新型自动气象气候站功能规格书.docx

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新型自动气象气候站功能规格书

附件

农业小气候自动观测站

功能规格需求书

中国气象局综合观测司

2016年4月

编写说明

本功能规格需求书规定了农业小气候自动观测站的组成结构、功能、性能、环境适应性和数据传输格式等方面的要求，是设计研制、生产和测试评估的依据。

随着科学技术的发展进步或业务需求发生变化，本功能规格需求书将随之进行相应的修订、补充或重新发布。

本功能规格需求书由中国气象局综合观测司委托河南省气象局组织编写，解释权属于中国气象局综合观测司。

主要编写人员：

徐远远樊奇邓天宏刘世玺余卫东高媛媛张志红邹春辉张广周张红卫叶冠宁

目录

1前言1

1.1目的1

1.2适用范围1

1.3制定依据1

2术语和定义2

3组成结构2

3.1观测项目2

3.2硬件结构2

3.2.1传感器3

3.2.2数据采集器3

3.2.3外围设备5

3.3软件6

3.3.1采集软件6

3.3.2中心站组网软件6

4功能要求7

4.1软件初始化8

4.2数据采集8

4.3数据处理8

4.4数据存储8

4.5数据传输9

4.6数据格式9

4.7数据质量控制9

4.7.1采集器采集软件中的数据质量控制9

4.7.2中心站组网软件中的数据质量控制10

4.8状态监控10

4.9终端操作命令10

4.9.1监控操作命令10

4.9.2数据质量控制参数操作命令11

4.9.3观测数据操作命令11

4.9.4对时11

4.10校准和定标11

4.11系统升级11

5技术指标12

5.1要素测量性能12

5.1.1单位量纲12

5.1.2采样和算法12

5.2传感器性能指标13

5.2.1温度传感器13

5.2.2冠层叶温传感器（红外）13

5.2.3湿度传感器13

5.2.4风向传感器13

5.2.5风速传感器14

5.2.6雨量传感器14

5.2.7总辐射传感器14

5.2.8光合有效辐射传感器14

5.2.9空气CO2浓度14

5.2.10土壤水分传感器15

6供电要求15

7运行要求15

7.1运行状态信息15

7.2可靠性要求16

7.3可维性要求16

8工作环境适应性要求16

8.1气候条件16

8.2外壳防护等级16

8.3生物条件16

8.4化学活性物质17

8.5机械条件17

8.6电磁兼容性要求17

9结构、材料和外观要求18

9.1结构设计总体原则18

9.2机械结构要求19

9.3机械强度要求19

9.4材料与涂覆要求19

9.5外观要求19

9.6电缆和接线要求20

9.7安全要求20

9.7.1标识要求20

9.7.2资料文件要求20

9.7.3结构安全要求21

9.7.4电气安全要求21

10防雷要求22

10.1一般要求22

10.2直接雷击的防护措施22

10.3雷击电磁脉冲的防护23

10.4电涌保护措施23

10.4.1供电系统的电涌保护措施23

10.4.2信号系统电涌保护措施23

11场地与安装要求23

11.1场地要求23

11.2仪器布局要求24

11.3安装要求24

11.3.1农业小气候自动观测站观测传感器24

11.3.2其它注意事项24

12其他要求25

12.1时钟精度要求25

12.2观测时制和日界25

12.3扩展性要求25

12.4互换性要求25

12.5人机界面要求25

附录1：

农业小气候自动观测站终端命令格式26

1终端命令的分类26

2格式一般说明26

3握手机制26

3.1数据传输握手机制26

3.2时间校正握手机制27

3.3设备响应命令时间27

4监控操作命令27

5数据质量控制参数操作命令40

6传感器监控操作命令41

附录2：

农业小气候自动观测站数据帧格式说明45

1数据帧格式45

1.1帧格式45

1.2起始位45

1.3数据包头45

1.4数据主体46

1.5校验码47

1.6数据包尾48

1.7数据分割方式48

1.8完整数据帧格式48

2数据字典48

2.1基本编码原则48

2.2变量名命名原则49

2.3观测要素编码51

2.4设备状态57

1前言

1.1目的

农业小气候观测是农业气象观测的重要组成部分，也是农业气象服务和科研的基础，是我国综合气象观测系统的重要组成部分，对保障我国粮食安全具有重要意义。

增强农业气象观测能力是新世纪和新形势下现代农业气象服务发展的需要,也是我国农业生产的需要、防灾减灾的需要、气象事业发展的需要。

通过建立实时大气--土壤一体化的观测系统，对及时掌握作物生长环境、开展农事活动和现代化农田管理、科学评估气象因子对作物的影响、分析农业气象灾害实况与评估、制作作物产量预报、改进作物模型和陆面模型、提高卫星遥感应用的解译精度与验证能力等领域，具有重要应用价值。

为进一步规范农业小气候自动观测站的研发和生产行为，推进农业小气候自动观测站标准化，特制订本功能规格需求书。

1.2适用范围

农业小气候自动观测站用于小麦、玉米、棉花等大田作物和果树、牧草、设施农业等小气候观测。

本功能规格需求书规定了农业小气候自动观测站的组成结构、功能、测量性能、采样、算法，以及供电、安全、工作环境、电磁兼容、结构和外观、可靠性和可维护性等要求，为农业小气候自动观测站的设计和生产提供依据。

1.3制定依据

本功能规格需求书编写的主要依据有：

（1）《新型自动气象（气候）站功能规格书（修订版）》

（2）《地面气象观测规范》

（3）《农业气象观测规范》

（4）《农业气象观测站上传数据文件内容与传输规范（试行）》

（5）《农业气象自动观测技术要求（试行）》

（6）《农林小气候观测仪》GB/T20524-2006

（7）《气象专用技术装备功能规格需求书编写指南》

（8）《设施农业小气候观测规范日光温室和塑料大棚》QX/T261-2015

（9）《自动土壤水分观测仪功能需求书》

（10）《气象辐射观测系统功能规格需求书》

2术语和定义

农业小气候自动观测站：

用于大田作物、果树、设施农业等作物生长环境气象要素自动采集的设备，主要包括传感器、主采集器、要素分采集器和外围设备，从而满足农业小气候自动观测需求的专业气象观测站。

冠层叶温：

作物冠层叶片表面温度的平均值。

地温：

地温包括地表温度及土壤温度（5cm、10cm、15cm、20cm、30cm、40cm）。

地表温度是对地面的温度进行测量后得到的温度；土壤温度是地面以下土壤中的温度，主要指与作物生长发育直接有关的地面下浅层内的温度。

太阳总辐射：

太阳总辐射是地球表面某一观测点水平面上接收太阳的直射辐射与太阳散射辐射的总和。

3组成结构

3.1观测项目

农业小气候自动观测站是集作物生长气象环境、土壤环境等要素于一体的观测系统。

观测要素包括空气温度、空气湿度、风、辐射、冠层叶温、降水量、CO2浓度、地温、土壤湿度等。

其中：

空气温度、湿度、风速、降水量要素的观测层数可设置1-4层。

风向、太阳总辐射、光合有效辐射、冠层叶温、CO2浓度要素设置1层。

地温可包括地表温度、5cm、10cm、15cm、20cm、30cm、40cm。

土壤湿度可包括0～10cm、10～20cm、20～30cm、30～40cm、40～50cm、50～60cm、70～80cm、90～100cm。

各层次的观测高度和观测要素可根据作物、果树、设施农业观测需求不同进行选配。

3.2硬件结构

农业小气候自动观测站的硬件组成包括传感器、数据采集器和外围设备等，并支持土壤水分观测等传感器的接入，其硬件结构原理图如图3.1所示：

图3.1农业小气候自动观测站硬件结构原理图

3.2.1传感器

农业小气候自动观测站的传感器分为气象观测要素传感器、土壤环境要素传感器等。

农业小气候自动观测站的传感器可根据观测需要进行选择，实现温度、湿度、降水量、风速、风向、总辐射、光合有效辐射、冠层温度、CO2浓度等气象要素的观测，以及地温、土壤湿度等土壤环境要素的观测。

在相关要素有成熟的智能传感器时，鼓励使用智能传感器。

3.2.2数据采集器

按照观测要素类别的不同，农业小气候自动观测站的数据采集器分为主采集器和可选要素分采集器，主采集器负责采集温度、湿度、降水量、风速、风向、总辐射、光合有效辐射、冠层叶温和二氧化碳浓度观测数值，分采集器负责地表温度、土壤温度、土壤湿度等土壤环境要素的观测以及扩展观测要素数据的采集，并通过总线或无线方式与主采集器进行数据通信。

3.2.2.1主采集器

主采集器是农业小气候自动观测站的核心，它的硬件部分由高稳定性电源、嵌入式处理器、大容量数据存储器、高精度时钟电路、高精度模数转换电路、以及多路数字及模拟传感器接口、通信接口、指示灯电路等多种电路模块构成。

气象要素采集器硬件设计时必须满足以下要求：

（11）嵌入式处理器的选取应综合考虑功耗、速度、内置程序FLASH容量、各种功能接口（RS232、RS485、RJ45等）。

在具备自由组合安装本功能规格需求书规定的传感器能力的基础上，还应具备扩展接入不少于3种其他新传感器的能力，并具有总线或无线扩展接口，为以后应用扩展留有余量；

（12）主采集器应至少可以存储1小时的采样瞬时值、7天的瞬时（分钟）值、1个月的正点要素值和小时状态信息，并留有一定的余量方便扩展；数据存储应使用循环式存储器结构，并具备掉电保存功能；

（13）模数转换芯片应在16位（含16位）以上，满足传感器测量要求；

（14）电源模块应选择高精度、高稳定性电源模块，满足采集器本身及部分外部传感器供电要求；

（15）外接存储器为CF卡，并具备SD卡、USB存储器接口。

数据文件、参数文件、配置文件、日志文件等存储在采集器内部，同时应在外接存储器上进行备份；外接存储器应具备循环式存储结构；

（16）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、机箱门状态检测、蓄电池电量检测等；

（17）应具备指示灯，包括系统指示灯（秒闪，包括供电状态指示、传感器采集工作状态指示）、外接存储设备通信指示灯、通信状态指示灯等；

（18）采集器的基本工作电压是12V直流电压，采集器中其它直流工作电压应由此转换而成。

3.2.2.2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、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。

分采集器嵌入式处理器的选取还应满足下列要求：

（19）应综合考虑速度、功耗、环境要求，具有内置的Watchdog功能；

（20）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；

（21）实时时钟电路应能保证误差不大于15s/月的要求；

（22）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%以上的余量；

（23）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%以上的余量；

（24）RAM应满足嵌入式软件的运行要求，并且具有30%以上的余量。

（25）各分采集器的基本配置要求

（26）分采集器应具备监测电路，包括主板温度测量和主板电源测量；

（27）分采集器应具备指示灯，包括系统运行指示灯、通信操作指示灯和通信告警指示灯；

（28）分采集器应提供在线编程接口：

RS232；

（29）分采集器能够监测自身的工作状态，包括主板温度、工作电压和传感器状态；

（30）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。

3.2.3外围设备

3.2.3.1电源

电源须同时支持220V市电和太阳能两种供电方式，在有条件的场合应采用市电，没有市电的场合采用太阳能供电。

采用市电供电时，电源由开关电源、12V蓄电池构成，蓄电池的容量必须保证观测站能在脱离辅助电源的条件下连续工作7天。

并在蓄电池电压低到标称电压12V的95％（11.4V）时发出报警信息；采用太阳能供电时，由太阳能电池板、PV控制器、蓄电池构成。

3.2.3.2外存储器

观测系统使用CF卡作为外存储器，用于存储气象数据和特种要素观测数据，数据以FAT32文件格式存储。

3.2.3.3支架

支架主要用于装配各类传感器、通信装置等设备。

用于旱地和水田作物的高度3.5～5.5m,用于设施农业的高度为2m；太阳能电池板支架高度为3.5～5.5m。

3.2.3.4机箱

机箱用于安装主控系统，各个功能模块布局合理，符合电气安全要求，散热性能良好。

机箱具有良好的密封性，防护等级要求达到IP65，具有安全防盗、防辐射等性能。

3.2.3.5避雷针

避雷针的长度（接闪器的高度）需达到观测站上端布设的各类传感器所需要的保护范围的要求，避雷针的制作材料、直径、接闪器材料、固定连接装置、引下线和接地等应达到相关防雷的技术规范要求。

3.2.3.6防辐射罩

防辐射罩必须保证空气由任何角度自由通过，并反射来自任何方向的阳光。

防辐射罩材质要具有高反射率、低导热性、抗紫外线的功能，可用于极端的气候条件。

3.2.3.7通信设备

无线通信：

通过在数据采集器的RS-232通信口上扩展无线通信模块，利用GPRS、CDMA、3G、4G等无线网络，实现农业小气候自动观测站与数据中心站数据通信，传输农业小气候自动观测站观测数据。

有线通信：

通过在数据采集器的RS-232通信口上扩展光纤等有线通信模块，实现农业小气候自动观测站与计算机业务软件间的数据通信，传输农业小气候自动观测站观测数据。

3.3软件

3.3.1采集软件

采集软件由嵌入式操作系统和应用软件组成，嵌入式操作系统应选择实时性高、性价比好、稳定可靠的多任务实时操作系统。

主要实现以下功能：

（1）实现数据采集、数据处理、数据存储和数据传输功能；

（2）实现远程参数设置、数据监视、数据下载、采集器复位等功能；

（3）存储数据文件、参数文件、配置文件、日志文件等。

3.3.2中心站组网软件

中心站组网软件是实现某一区域农业小气候自动观测站的自动组网和监控管理的应用软件。

安装的农业小气候自动观测站均通过光纤或GPRS、CDMA、3G、4G等无线通信方式实现数据上传、组网和监控管理功能。

中心站组网和监控管理软件的主要功能要求如下：

（1）设置或查询各个观测站的站名、区站号、经纬度、海拔高度、DTU等通信号码、在线登录状态、数据传输状态、当前或历史资料等；

（2）设置数据上传时间间隔：

可向一个或多个农业小气候自动观测站设置数据上传时间间隔（默认1min，可选10min）自动上传农业小气候自动观测站最新的分钟观测数据；

（3）遗漏资料补传：

可补传农业小气候自动观测站存储的历史观测数据；

（4）观测要素开关设置：

可打开或关闭农业小气候自动观测站的某一观测要素的传感器；

（5）日期和时钟校准：

经组网的农业小气候自动观测站，须支持网络时钟同步协议，可由监控中心下达指令，对观测站的日期和时间进行设置和校准，并反馈和验证校准信息；

（6）报警功能：

对接收到的异常数据提供报警功能，例如：

缺测、观测数据异常等。

可接收观测站的实时安全报警信息，例如：

交流供电中断、通信中断、蓄电池电压过低、机箱内温度过高等。

各类报警参数的设置功能由监控管理员预置；

（7）多种监控界面功能：

提供多种类型的监控界面，以不同的界面形式反映农业小气候自动观测站网的运行情况，监控界面可自动实时刷新；

（8）具有生成存储数据文件、上传数据文件的功能。

根据用户需求，仪器厂家应向用户提供本地应用管理软件。

采用光缆等有线通信方式的农业小气候自动观测站可以通过应用管理软件实现本地化数据浏览和监控管理。

应用管理软件的主要功能要求如下：

（1）设置或查询观测站的站名、区站号、经纬度、海拔高度、DTU等通讯号码、数据传输状态、当前或历史资料等；

（2）设置数据上传时间间隔：

可向应用管理软件所连接的农业小气候自动观测站下达指令，将其设置成按照特定时间间隔（常规设置1min，可选择设置10min等）自动上传农业小气候自动观测站最新的逐分钟观测数据；

（3）遗漏资料补传：

可补传农业小气候自动观测站中存储的历史观测数据；

（4）观测要素开关设置：

可打开或关闭农业小气候自动观测站的某一观测要素的传感器；

（5）日期和时钟校准：

由应用管理软件下达指令，对观测站的日期和时间进行设置和校准，并反馈和验证校准信息；

（6）报警功能：

对接收到的异常数据提供报警功能，例如：

缺测、观测数据异常等。

可接收观测站的实时安全报警信息，例如：

交流供电中断、通信中断、蓄电池电压过低、机箱内温度过高等。

各类报警参数的设置功能由监控管理员预置；

（7）多种监控界面功能：

提供多种类型的监控界面，以不同的界面形式反映农业小气候自动观测站的运行情况，监控界面可自动实时刷新；具有生成存储数据文件、上传数据文件的功能。

4功能要求

4.1软件初始化

（1）对采集器进行自检，检测各外围传感器接口，准备存储器，做好数据采集准备；

（2）与中心站组网软件或应用管理软件建立通信连接；

（3）通过中心站组网软件或应用管理软件对观测站采集器参数进行配置，可修改、查询观测站参数配置，包括观测站基本参数、传感器参数、通信参数等；

（4）建立和运行采集、处理、通信等任务。

4.2数据采集

观测数据的采集包含以下几个部分：

（1）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，得到观测要素变量测量值序列；

（2）对观测要素变量测量值进行转换，使传感器输出的电信号转换成观测要素单位量，得到采样瞬时值；

（3）利用采样瞬时值计算出瞬时值，又称观测要素变量瞬时值；

（4）实现数据质量控制。

4.3数据处理

（1）其他要素瞬时值应在数据采样过程中得到的要素瞬时值的基础上获得，也可通过更高频率的采样过程获得的，如瞬时风计算；

（2）计算要素观测需要的统计量；计算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；

（3）采集器生成采样瞬时值数据、瞬时要素值（分钟）数据、小时正点数据和监控数据，并写入数据内存储器，同时形成相应数据文件实时写入外存储器；

（4）实现数据质量控制。

4.4数据存储

观测要素数据在采集器中存储1小时的采样瞬时值、7天的瞬时（分钟）值、1个月的正点要素值，以及相应的导出量和统计量等。

数据存储须使用循环式存储器结构，即允许最新的数据覆盖旧数据。

采集器内部的数据存储器应具备掉电保存功能。

采集的要素数据在可移动存储器（如CF卡）上以文件方式进行存储，能够存储至少6个月全要素分钟数据和1年全要素正点数据，全部数据以文件方式存入，可通过通用读卡器读取；可移动存储器应具备循环式存储结构。

4.5数据传输

农业小气候自动观测站网内的各观测站，通过有线通信方式（光纤）或无线通信方式（GPRS、CDMA、3G、4G等）实时向统一版数据中心站直接传输数据，接受中心站指令并组织上传所需的数据信息集；或通过有线通信方式（光纤）实时向本地应用管理软件传输数据，接受控制指令并组织传输所需的数据信息集。

观测站上传的数据由中心站组网软件或应用管理软件负责自动组织和保存。

数据传输采用ASCII码格式。

4.6数据格式

农业小气候观测要素的数据编码、数据传输、数据存储和上传必须按照统一的格式和标准进行（具体格式和标准见附录部分）。

4.7数据质量控制

对农业小气候自动观测站采集到的数据应进行质量控制，农业小气候自动观测站采集器嵌入式软件应具备数据质量控制功能，并能对用于数据质量检查的各要素极值范围、允许变化速率和变化率值等参数进行设置。

4.7.1采集器采集软件中的数据质量控制

对采样瞬时值的质量控制，如超越界限值的检查和处理。

采样瞬时值应在传感器的正常测量范围内。

对观测要素分钟瞬时值的质量控制，如超越界限值的检查和处理。

观测要素分钟瞬时值应在观测要素规定的最大量程范围内。

对达不到质量控制要求的数据记录进行标记，不参加相关算法处理和统计。

采样信号或观测要素瞬时值的界限值（上限/下限、有/无）等由传感器的测量范围来确定。

数据质量控制过程中，需要对采样瞬时值和瞬时观测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。

采集器采集软件中的数据质量控制规则可根据农业小气候变化规律，遵照《新型自动气象（气候）站功能规格需求书》的规定执行。

4.7.2中心站组网软件中的数据质量控制

中心站组网软件在与观测站进行通信以及对接收的数据进行处理和存储过程中，需要进行有效的数据质量控制。

在通信传输过程中，根据观测站与中心站组网软件的通信协议，检查数据传输的编码格式、校验码是否一致。

在通信协议或编码过程中，对数据的打包传输、接收解码、还原结果等进行一致性检查。

在数据处理和存储过程中，中心站组网软件在接收数据时检查数据的正确性，正确判断数据对应的日期和时间，检查数据是否超越界限。

系统判断异常的数据应予以标记；根据接收到的数据起始时间和长度进行准确定位，并将数据保存在对应的记录文件或数据库内；系统自动进行数据完整性的检查，可对最近24小时内缺失数据进行自动补传，也可由人工操作进行数据补传；通过数据质量控制阈值的统计和设计，建立数据过滤预处理模块（控制规则），设定数据质量控制阈值作为数据质量控制异常数据判别规则的参数。

4.8状态监控

每小时上传一次观测站工作状态参数集，或随时接收监控中心下达的指令上传监测站当前工作状态信息集。

包括：

交流供电状态、蓄电池电压、机箱温度、机箱门开关状态、传感器工作状态参数等。

4.9终端操作命令

终端操作命令为采集器和终端微机、中心站组网软件之间进行通信的命令，以实现对采集器各种参数的传递和设置，从采集器读取各种数据和下载各种文件。

按照操作命令性质的不同，分为监控操作命令、数据质量控制参数操作命令、观测数据操作命令。

终端命令格式详见附录一。

4.9.1监控操作命令

监控操作命令至少应包括以下内容：

（1）设置或读取数据采集器的通信参数；

（2）读取数据采集器的基本信息；

（3）数据采集器自检；

（4）设置或读取数据采集器日期；

（5）设置或读取数据采集器时间；

（6）设置或读取采集器的区站号；

（7）设置或读取观测站的纬度；

（8）设置或读取观测站的经度；

（9）设置或读取观测站的拔海高度；

（10）设置或读取地方时差；

（11）设置或读取辐射传感器灵敏度；

（12）读取数据采集器电源电压；

（13）读取数据采集器机箱温度；

（14）设置或读取各传感器状态；

（15）读取数据采集器实时状态信息；

（16）设置或读取各观测要素观测高度。

4.9.2数据质量控制参数操作命令

数据质量控制参数由采集器嵌入式软件确定，可由用户设置的操作命令应包括各传感器测量范围值和各要素的质量控制项的内容。

（1）设置或读取各