新型自动气象气候站功能需求书修订版.docx
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新型自动气象气候站功能需求书修订版
新型自动气象（气候）站功能需求书
（修订版）
2012年8月
1前言
1.1目标
提高防灾减灾能力，做好应对气候变化工作，是党和政府对气象部门的根本要求，也是气象工作者的重要责任。
做好这些工作，核心是提高预报预测准确率，根本是增强防御和减轻气象灾害的服务能力，而综合气象观测系统提供的准确、可靠的观测数据，是提高预报预测准确率和服务能力的重要保证。
为了满足天气、气候需要的基本气象资料，形成天气、气候要素长期、连续和稳定可靠观测能力，必须进一步提升我国地面气象观测的自动化水平。
本功能规格书编写按照统一标准、统一功能、统一结构、统一方法、统一规的设计思路，做到各部件或模块互换的自适应，形成统一型号的新型自动气象（气候）站，达到满足现有气象观测站的气候观测、天气观测和区域观测业务的需要。
任何生产厂家生产的自动气象站必须以此功能规格书为标准，组织研发、生产型号统一的自动气象站，由中国气象局组织统一考核通过，才能进入列装。
1.2编写原则
采用当今成熟的、稳定的、先进的电子测量、数据传输和控制系统技术，设计基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建的自动气象站，满足地面气象观测全要素自动观测。
新型自动气象（气候）站应该做到高精度、高稳定、易维护、低功耗、易扩展和实时远程监控，按照“主采集器+外部总线+分采集器+传感器+外围设备”的结构设计，对主/分采集器、总线结构、传感器、外围设备、软件、现场标校设备的各个部分，从功能、结构、通信协议、数据采集、数据存储、数据质量控制、数据传输、电气接口标准、生产工艺全面进行规定。
本着先粗后细，不断完善的原则，逐步形成具备能够统一型号的生产标准性文件。
各有关附录均为本功能规格书的重要组成部分。
1.3编写依据
现代气象业务对综合气象观测提出了更高的要求，目前现有自动气象站在观测能力上存在着严重不足，同时技术落后，功能规格不统一，致使型号繁多。
当今现代电子测量和控制技术得到快速发展，我国近十年来地面气象观测站网大量使用自动气象站和自动气候站考核取得了许多成功的经验，为实现具备多功能、全要素、统一型号的新型自动气象（气候）站提供基础。
本功能规格书编写的主要依据有。
a）中国气象局关于发展现代气象业务的意见；
b）综合气象观测系统业务发展指导意见；
c）WMOCIMO《气象仪器和观测方法指南（第六版）》；
d）中国气象局《地面气象观测规》（2003年）；
e）自动气象站质量控制程序指南（ETAWS-4,FINALREPORT,Annex3.WMO.CBS）
f）NOAAAutomatedSurfaceObservingSystem（ASOS）User’sGuide1998.3
2组成结构
2.1概述
新型自动气象（气候）站基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建，采用了国际标准并遵循标准、开放的技术路线进行设计，它由硬件和软件两大部分组成。
硬件包括采集器（1个主采集器和若干个分采集器）、外部总线、传感器、外围设备四部分；软件包括嵌入式软件、业务软件二部分。
其总体结构如图1所示。
图1总线式自动气象站结构
其中，温湿度测量既可以使用温湿度智能传感器，也可将温度、湿度传感器直接挂接到主采集器上；称重式降水传感器既可采用串口方式挂接在主采集器上，也可挂接在气候分采集器上。
自动气象站的核心是基于CAN（ControllerAreaNetwork，控制器区域网）总线技术和国际标准CANopen协议进行设计，涉及物理层、数据链路层和应用层的标准定义。
满足此定义和功能规格书的主/分采集器具备统一的物理接口和应用接口，从而达到兼容、互换的目的。
为了实现自动气象站的最小配置，将基本气象要素传感器直接挂接在主采集器上。
可以对自动气象站进行不同的配置，以实现不同观测任务或满足不同类别气象观测站的需要，以最大限度地方便维护和降低维护成本。
在已建自动气象站扩展新的测量要素或增加传感器时，不需要对系统已有的传感器连接、布线作改动，只需要将新的分采集器和/或传感器加入到系统中，并进行简单的软件升级/配置。
外围设备主要包括电源、[终端]微机、通信接口和外存储器。
2.2采集器
2.2.1主采集器
主采集器是自动气象站的核心，由硬件和嵌入式软件组成。
硬件包含高性能的嵌入式处理器、高精度的A/D电路、高精度的实时时钟电路、大容量的程序和数据存储器、传感器接口、通信接口、CAN总线接口、外接存储器接口、以太网接口、监测电路、指示灯等，硬件系统能够支持嵌入式实时操作系统的运行。
其结构框如图2所示。
图2自动气象站主采集器结构
主采集器嵌入式处理器的选取还应满足下列要求：
a）综合考虑速度、功耗、环境要求，能支持嵌入式实时操作系统的运行并具有置的Watchdog功能，采用当前市场主流ARM9系列的32位处理器；
b）选择16位以上的A/D转换电路，以满足传感器的测量要求；
c）实时时钟电路能保证误差15s/月的要求；
d）程序存储器为非易失性的，容量满足嵌入式软件的容量要求，并具有50%的余量；
e）数据存储器为非易失性的，容量满足数据存储的要求，并具有50%的余量；
f）RAM满足嵌入式软件的运行要求，并且有30%的余量。
主采集器直接挂接的传感器包括：
气温、湿度、气压、降水量（翻斗或容栅式、大翻斗式）、风向（10m高度）、风速（10m高度）、总辐射、蒸发和能见度。
其通道配置要求如表1所示。
表1 主采集器接入传感器通道配置要求
传感器类型
通道类型
数量
气温
模拟（铂电阻）
1
湿度
模拟（电压）
1
气压
RS232
1
风向
数字（7位格雷码）
1
风速
数字（频率）
1
降水量
数字（计数）
1
总辐射
模拟（差分电压）
1
能见度
RS485或RS232
1
蒸发量
模拟（电流）
1
称重降水
RS485或RS232
1
渐近开关
数字（电平）
1
应具备表2所示的通信接口。
表2 主采集器通信接口配置要求
通信接口
用途
数量
CAN
主、分采集器通信
1
RS232
终端操作
2
RS232
GPS对时
1
RS485
业务计算机通信
1
RJ45
网络通信
1
主采集器应具备外接存储器，包括：
●1个CF卡；
●2个USB。
主采集器应具备监测电路，包括：
●主板温度测量；
●主板电源测量；
●交流供电检测；
●主采集器机箱门状态检测。
主采集器应具备指示灯，包括：
●系统指示灯（秒闪）；
●CF卡指示灯。
在线编程接口应包括：
RS232或RJ45。
主采集器的主要有两大功能：
一是完成基本气象要素传感器和各个分采集器的采样数据，对采样数据进行控制运算、数据计算处理、数据质量控制、数据记录存储，实现数据通信和传输，与终端微机或远程数据中心进行交互；二是担当管理者角色，对构成自动气象站的其他分采集器进行管理，包括网络管理、运行管理、配置管理、时钟管理等以协同完成自动气象站的功能。
2.2.2分采集器
分采集器由硬件和嵌入式软件组成。
硬件包含高性能的嵌入式处理器、高精度的A/D电路、高精度的实时时钟电路、大容量的程序存储器、参数存储器、传感器接口、通信接口、CAN总线接口、监测电路、指示灯等，硬件系统能够支持嵌入式实时操作系统的运行。
其结构框图如图3所示。
分采集器嵌入式处理器的选取还应满足下列要求：
a）应综合考虑速度、功耗、环境要求，具有置的Watchdog功能；
b）应选择16位以上的A/D转换电路，以满足传感器的测量要求；
c）实时时钟电路应能保证误差15s/月的要求；
d）程序存储器应为非易失性的，容量应满足嵌入式软件的容量要求，并具有50%的余量；
e）参数存储器应为非易失性的，容量应满足数据存储的要求，并具有50%的余量；
f）RAM应满足嵌入式软件的运行要求，并且有30%的余量。
图3自动气象站分采集器结构
按照气象要素性质的不同，分采集器划分为：
a）基本观测气象要素采集器（各传感器直接挂接在主采集器）；
b）气候观测分采集器；
c）辐射观测分采集器；
d）地温观测分采集器；
e）土壤水分观测分采集器；
f）云（云高、云量）、天气现象、积雪、水位等智能化传感器；
g）海洋气象观测分采集器；
h）温湿度智能传感器等。
分采集器负责所接入传感器对应气象要素的测量，在工作状态对挂接的传感器按预定的采样频率进行扫描，收到主采集器发送的同步信号后，将获得的采样数据通过总线发送给主采集器。
各分采集器的通信接口和测量通道配置如表3。
表3 各分采集器的基本配置要求
分采集器
至少可挂接传感器
接口数（个）
测量通道（个）
CAN总线
RS232
模拟量
并行数字量
频率计数量
计数量
气候观测
气温（3支）、通风防辐射罩（3组）、称重式降水量、大翻斗式雨量、风速（1.5米）、地表温度（红外）
1
1
5
（其中2个差分电压）
7
1
辐射观测
总辐射、直接辐射、反射辐射、散射辐射、紫外辐射A、紫外辐射B、大气长波辐射（含腔件温度）、光合有效辐射、地球长波辐射（含腔件温度）、日照
1
1
12
（其中10个差分电压）
地温观测
地表温度（铂电阻）、草面温度、土壤温度（5cm、10cm、15cm、20cm、40cm、80cm、160cm、320cm）
1
1
12
（差分）
土壤水分观测
5cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、100cm、180cm等层次
1
1
12
（差分电压）
海洋气象观测
表层海水温度、海盐、海表波高、海表流速流向、水质、浮标方向
1
1
智能传感器观测
温湿度、地下水位、积雪、电线积冰、闪电频率
1
1
分采集器应具备监测电路，包括：
●主板温度测量；
●主板电源测量。
分采集器应具备指示灯，包括：
●系统运行指示灯；
●CANopen操作指示灯；
●CANopen错误指示灯；
●分采集器应提供在线编程接口：
RS232。
分采集器能够监测自身的工作状态，至少包括以下容：
a）主板温度；
b）工作电压；
c）传感器状态。
在不更改任何硬件设备的前提下，可以通过本地终端对分采集器嵌入式软件进行版本升级。
2.2.3温湿分采
温湿分采由硬件和嵌入式软件组成。
硬件包含高性能的嵌入式处理器、高精度的A/D电路、参数存储器、传感器接口、CAN总线接口、RS232通信接口、监测电路、指示灯。
温湿分采的选取还应满足下列要求：
a）应综合考虑速度、功耗、环境要求，具有置的Watchdog功能；
b）应选择16位以上的A/D转换电路，以满足传感器的测量要求；
c）参数存储器应为非易失性的，容量应满足数据存储的要求。
温湿分采负责气温和湿度（百叶箱）的测量，在工作状态对挂接的传感器按预定的采样频率进行扫描，收到主采集器发送的同步信号后，将获得的采样数据通过总线发送给主采集器。
其基本配置要求见表4。
表4 温湿分采基本配置
智能传感器
至少可挂接传感器
接口数（个）
测量通道（个）
CAN总线
RS232
模拟量
并行数字量
频率计数量
温湿
气温（1支）、湿度（1支）
1
1
2
温湿分采应具备监
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