自动土壤水分观测仪功能需求书.docx
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自动土壤水分观测仪功能需求书
自动土壤水分观测仪功能需求书
中国气象局监测网络司
2008年4月
1前言
1.1目的
为规范自动土壤水分观测仪的结构、系统功能、测量指标、采样算法、数据格式、供电电源、工作环境和设备安全可靠性等方面的要求，指导设备生产，制定本功能需求书。
本功能需求书由中国气象局监测网络司委托中国气象局气象探测中心编写。
本功能需求书的修改权、解释权属于中国气象局监测网络司。
1.2编制依据
本功能需求书参考国内外自动土壤水分探测仪器测量技术发展情况，以及国内试验考核、试用的基础上，以下列文件资料为依据进行编写的：
．WMOCIMO《气象仪器和观测方法指南（第六版）》；
．中国气象局《农业气象观测规范》（1993年）；
．自动气象站质量控制程序指南（ETAWS-4,FinalReport,Annex3
.WMO.CBS）
2组成结构
2.1设备组成
2.1.1概述
自动土壤水分观测仪是基于现代测量技术构建，由硬件和软件组成。
其硬件可分成传感器、采集器和外围设备三部分，其软件可分成采集软件和业务软件二种。
该结构的特点是既可以与微机终端连接组成土壤水分测量系统，也可以作为土壤水分分采集系统挂接在其他采集系统上。
设备组成见图1。
图1：
自动土壤水分观测仪设备示意图
2.1.2传感器
土壤水分传感器根据输出信号的特点，可分为三类：
1、模拟传感器，输出模拟量的传感器；
2、数字传感器，输出数字量（含脉冲和频率）信号的传感器；
3、智能传感器，一种带有嵌入式处理器的传感器，具有基本的数据采集和处理功能，可以输出并行或串行数据信号。
2.1.3采集器
采集器是自动土壤水分测量系统的核心。
其主要功能是完成各层土壤水分传感器的采样，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，与终端微机进行交互。
采集器应至少具有RS232或RS485通讯接口：
采集器能够具备自检、自诊断功能，至少包括以下内容：
a）电源电压状态监测；
b）传感器状态监测；
c）通信状态监测；
2.1.4外围设备
2.1.4.1电源
电源是组成自动土壤水分观测仪的外围设备之一。
市电是最常用的电源，配有蓄电池，并对蓄电池浮充电，以备市电停电时可由蓄电池供电，也可以另外配置辅助电源（包括太阳能、风能）对蓄电池充电。
12伏直流电压是采集器的基本工作电压，采集器中其他直流工作电压应由此转换而成。
2.1.4.2微机
即微型计算机，常用作采集器的终端，实现对采集器的监控、数据处理和存储，按照《农业气象观测规范》要求完成土壤水分观测业务。
通信接口：
应配置RS-232接口，支持本地通信；
应配置以太网接口（RJ-45），以备接入本地局域网，嵌入式软件应支持TCP/IP协议。
2.1.5软件
2.1.5.1采集软件
采集软件支持采集器的数据采集、数据处理、数据存储和数据传输功能。
2.1.5.2业务软件
业务软件处理土壤水分观测业务，是安装在与土壤水分观测仪相连接的微机中的应用软件。
本功能需求书仅规定数据存储格式。
2.2结构特点
测量系统应具有扩展性、互换性、适用性。
2.2.1扩展性
根据《农业气象观测规范》规定，可按实际需要调整观测层距，至少可观测8层。
2.2.2互换性
可实现同一厂家的传感器互换、采集器互换、外围设备互换；
2.2.3适用性
能适应不同土壤类型和不同气候类型下的自动土壤水分观测。
3功能要求
3.1初始化功能
操作员应可通过终端，输入或修改采集软件要求的业务参数，如气象站地理位置（经度、纬度、拔海高度）、时钟、传感器参数、土壤参数等。
3.2数据采集功能
采集器分别对挂接的传感器按预定的采样频率进行扫描，并将获得的电信号转换成数据信号。
3.3数据处理功能
将数据信号按规定的采样算法处理成符合格式要求的数据文件。
文件包括：
正点土壤水分测量数据文件、实时土壤水分测量数据文件。
3.4数据存储功能
包括采集器内部的数据存储和采集器外围设备的数据存储。
3.4.1采集器内部的数据存储
采集器能够存储一个月的正点土壤水分体积含水量。
采集器内部的数据存贮器应具备掉电保存功能。
3.4.2外围设备的数据存储
在计算机的磁盘存储器中，存储正点土壤水分测量数据文件、实时土壤水分测量数据文件，包括经过处理的数据、人工输入数据、质量控制情况信息（内部管理数据）等。
自动土壤水分观测数据文件格式要求见附件1,人工土壤相对湿度观测数据文件格式见附件2。
3.5数据传输功能
采集器应把数据及时传输到终端。
根据响应方式的不同，可分为以下两种：
）定时传输，在设定时间下的传输，即土壤水分自动监测仪器正常运行时的自动传输；
）响应终端命令的传输，即人工干预下的传输。
这种情况下，往往还允许通过终端或远距离设备，对采集器进行控制，如更新程序、设置参数、测试调试等；
土壤水分自动监测仪器应同时具有以上两种传输方式。
自动土壤水分观测站上传数据文件格式要求见附件3。
3.6质量控制功能
3.6.1采样值的质量控制
采样值合理性（粗大误差）检查，验证每次采样值在正常传感器测量范围内。
土壤体积含水量的采样值大于60%,不参与平均值计算。
3.6.2测量值的质量控制
）测量值合理性检查:
如果土壤体积含水量超出允许的界限（60%），该值应标记成错误。
）测量值时间一致性检查:
验证瞬时值的变化率，可检测不真实的尖峰或跳变值，判断传感器是否损坏。
3.7监控功能
采集器应设置自动监测关键部件运行状况的内置式装置，如电源故障监测器、看门狗计时器和用于监测电路某些部分的测试电路。
应配有相应的软件，可在终端自动显示状态信息，用于设备的运行控制和维护。
终端和采集器之间应建立完善的数据缺测检查和补收机制。
3.8采集器的时钟管理功能
采集器提供高精度实时时钟，以采集器时钟为准，定时与微机终端进行校时，确保系统内时间的同步。
3.9软件处理功能
气象业务处理功能由业务软件支持，在计算机上实现。
4测量技术要求
4.1测量的土壤体积含水量
基本观测项目为土壤体积含水量，选用的主要传感器为：
介电常数式土壤水分传感器
4.2测量性能要求
土壤水分探测仪的测量性能应遵循《农业气象观测规范》和其他相关规范的要求。
重复性误差要求小于0.5%，测量性能要求见下表1，其中最大允许误差为仪器观测土壤相对湿度与人工观测土壤相对湿度之差为±5%。
表1：
测量性能要求
测量要素
范围
分辨力
最大允许误差
采样频率
计算平均时间
土壤体积含水量
0%～100%
0.1%
±5%
1次/分
10min
4.3采样和算法
4.3.1土壤体积含水量观测值计算方法
计算土壤体积含水量，需每分钟采集样本，取10分钟内10个采样值，按采样值质量控制程序要求对每次采样做质量控制后求平均值，此10分钟平均值为该观测要素的观测值。
4.3.2测量单位
土壤体积含水量（%），保留一位小数；
4.4导出量
导出量的计算按照《农业气象观测规范》中的规定，微机终端根据体积含水量及土壤参数计算土壤重量含水率、相对湿度、有效水分储存量。
5传感器要求
土壤水分传感器应满足以下指标要求：
a）测量土壤水分范围：
0-100%
b）工作温度范围：
0－60℃
c）电源：
DC12V
d）输出：
模拟量、数字量
e）分辨率：
0.1%
6供电电源要求
6.1主电源供电要求
）交流供电AC220V（＋10%～-15％）；
）直流DC12V；
）后备蓄电池，可保证传感器及采集器在无交流电源下5天正常工作；
数据采集器在交流供电中断后应仍能保存所有的数据，即使在蓄电池电压低到不足以维持符合质量要求的观测工作时，在中断的交流电源恢复后，系统应能自动恢复正常工作。
6.2备选电源供电要求
当安装地点没有交流电源或电源不理想时，可选择太阳能、风力等其他方式供电。
6.3电源供电安全要求
使用市电供电的必须有保护接地，保护接地端子应能耐强烈腐蚀，保护接地端子或接地点和要求接地的零部件之间的连接阻值应不大于0.1Ω。
市电供电时，应在电源输入端安装避雷器或电涌保护器（SPD），并有良好的安全设计。
信号输入端、通信接口处等电缆引入采集器的地方应安装电涌保护器（SPD）。
在蓄电池电压低到不足以维持符合质量要求的观测工作时应设计低电压告警装置。
7防雷
7.1雷击电磁脉冲的防护
7.1.1屏蔽措施
传感器的信号线应采用屏蔽电缆，采用非屏蔽电缆时，应外穿金属管。
电缆的屏蔽层和金属管下端应接到地网上。
自动土壤水分观测仪到室内的电缆线应敷设在电缆沟内。
敷设电缆沟有困难时，在入户前应穿金属管埋地，埋地水平距离宜大于15米，或通过无线方式输入。
7.1.2等电位连接和采用共用接地系统
当各传感器分散布设时，应采用共用接地系统（地网），将所有金属部件就近连接到该接地系统上，共用接地系统（地网）的接地电阻应不大于4Ω。
7.1.3电涌保护措施
7.1.3.1供电系统的电涌保护措施：
自动土壤水分观测仪采用电网或自备发电机供电时，应在交流配电盘处加装冲击通流量Iimp不小于12.5kA的SPD；
在室内微机电源用电插座上,加装标称通流量In不小于5kA的信号电涌保护器（SPD）；
在室外采集器电源用电箱内,加装标称通流量In不小于20kA的信号电涌保护器（SPD）；
供电系统的电涌保护器的安装要求,应符合将要颁布的QX2规定。
7.1.3.2信号系统电涌保护措施
采集器的传感器的进口端应加装适配的信号电涌保护器（SPD）；
采集器的RS-232输出端口上应加装适配的信号电涌保护器（SPD）；
采集器与局域网连接的输出端口上应加装适配的网络信号电涌保护器（SPD）；
采集器与无线网或卫星连接的输出端口上应加装适配的天馈线信号电涌保护器（SPD）；
室内微机与采集器连接的输入端口上应加装适配的计算机信号电涌保护器（SPD）；
信号系统电涌保护器的性能技术指标和安装要求,应符合QX3的规定。
7.2防雷装置的维护和管理
按QX4-2000第10条的规定执行。
8工作环境适应性要求
8.1气候条件
空气温度：
－35℃～＋50℃
空气湿度：
5﹪～100﹪
抗风能力：
≤75m/s
抗盐雾腐蚀
机械条件
正弦稳态振动：
位移1.5mm
加速度5m/s2
频率2～9Hz；9～200Hz
非稳态振动（冲击）：
峰值加速度40m/s2
8.2电磁抗扰度
要求满足下列试验内容和严酷度等级：
内容
试验条件
交流电源端口
直流电源端口
控制和信号端口
电压暂降和短时中断抗扰度
30﹪0.5周期
60﹪5周期
100﹪250周期
——
——
1.2/50μS（电压）
8/20μS（电流）
浪涌冲击抗扰度
线对地：
±2KV
线对地：
±1KV
线对地：
±1KV
电快速瞬变脉冲群抗扰度
±2KV5Kz
±1KV5Kz
±2KV5Kz
射频电磁场辐射抗扰度
0.15～80MHz
3v
80﹪AMk（1KHz）
0.15～80MHz
3v
80﹪AMk（1KHz）
0.15～80MHz
3v
80﹪AMk（1KHz）
静电放电抗扰度
接触放电：
±4KV
空气放电：
±8KV
接触放电：
±4KV
空气放电：
±8KV
接触放电：
±4KV
空气放电：
±8KV
9设备安全性、可靠性、可维性要求
9.1设备安全性要求
⑴安全标记及要求
标记符合GB4793.1的“设备用图形符号”要求；
交流电源接入端口设“当心电击危险”安全标记；
低压直流电源接入端口以红色“+”和黑色“－”标出极性，并标明额定电压值；
电源开关标明电源“通”“断”位置；
标明电源熔断器额定电流值。
⑵基本电器安全要求
外表易触件不能为危险带电件；
自动土壤水分观测仪必须有保护接地；
所有电源和信号端口均应采取防感应雷击措施。
交流电源初级电路与机箱间绝缘电阻＞2MΩ；
低压直流电源初级电路与机箱间绝缘电阻＞1MΩ；
使用交流供电的自动站泄漏电流＜3.5mA
使用交流供电的自动站应能承受1500V/5mA/1分钟的冲击耐压试验；
使用交流供电的自动站应能承受500V/5mA/1分钟的冲击耐压试验；
9.2设备可靠性要求
9.2.1采用先进的成熟技术
1）选择高可靠性能的传感器
2）采用高性能的大规模集成电路
3）采用先进的采集软件设计
9.2.2产品的可靠性设计
产品要进行可靠性设计，并满足平均无故障工作时间（MTBF）大于5000小时的要求。
1）正确选择和合理使用元器件
2）元器件降额设计
3）高质量的电源系统
4）减少接触故障的可靠性设计
5）降低系统功耗
6）产品整机老化，出厂前检验
7）基于标准化的设计
9.2.3数据质量控制和状态监控
1）质量控制包括采集器内部数据的质量控制。
2）提供传感器、采集器和通讯三级的状态监控。
9.3设备可维修性要求
平均维修时间（MTTR）要求：
≤40分钟
9.4测量稳定性要求
一年内测量值飘移不大于最大测量误差要求。
运行一年后复测应满足最大测量误差要求。
10其他要求
10.1时钟精度和稳定性要求
采集器实时时钟走时误差不大于15秒/月。
10.2功耗要求
采集器应采用低功耗设计,小于2W。
10.3外观要求
外观应整洁，无损伤和形变，表面涂层无气泡、开裂、脱落现象。
10.4命名要求
自动土壤水分观测仪应符合行业标准。
10.5技术文件要求
自动土壤水分观测仪要有齐套的设计和生产图纸、文件；向用户提供包括技术说明书和安装、操作使用说明书等内容的用户手册。
11检验要求
具体测试按测试大纲和现场考核评估办法实施。
附件1：
自动土壤水分观测数据文件格式
自动土壤水分测量数据文件是指由数据采集器处理后，存储到计算机硬盘中的数据文件。
包括正点土壤水分测量数据文件和实时土壤水分测量数据文件。
1、正点土壤水分测量数据文件
正点土壤水分测量数据文件为SIIiii-YYYYMM.TXT，简称S文件，文件名中，S为指示符；IIiii为区站号；YYYY为年份，MM为月份，不足两位时，前面补“0”；TXT为文件扩展名，表示该文件为文本文件。
⑴S文件每月一个，记录采用定长类型，每一条记录196个字节，记录尾用回车换行结束，ASCII字符存盘，每个要素值高位不足补空格。
⑵S文件第一次生成时应进行初始化，初始化的过程是：
首先检测S文件是否存在，如无当月S文件，则生成该文件，将全月逐日逐时各要素的位置一律存入相应字长的“-”字符（即减号）。
⑶S文件按北京时计时。
⑷S文件的第1条记录为本站当月基本参数，每项参数长为5个字节，内容如下表：
序号
参数
字长
序号
参数
字长
1
区站号
5字节
27
50cm土壤质地
1字节
2
年
5字节
28
50cm田间持水量
3字节
3
月
5字节
29
50cm土壤容重
4字节
4
经度
5字节
30
50cm凋萎湿度
3字节
5
纬度
5字节
31
100cm土壤质地
1字节
6
地段拔海高度
5字节
32
100cm田间持水量
3字节
7
5cm土壤质地
1字节
33
100cm土壤容重
4字节
8
5cm田间持水量
3字节
34
100cm凋萎湿度
3字节
9
5cm土壤容重
4字节
35
180cm土壤质地
1字节
10
5cm凋萎湿度
3字节
36
180cm田间持水量
3字节
11
10cm土壤质地
1字节
37
180cm土壤容重
4字节
12
10cm田间持水量
3字节
38
180cm凋萎湿度
3字节
13
10cm土壤容重
4字节
39
5cm土壤水分测量传感器标识
1字节
14
10cm凋萎湿度
3字节
40
10cm土壤水分测量传感器标识
1字节
15
20cm土壤质地
1字节
41
20cm土壤水分测量传感器标识
1字节
16
20cm田间持水量
3字节
42
30cm土壤水分测量传感器标识
1字节
17
20cm土壤容重
4字节
43
40cm土壤水分测量传感器标识
1字节
18
20cm凋萎湿度
3字节
44
50cm土壤水分测量传感器标识
1字节
19
30cm土壤质地
1字节
45
100cm土壤水分测量传感器标识
1字节
20
30cm田间持水量
3字节
46
180cm土壤水分测量传感器标识
1字节
21
30cm土壤容重
4字节
47
保留
65字节，用“-”填充
22
30cm凋萎湿度
3字节
48
版本号
5字节
23
40cm土壤质地
1字节
49
回车换行
2字节
24
40cm田间持水量
3字节
25
40cm土壤容重
4字节
26
40cm凋萎湿度
3字节
存储规定：
①经度和纬度的分保留两位，高位不足补“0”，如北纬32度02分存“3202”。
②地段拔海高度：
保留一位小数，扩大10倍存入。
③各传感器标识：
有该项目存“1”，无该项目存“0”。
④版本号：
在第一条记录的最后5个字节中写上V1.00，以便版本升级和功能扩展。
⑤土壤质地按如下代码存入：
质地名称
代码
质地名称
代码
粗砂土
0
砂粘土
7
细砂土
1
粉粘土
8
面砂土
2
壤粘土
9
粉砂土
3
粘土
A
粉土
4
粉壤土
5
粘壤土
6
⑸S文件中每一时次为一条记录，每日24条记录。
记录号的计算方法：
N=D24+T-19
式中，N：
记录号；D：
北京时日期（月末一天21～23时的日期D取0）；T：
北京时。
如每月1日第2条记录应为北京时的上月最后一天的21时的数据，这时N=2，如4日23时，则N=100。
S文件中第1条后的每一条记录，存49个要素的正点值，以ASCII字符写入，每个要素长度为4字节，最后两位为回车换行符。
分配如下表：
序号
要素名
字长
序号
要素名
字长
1.
日时（北京时）
4字节
26.
40cm正点瞬时土壤体积含水量
4字节
2.
5cm正点瞬时土壤体积含水量
4字节
27.
40cm小时平均土壤体积含水量
4字节
3.
5cm小时平均土壤体积含水量
4字节
28.
40cm正点瞬时土壤相对湿度
4字节
4.
5cm正点瞬时土壤相对湿度
4字节
29.
40cm小时平均土壤相对湿度
4字节
5.
5cm小时平均土壤相对湿度
4字节
30.
40cm小时平均土壤重量含水率
4字节
6.
5cm小时平均土壤重量含水率
4字节
31.
40cm小时平均土壤有效水分贮存量
4字节
7.
5cm小时平均土壤有效水分贮存量
4字节
32.
50cm正点瞬时土壤体积含水量
4字节
8.
10cm正点瞬时土壤体积含水量
4字节
33.
50cm小时平均土壤体积含水量
4字节
9.
10cm小时平均土壤体积含水量
4字节
34.
50cm正点瞬时土壤相对湿度
4字节
10.
10cm正点瞬时土壤相对湿度
4字节
35.
50cm小时平均土壤相对湿度
4字节
11.
10cm小时平均土壤相对湿度
4字节
36.
50cm小时平均土壤重量含水率
4字节
12.
10cm小时平均土壤重量含水率
4字节
37.
50cm小时平均土壤有效水分贮存量
4字节
13.
10cm小时平均土壤有效水分贮存量
4字节
38.
100cm正点瞬时土壤体积含水量
4字节
14.
20cm正点瞬时土壤体积含水量
4字节
39.
100cm小时平均土壤体积含水量
4字节
15.
20cm小时平均土壤体积含水量
4字节
40.
100cm正点瞬时土壤相对湿度
4字节
16.
20cm正点瞬时土壤相对湿度
4字节
41.
100cm小时平均土壤相对湿度
4字节
17.
20cm小时平均土壤相对湿度
4字节
42.
100cm小时平均土壤重量含水率
4字节
18.
20cm小时平均土壤重量含水率
4字节
43.
100cm小时平均土壤有效水分贮存量
4字节
19.
20cm小时平均土壤有效水分贮存量
4字节
44.
180cm正点瞬时土壤体积含水量
4字节
20.
30cm正点瞬时土壤体积含水量
4字节
45.
180cm小时平均土壤体积含水量
4字节
21.
30cm小时平均土壤体积含水量
4字节
46.
180cm正点瞬时土壤相对湿度
4字节
22.
30cm正点瞬时土壤相对湿度
4字节
47.
180cm小时平均土壤相对湿度
4字节
23.
30cm小时平均土壤相对湿度
4字节
48.
180cm小时平均土壤重量含水率
4字节
24.
30cm小时平均土壤重量含水率
4字节
49.
180cm小时平均土壤有效水分贮存量
4字节
25.
30cm小时平均土壤有效水分贮存量
4字节
50.
回车换行
2字节
存储规定：
①“日、时”作为记录识别标志用，日、时各两位，高位不足补“0”，其中“日”是按北京时的日期；“时”是指正点小时。
②数据记录单位：
数据的记录单位按规范规定执行，存储各要素值不含小数点。
③若要素缺测，除有特殊规定外，则均应按约定的字长，每个字节位均存入一个“/”字符。
2、实时土壤水分测量数据文件
实时土壤水分测量数文件为SS.TXT，简称SS文件。
该文件每10分钟刷新一次。
SS文件为文本文件，存入9个要素的每分钟瞬时值，以ASCII字符存入，共36个字节，文件结束为回车换行符。
要素分配如下表：
序号
要素名
字长
1.
时分（北京时）
4字节
2.
5cm瞬时土壤体积含水量
4字节
3.
10cm瞬时土壤体积含水量
4字节
4.
20cm瞬时土壤体积含水量
4字节
5.
30cm瞬时土壤体积含水量
4字节
6.
40cm瞬时土壤体积含水量
4字节
7.
50cm瞬时土壤体积含水量
4字节
8.
100cm瞬时土壤体积含水量
4字节
9.
180cm瞬时土壤体积含水量
4字节
存储规定：
①时间中的时、分各两位，高位不足补“0”。
②若要素缺测或无记录，除有特殊规定外，则均应按约定的字长，每个字节位均存入一个“/”字符；
③所有要素位数不足的，在前面用空格填充。
④数据记录单位规
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