新型自动气象气候站功能需求书修订版.docx

1、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、统一规范的设计思路，做到各部件或模

2、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

3、、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

4、。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) WMO CIMO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范（2003年）；e) 自动气象站质量控制程序指南（ET AWS-4, FINAL REPORT, Annex 3. WMO . CBS ）f) NOAA Automated Surface Observing System（ASOS）Users Guide 1998.32 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

5、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（Controller Area Network，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

6、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

7、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内置的 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

8、；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RS2321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RS2321蒸发量模拟（电流）1称重降水RS485或RS2321渐近开关数

9、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1RS 232终端操作2RS 232GPS对时1RS 485业务计算机通信1RJ 45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：RS 232或RJ 45。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、

10、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，具有内置的 Watch

11、dog 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；

12、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）115（其中2个差分电压）71辐射观测总辐射

13、、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1112（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）1112（差分）土壤水分观测5cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、100cm、180cm等层次1112（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11智能传感器观测温湿度、地下水位、积雪、电线积冰、闪电频率11分采集器应具备监测电路，包括： 主板温度测

14、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：RS 232。分采集器能够监测自身的工作状态，至少包括以下内容：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

15、求，具有内置的 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）112温湿分采应具备监测电路，包括主板电源测量。温湿分采应具备指示灯，包括：a) 系统运行指示灯；b

16、) CANopen 错误指示灯；c) 应提供在线编程接口：RS 232。温湿分采应能够监测自身的工作状态，至少包括以下内容：a) 工作电压；b) 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温湿分采嵌入式软件进行版本升级和测量参数订正。2.3 总线主采集器和分采集器或部分智能传感器之间采用CAN总线方式实现双工通信。总线标准为ISO-11898，物理介质可以为双绞线、光纤等。CAN 总线的特性如下：a) 支持多主方式，可以实现系统冗余或热备份；b) 可靠的错误处理和检错机制，错误严重的节点可自动关闭输出，发送的信息遭到破坏后可自动重发，网络具备很高的可靠性；c) 非破坏总线仲裁

17、，允许多个节点同时发送信息，极高的总线利用率；d) 可实现点对点、一点对多点及全局广播， 无需专门的“调度”；e) 直接通信距离最远达10 km（速率5 kbps）；f) 最高通信速率可达1Mbps（此时通信距离最远40m）；g) 通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，抗干扰能力强；h) 规定了数据链路层通信协议，且完全由硬件实现，设计人员无需再为此开发相关软件（Software）或固件（Firmware）； i) CAN总线具有较高的性价比结构简单、器件容易购置且价格便宜、开发技术容易掌握。2.4 传感器自动气象站使用的传感器，根据输出信号的特点，可分三类：a) 模拟传感器：输出模拟量信号的传

18、感器；b) 数字传感器：输出数字量（含脉冲和频率）信号的传感器；c) 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。模拟传感器、数字传感器、智能传感器连接到主采集器或分采集器，符合自动气象站总线接口的智能传感器可以直接挂在总线上作分采集器使用。传感器的种类和数量根据实际需要测量的要素确定。2.5 外围设备2.5.1 电源电源是组成自动气象站的外围设备之一。12V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，该电压由蓄电池提供，需另外配置辅助电源（太阳能、风能）对蓄电池充电。2.5.2 微机即微型计算机，常用作采集器

19、的终端实现对采集器的监控、数据处理和存储，按照业务规范完成地面气象观测业务。2.5.3 通信接口主采集器应配置RS 485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，可用于现场诊断维护或者是接入局域网提供WEB服务控制台。应配置RS 232接口，以备挂接GPS授时模块和通信模块（无线或光电转换器），进行数据传输、现场测试或软件升级。2.5.4 外存储器采集器应具备通过外扩存储器（卡）的方式扩大本地数据存储能力，并将采集数据以文件方式进行存储。2.6 软件2.6.1 嵌入式软件主/分采集器中运行的软件称嵌入式软件，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

20、时性高、性价比好、稳定可靠的多任务实时操作系统（linux /cos）。在主采集器中，嵌入式软件建立在实时多任务操作系统的基础上，主要功能是：a) 实现CANopen主站协议，包括 NMT 管理、心跳消息检测、同步信号发送、PDO 发送和接收、SDO 服务、TimeStamp 发送；b) 主采集器要在内部存储器和外部存储卡上实现 FAT 文件系统，存储数据文件、参数文件、配置文件、日志文件等；c) 主采集器应具备 GPS 自动对时功能，保证时间误差不大于1s，GPS对时功能失效时应提供报警功能；d) 应实现基本的数据采集、数据处理、数据存储和数据传输功能；e) 建立Web控制台（Web Con

21、sole），实现远程参数的设置、数据监视、数据文件下载、主采集器复位等功能。分采集器的软件要实现 CANopen 从站协议，包括接受 NMT 管理、同步信号接收、心跳消息服务、PDO 发送、SDO 服务、TimeStamp 接收，实现数据采集，包括：a) 对传感器按预定的采样频率进行扫描和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；b) 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。通过 CANopen 协议将采样数据发送到 CAN 总线。2.6.2 业务软件业务软件是安装在自动气象站微机中的应用软件，其主要功能：a) 实现对主采集器参数设置

22、、数据采集、各种报警和自动气象站运行监控；b) 实现自动气象站数据的实时上传；c) 从采集器或外存储器读取数据或数据文件形成规定的采集数据文件；d) 实现对采集数据文件内容的查询、检索；e) 实现数据质量控制；f) 生成基本分析加工产品；g) 完成地面气象观测业务。业务软件另行编制，本功能规格书仅规定监控功能和命令格式，见附录2。3 总线物理接口及应用层协议3.1 物理接口新型自动气象（气候）站的总线物理接口采用 CAN 总线接口，ISO 11892-2 对此进行了详细规定，网络结构如图4所示。图4 CAN总线网络结构3.2 连接器连接器采用 CiA DR-303-1的工业级连接器中的开放形式

23、连接器针脚标准，其结构如图5所示，针脚接线描述见表5。图5 连接器结构表5连接器接线描述针脚信号描述1CAN_GNDGND 或 0V 或 V-2CAN_LCAN_L线，显性为低电平3CAN_SHLDCAN 屏蔽（可选）4CAN_HCAN_H线，显性为高电平5CAN_V+CAN 收发器或光隔的电源（可选）3.3 应用层协议主采集器和分采集器是CAN总线上的节点，它们之间的通信遵循CAN数据链路层协议和CANopen 应用层协议，实现网络管理服务和报文传送。CAN总线标准已规定了数据链路层协议，目前为CAN2.0。数据链路层协议由CAN控制器在硬件上实现。主采集器和各分采集器通信协议的规定见附录1

24、。4 功能要求4.1 软件初始化4.1.1 主采集器a) 对主采集器进行自检，准备存储器、外围设备；b) 观测员可通过本地终端对主采集器设置，并修改所有保证自动气象站正常运行所必需的业务参数缺省值，包括观测站基本参数、传感器参数、通信参数、质量控制参数、气象报警阈值等；c) 与各分采集器建立通信联系，进行必要的设置；d) 建立和运行观测任务。4.1.2 分采集器a) 对分采集器进行自检，准备外围设备；b) 与主采集器建立通信联系，接受必要的参数设置；c) 建立并运行本采集器观测任务。4.2 数据采集a) 对传感器按预定的采样频率进行扫描和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

25、序列；b) 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；c) 对采样瞬时值，根据规定的算法，计算出瞬时气象值，又称气象变量瞬时值；d) 实现数据质量检查。4.3 数据处理a) 导出气象观测需要的其他气象变量瞬时值；这种导出通常是在数据采集获得的气象变量瞬时值的基础上进行的，也有通过更高频率的采样过程获得的，如瞬时风计算；b) 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；c) 由主采集器生成采样瞬时值数据、瞬时气象值（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

26、写入外存储器（各文件格式见附录3）；d) 实现数据质量检查。4.4 数据存储4.4.1 采集器内部主采集器存储1小时的采样瞬时值、7天的瞬时气象（分钟）值、1月的正点气象要素值，以及相应的导出量和统计量等。采样瞬时值存储与相应要素的采样频率有关。瞬时气象（分钟）值存储的要素有：本站气压、气温（有气候观测时存3组数据）、通风防辐射罩的通风速度（3组数据）、湿度（不存导出值）、瞬时极大风（风向/风速，有气候观测时另存1.5m风速）、1min平均风（风向/风速，有气候观测时另存1.5m风速）、降水量（包括翻斗式或容栅式和称重式传感器）、地表温度（包括铂电阻和红外地温传感器）或海水表层温度、能见度、各

27、种辐射观测要素辐照度、长波辐射表腔体温度，除累计值的要素外，其余要素均需同时存储采样瞬时值的标准差值。全要素当前瞬时气象（分钟）值均应能写入缓存区，可以实时读取。正点数据存储的具体内容由表6表12给出。表6基本气象观测要素正点数据存储内容序号要素时制序号要素时制1. 2 min平均风向北京时21. 最小相对湿度北京时2. 2 min平均风速22. 最小相对湿度出现时间3. 10 min平均风向23. 水汽压4. 10 min平均风速24. 露点温度5. 最大风速时对应风向25. 本站气压6. 最大风速26. 最高本站气压7. 最大风速出现时间27. 最高本站气压出现时间8. 分钟内最大瞬时风速

28、的风向28. 最低本站气压9. 分钟内最大瞬时风速29. 最低本站气压出现时间10. 极大风速时对应风向30. 正点分钟蒸发水位11. 极大风速31. 时累计蒸发量12. 极大风速出现时间32. 1min平均能见度13. 时累计降水量（翻斗式或容栅式传感器）33. 10min平均能见度14. 时累计降水量（大翻斗式）34. 最小10min平均能见度15. 气温35. 最小10min平均能见度出现时间16. 最高气温17. 最高气温出现时间37. 总辐射辐照度地方时18. 最低气温38. 总辐射曝辐量19. 最低气温出现时间39. 总辐射最大辐照度20. 相对湿度40. 总辐射最大辐照度出现时间

29、表7 气候观测要素正点数据存储内容序号要素时制序号要素时制1. 气温北京时11. 最大风速（1.5m高）北京时2. 最高气温12. 最大风速出现时间（1.5m高）3. 最高气温出现时间13. 分钟内最大瞬时风速（1.5m高）4. 最低气温14. 极大风速（1.5m高）5. 最低气温出现时间15. 极大风速出现时间（1.5m高）6. 正点1min平均通风速度16. 地表温度（红外传感器）7. 时累计降水量（翻斗或容栅式）17. 最高地表温度（红外传感器）8. 时累计降水量（称重式）18. 最高地表温度出现时间（红外传感器）9. 2 min平均风速（1.5m高）19. 最低地表温度（红外传感器）10. 10 min平均风速（1.5m高）20. 最低地表温度出现时间（红外传感器）表8 地温观测要素正点数据存储内容序号要素时制序号要素时制1. 草面温度北京时10. 最低地表温度出现时间北京时2. 最高草面温度11. 5cm地温3. 最高草面温度出现时间12. 10cm地温4. 最低草面温度