDA等）；远程无线通信传输模块有GPRS\CDMA1x\短信\北斗（气象）卫星数据收集平台等模块，可以远距离将数据传输到中心站，进行组网观测。
表2 可配置的通信传输模块种类
名称
传输方式
选配信息
本地通信传输
电缆直连
RS232\485
标配
短距离
WIFI\蓝牙\点对点\Zigbee
可选
远程通信传输
无线公网
GPRS\CDMA1x\短信
标配
卫星通信
北斗\气象卫星
可选
2.5供电单元
供电单元负责为便携站提供工作电源，通常使用标称电压12V的蓄电池（铅蓄电池或锂电池）。
根据观测需要，可增配更大容量的蓄电池，也可使用交流电、太阳能、车载电源等外接电源，对蓄电池进行充电，用户可根据需求和现场情况选配。
表3 可配置的供电单元及充电方式
供电方式
标准配置
选配信息
电源系统
主蓄电池
20AH，12VDC
必备
备用蓄电池
可根据需求增配大容量蓄电池
选配，推荐20AH，12VDC
充电方式
太阳能
可根据需求选配太阳能电池板
选配，推荐20W，12VDC
交流电
220VAC
选配
车载电源
12VDC
选配
2.6外围部件
便携站的外围部件包括三角支架、横臂、自然通风防辐射罩、风杆、地锚、手提箱（或背包）、拉绳等。
要求风传感器感应面距离地面的高度可根据观测需求在2.5~3.0米之间调整；针对抗风强度要求高的观测需求，可以使用拉绳固定便携站的支架。
便携站应配置必要的野外安装工具。
表4 可配置的外围部件种类
名称
选配信息
主要
三角支架
必选
横臂
必选
自然通风防辐射罩
必选
采集机箱
必选
风杆
必选
地锚
必选
电源机箱
可选
太阳电池板
可选
辅助蓄电池
可选
车载电源适配器
可选
拉绳
可选
辅助
基本安装工具
可选
2.7软件
2.7.1采集器嵌入式软件
采集器嵌入式软件由便携站生产厂家编写，运行于便携站的数据采集单元中，具有数据采集、数据处理（数据质量控制）、数据存储和数据传输等功能。
2.7.2本地终端操作软件
本地终端操作软件由便携站生产厂家（或用户）编写，运行在本地数据接收终端（电脑、显示屏或PDA等），该终端通过电缆线或短距离无线通信传输模块与便携站实现本地连接，收集气象观测要素和设备状态数据。
本地终端操作软件具有数据实时接收显示、采集器设置、数据下载、数据存储、数据查询等功能。
同时，便携站观测数据应可以接入中国气象局地面气象测报业务系统软件OSSMO2010。
2.7.3中心站组网软件
中心站组网软件由便携站生产厂家（或用户）编写，运行在省（地市）级中心站数据接收终端，该终端通过网络与便携站实现远程连接，收集气象观测要素和设备状态数据，实现便携站与其它自动气象站进行观测数据组网。
本地终端操作软件具有数据实时接收显示、采集器设置、数据下载、数据存储、数据查询等功能。
同时，便携站观测数据应可以接入中国气象局“统一版区域自动气象站数据接收处理平台”。
3功能要求
3.1初始化和参数设置
便携站开机后即进行自检，自检通过后，以默认设置参数进入工作状态。
可通过终端对便携站进行参数设置，包括观测站基本参数（经纬度、海拔高度、区站号等）、传感器参数（搭载的传感器类型等）、通信参数（采用的通信方式、波特率等）、数据发送模式参数等。
便携站应尽可能通过减少参数设置种类和数量、优化设置软件的人机界面、采用组合式参数设置等方式减少设置所需的时间，加快便携站投入观测的速度。
3.2数据采样和算法
数据采集单元运行采集软件对传感器按预定的采样频率进行扫描，将获得的电信号转换成微控制器可读信号，得到气象变量测量值序列；对气象变量测量值进行转换，使传感器输出的电信号转换成气象单位量，得到采样瞬时值；根据规定的算法，计算出瞬时气象值（又称气象变量瞬时值）。
便携站的数据采集器采样和计算方法，应遵循《新型自动气象（气候）站功能规格书（业务试用版）》的有关规定。
3.3数据处理
为了导出气象观测需要的其他气象变量瞬时值，数据采集单元一方面完成数据采样工作，另一方面对采样值进行数据质量控制，并计算出气象观测需要的统计量（如一个或多个时段内的极值数据、专门时段内的总量、不同时段内的平均值以及累计量等），由数据采集单元生成瞬时气象值（分钟）数据文件和定时（小时）数据文件。
3.4数据存储
便携站具有观测数据存储功能，存储的小时观测数据、分钟观测数据都不少于30天。
数据存储器为“先入先出”数据存储模式，具备掉电数据保存功能。
3.5数据传输
便携站具备RS232接口，具有数据传输（采集程序写入、观测数据输出）功能，具备观测数据下载功能。
便携站支持主动发送和响应终端命令2种观测数据传输方式，发送观测数据的时间间隔可通过命令进行设置。
采用本地有线通信和短距离无线通信方式时，建议数据传输密度默认为1分钟。
采用远程无线通信方式，如果是GPRS/CDMA1X方式，建议数据传输密度默认为10分钟，可以加密到1分钟；如果是卫星数据收集平台方式，建议数据传输密度默认为1小时，可以加密到30分钟或10分钟。
3.5.1通信协议
采用标准RS232串口通信，默认通信协议为：
波特率：
9600bps，8个数据位，1个停止位，无校验。
通信协议可以通过本地终端进行设置。
3.5.2本地通信传输
便携站与数据接收终端间的信号传输，使用电缆线直接连接时，传输距离应不小于200m（可配备长线驱动模块）；使用短距离无线传输模块进行本地通信传输时，传输距离应不小于10米。
3.5.3远程通信传输
通过在数据采集单元的RS232口上接入无线传输模块，可以实现数据远程传输功能。
数据采集单元负责将单元内存储的观测数据按照设置的网络通信方式进行传输。
根据不同的环境需求，采用多种通信组网方式灵活组合。
在具有无线移动运营商网络覆盖的条件下，采用GPRS、CDMA1X或短信方式接入；在不具备无线运营商网络的条件下，采用北斗（气象）卫星通信方式接入。
系统具有模块化的设计方法，在不同网络需求下，可以选配通信方式。
3.6采集器中的数据质量控制
3.6.1总体要求
a）对采样瞬时值的质量控制
——对采样瞬时值变化极限范围的检查；
——对采样瞬时值变化速率的检查。
b）对瞬时气象值的质量控制
——对瞬时气象值变化极限范围的检查；
——对瞬时气象值变化速率的检查：
✧检查瞬时气象值的最大允许变化速率；
✧检查瞬时气象值的最小应该变化速率；
✧标准偏差的计算。
——内部一致性检查。
3.6.2数据质量控制标识
数据质量控制过程中，需要对采样瞬时值和瞬时气象值是否经过数据质量控制以及质量控制得结果进行标识，这种标识用于定性描述数据置信度。
标识的规定见表5。
表5 数据质量控制标识
标识代码值
描述
9
“没有检查”：
该变量没有经过任何质量控制检查。
0
“正确”：
数据没有超过给定界限。
1
“存疑”：
不可信的。
2
“错误”：
错误数据，已超过给定界限。
3
“不一致”：
一个
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