自动气象站六要素方案.docx
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自动气象站六要素方案
六要素区域自动气象站
1系统介绍
DZZ2型系列自动气象站是一种野外型全自动气象站。
由于该设备主要传感器，核心采集器及中心软件均由我厂独自研发、生产，因此整套系统具有很好的兼容性和一致性，能够提供和满足不同任务需要的各种系统工作模式。
它采用模块化结构设计，通过软件硬件的不同配置，并配接不同的通讯载体，可作为有线遥测站、全自动无人站使用。
适合于气象部门的基准站、基本站、一般站以及各种类型的中、小尺度自动站网络和气候自记站。
可广泛用于环保、机场、农林、海洋、水文、军事、仓储、科学研究等领域。
——使用环境广泛，可在各种恶劣自然环境下正常工作，是完全野外型自动气象站；
——可靠性高、寿命长，可长期在野外环境下连续稳定工作；
——数据采集系统精度准确，各观测数据的精度均达到国际先进水平；
——操作简便，易于安装维护和远、近程监控；
——工艺精良，具有良好的抗腐蚀性；
——低功耗，提供多种供电方式；
——先进完善的多种防雷保护设计，能有效的防治雷电干扰；
——软件：
超强兼容性、功能齐全、稳定可靠。
该软件包可以对采集器进行终端操作，诊断到采集系统底层，便于发现和分析各类深层次问题。
——数据传输主要支持基于GPRS、GSM等无线通信方式。
2组成结构
2.1概述
DZZ2自动气象站满足观测数据的高精度和高稳定性，具备高可靠性、高准确性、易维护、易备份等特点。
DZZ2自动气象站由硬件和软件两部分组成，硬件包括传感器、采集器和外围设备，软件包括采集器中软件和中心站软件（业务软件）。
外围设备主要包括电源、通信接口或设备、安装构件。
DZZ2自动气象站在采用“积木式”结构，具有一定扩展功能。
六要素站挂接的传感器为：
气温、湿度、气压、雨量、风向、风速。
图1加密自动气象观测站系统示意图
2.2数据采集器
数据采集器由传感器接口、时钟、存储器、电源变换器、信号调理电路、数据采集电路、微处理器、通信接口、防雷接口和其它一些辅助电路组成。
传感器接口
将各种气象要素测量用传感器接入，并变换成能与其他接口相匹配的信息。
时钟
高精度RTC实时时钟，能保证每月误差不超过30秒。
具备GPS时钟校准功能。
存储器
具有64M程序存储器，存放操作系统、任务程序和参数、计算程序，并能适软件升级的需要。
具有1G容量的数据存储器（支持存储卡），存放观测数据，并具备掉电保护能力。
通信接口或设备
联接采集器与计算机、计算机与中心站、采集器与中心站等的通信联接接口和设备。
能够基于RS-232、RS-485、TCP/IP协议的有线（包括SDH、VPN、PSTN等）和无线（包括DCP、GPRS、CDMA等）传输，实现自动气象站的进行现场测试、组网和中心站对运行状态远程监控和参数校检。
采集通信
采集器能够按照“采集器通信协议”提供本地业务软件或远程中心站组网软件的响应，以实现自动收集与汇总和有效的监控。
防雷
有防雷和抗干扰接地，传感器与采集器连接有防雷措施，以保证采集器在避免雷击损坏。
2.3传感器
采用以下传感器。
要素
传感器
数量
备注
气温
铂电阻（R0=100欧姆）
1
铂电阻温度传感器
湿度
HMP45D湿敏电容
1
湿敏电容湿度传感器
气压
PTB220气压传感器
1
风向
风标、七位光码盘
1
单翼风向传感器
风速
三杯风速计、光电计数
1
风杯风速传感器
雨量
翻斗式雨量计
1
翻斗式雨量传感器
2.4外围设备
电源
具备高稳定性、无干扰的系统电源。
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由此转换而成，该电压由蓄电池提供，需可配置辅助电源（太阳能、风能）对蓄电池充电。
微机
用作本地业务系统或采集器的终端，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。
一般情况下，自动气象站采取无人站方式设置，该功能由中心站软件实现。
连接电缆
传感器至数据采集器（最大至150米），采集器至主机（最大至150米）均采用屏蔽电缆连接。
使用航空密封插头。
通信接口
数据采集器配置RS485接口，支持本地通信。
配置RS232接口，以备挂接GPS授时模块和通信模块，进行现场测试或软件升级。
2.5软件
采集软件
采集器中运行的采集软件是嵌入式软件，一般由嵌入式操作系统（如实时多任务操作系统）和应用软件组成。
采集软件能够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。
中心站软件（业务软件）
中心站软件为实现加密自动气象站组网的数据通信处理的组网软件，它也是完成各加密自动气象站观测任务的业务软件，主要负责所收集的观测资料的入库、监控、共享和服务。
按照《地面气象观测数据文件和记录簿表格式》的规定形成统一的数据文件。
中心站软件对主动调取的各自动气象站子站的各种信息进行处理、进行数据质量控制、设备状态监控。
提供站网观测资料服务。
主要功能包括：
观测资料收集处理、数据入库、数据质量控制、状态监控和传输情况统计，提供基于WEB或FTP的服务，对单站采集器时钟的定时校正、实时数据上传时间频次的设定、数据的补收等。
3功能
3.1软件初始化
a）对采集器进行自检，准备存储器、外围设备；
b）可通过本地终端或中心站远程对采集器进行设置，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）建立和运行观测任务。
3.2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。
3.3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；
c）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；
d）由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；
e）实现数据质量检查。
3.4数据存储
采集器存储7天的瞬时气象（分钟）值、1月的正点气象要素值，以及相的导出量和统计量等。
瞬时气象（分钟）值存储的要素有：
本站气压、气温、、湿度（不存导出值）、瞬时极大风、1min平均风、降水量。
当前瞬时气象（分钟）值均能写入缓存区，可以实时读取。
正点数据存储的具体内容由下表给出。
序号
要素
时制
序号
要素
时制
1.
2min平均风向
北京时
15
最高气温
北京时
2.
2min平均风速
16
最高气温出现时间
3.
10min平均风向
17
最低气温
4.
10min平均风速
18
最低气温出现时间
5.
最大风速时对风向
19
相对湿度
6.
最大风速
20
最小相对湿度
7.
最大风速出现时间
21
最小相对湿度出现时间
8.
分钟内最大瞬时风速的风向
22
水汽压
9.
分钟内最大瞬时风速
23
露点温度
10.
极大风速时对风向
24
本站气压
11.
极大风速
25
最高本站气压
12.
极大风速出现时间
26
最高本站气压出现时间
13.
时累计降水量
27
最低本站气压
14.
气温
28
最低本站气压出现时间
采集器内部的数据存储器容量留有50%的余量。
采集器内部的数据存贮器具备掉电保存功能。
3.5数据传输
本地传输
有数据传输（数据传送、数据通信）的功能。
可配置终端设备（微机），将采集器数据传送到终端设备。
根据响应方式的不同，数据传输可分：
a）在自动气象站时间表控制下的传输，即自动气象站正常运行时的自动传输；
b）响终端命令的传输，即人工干预下的传输，通常由终端微机发出命令；
c）超过某个设定的气象阈值时，进入报警状态的传输。
终端微机与主采集器间的信号传输距离不小于150m。
在规定的传送距离之内，信号传送质量不因改变线缆的长度而降低。
远程通信传输
自动气象站均具备通过无线方式或网络方式进行数据远程传输的功能。
这种传输一般通过采集器的远程通信接口（RS232）外加远程通信设备（如GPRS/CDMA1X、DCP等）实现。
通过微机终端实现远程通信传输的功能通过其相的软件功能实现。
3.6数据质量控制
为保证观测数据质量，对自动气象站进行数据质量控制，包括自动气象站采集器软件、中心站或终端微机中的业务软件两部分的质量控制。
自动气象站采集器具备对用于数据质量检查的各要素极值范围参数的设置。
采集器软件中的数据质量控制
总体
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。
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；
——内部一致性检查。
采样瞬时值的质量控制
验证每个采样瞬时值，在传感器的正常测量范围内。
未超出的，标识“正确”；超出的，标识“错误”。
标识“错误”的，不可用于计算瞬时气象值。
瞬时气象值的质量控制
一个“正确”的瞬时气象值，不能超出规定的界限。
“正确”数据的判断条件见下表。
序号
气象变量
下限
上限
1
气压
400hPa
1100hPa
2
气温
-75℃
80℃
3
露点温度
-80℃
50℃
4
相对湿度
0%
100%
5
风向
0°
360°
6
风速（2分钟、10分钟）
0m/s
75m/s
7
瞬时风速
0m/s
150m/s
8
降水量（1分钟）
0mm
40mm
表中“下限”和“上限”的值以传感器的测量范围确定。
业务软件中的数据质量控制
业务软件中的数据质量检查用来检查和验证数据的完整性（integrity），即数据的完全性（completeness）、正确性（correctness）和一致性（consistency），包括下面内容：
a）极限范围的检查；
b）变化速率的检查；
c）内部一致性的检查。
3.7采集器通信协议
自动气象站与数据处理终端（包括本地及远程，以下简称终端）之间的通信协议，通过物理连接和相关通信命令实现。
通信的物理连接包括：
a）采集器与终端通过RS-232串行口直接电缆连接通信。
b）采集器通过RS-232串行口外接透明传输的无线通信模块（包括外接GPRS模块、CDMA模块等）与终端通信。
按照操作命令性质的不同，分为监控操作命令、观测数据操作命令和报警操作命令。
端口参数
端口号：
采集器采用串口1；终端端口自定义；
波特率：
1200、2400、4800、9600或更高可选，默认值为9600；
数据位：
8；
校验：
偶校验；
停止位：
1。
终端命令格式
a）各种终端命令由命令符和相参数组成，命令符由若干英文字母组成，参数可以没有，或由一个或多个组成，命令符与参数、参数与参数之间用1个半角空格分隔；
b）监控操作命令分一级和二级，若为二级命令时，一级与二级命令之间用半角空格分隔；
c）在监控操作命令中，若命令符后不跟参数，则为读取数据采集器中相参数据；
d）在计算机超级终端中，键入控制命令后，键入回车/换行键，本格式说明中用“↙”表示；
e）本格式说明中返回值用“<>”给出；
f）若无特殊说明，本部分中使用YYYY-MM-DDHH:
MM表示日期、时间格式。
监控操作命令
设置或读取数据采集器的通讯参数（SETCOM）
命令符：
SETCOM
参数：
波特率数据位奇偶校验停止位
示例：
若数据采集器的波特率为9600bps，数据位为8，奇偶校验为无，停止位为1，若对数据采集器进行设置，键入命令为：
SETCOM96008N1↙
返回值：
表示设置失败，表示设置成功。
若为读取数据采集器通讯参数，直接键入命令：
SETCOM↙
正确返回值为<96008N1>。
读取数据采集器的基本信息（BASEINFO）
命令符：
BASEINFO
参数：
生产厂家型号标识采集器序列号软件版本号
数据采集器自检（AUTOCHECK）
命令符：
AUTOCHECK
返回成功或检测失败的对象。
设置或读取数据采集器日期（DATE）
命令符：
DATE
参数：
YYYY-MM-DD（YYYY为年，MM为月，DD为日）
示例：
若对数据采集器设置的日期为2006年7月21日，键入命令为：
DATE2006-07-21↙
返回值：
表示设置失败，表示设置成功。
若数据采集器的日期为2007年10月1日，读取数据采集器日期，直接键入命令：
DATE↙
正确返回值为<2007-10-01>。
设置或读取数据采集器时间（TIME）
命令符：
TIME
参数：
HH:
MM:
SS（HH为时，MM为分，SS为秒）
示例：
若对数据采集器设置的时间为12时34分00秒，键入命令为：
TIME12:
34:
00↙
返回值：
表示设置失败，表示设置成功。
若数据采集器的时间为7时04分36秒，读取数据采集器时间，直接键入命令：
TIME↙
正确返回值为<07:
04:
36>。
设置或读取气象观测站的区站号（ID）
命令符：
ID
参数：
台站区站号（5位数字或字母）
示例：
若所属气象观测站的区站号为57494，则键入命令为：
ID57494↙
返回值：
表示设置失败，表示设置成功。
若数据采集器中的区站号为A5890，直接键入命令：
ID↙
正确返回值为。
设置或读取气象观测站的纬度（LAT）
命令符：
LAT
参数：
DD.MM.SS（DD为度，MM为分，SS为秒）
示例：
若所属气象观测站的纬度为32°14′20″，则键入命令为：
LAT32.14.20↙
返回值：
表示设置失败，表示设置成功。
若数据采集器中的纬度为42°06′00″，直接键入命令：
LAT↙
正确返回值为<42.06.00>。
设置或读取气象观测站的经度（LONG）
命令符：
LONG
参数：
DDD.MM.SS（DDD为度，MM为分，SS为秒）
示例：
若所属气象观测站的纬度为116°34′18″，则键入命令为：
LONG116.34.18↙
返回值：
表示设置失败，表示设置成功。
若数据采集器中的纬度为108°32′03″，直接键入命令：
LAT↙
正确返回值为<108.32.03>。
设置或读取气压传感器拔海高度（ALTP）
命令符：
ALTP
参数：
气压传感器拔海高度。
单位为米（m），取1位小数，当低于海平面时，前面加“-”号。
示例：
若所属自动气象站的气压传感器拔海高度为106.3m，则键入命令为：
ALTD106.3↙
返回值：
表示设置失败，表示设置成功。
若数据采集器中的气压传感器拔海高度为-10.2，直接键入命令：
ALTD↙
正确返回值为<-10.2>。
读取数据采集器机箱温度（MACT）
命令符：
MACT
参数：
机箱温度。
单位为摄氏度（℃），取1位小数。
示例：
若数据采集器机箱温度为7.2℃，直接键入命令：
MACT↙
正确返回值为<7.2>。
读取数据采集器电源电压（PSS）
命令符：
PSS
参数：
无。
返回采集器当前的供电主体和电源电压值。
返回格式见下表。
返回值
描述
AC,##.#
“AC”表示交流供电；##.#表示AC/DC变换后供给数据采集器的电源电压值，单位为伏（V），保留1位小数；“AC”与电压值之间用半角逗号分隔
DC,##.#
字符串“DC”表示蓄电池供电；##.#表示蓄电池供给数据采集器的电压值，单位为伏（V），保留1位小数；“DC”与电压值之间用半角逗号分隔
示例：
若数据采集器为蓄电池供电，其电压值为12.8，键入命令：
PSS↙
正确返回值为。
设置或读取各传感器状态（SENST）
命令符：
SENSTXXX
其中，XXX为传感器标识符，由1～3位字符组成，对关系见下表。
序号
传感器名称
传感器标识符（XXX）
序号
传感器名称
传感器标识符（XXX）
1.
气温
T
4
风速
WS
2.
降水量
RAT
5
气压
P
3.
风向
WD
6
湿敏电容传感器
U
参数：
单个传感器的开启状态。
用0或1表示，1表示传感器开启，0表示传感器关闭；当为通风防辐射罩时，0表示通风状态工作不正常，1表示正常。
示例：
若没有或停用蒸发传感器，则键入命令为：
SENSTLE0↙
返回值：
表示设置失败，表示设置成功。
若能见度传感器已启用，直接键入命令：
SENSTVI↙
正确返回值为<1>。
读取数据采集器实时状态信息（RSTA）
命令符：
RSTA
返回参数：
采集器的机箱温度电源电压各传感器状态
采集器的机箱温度、电源电压、各传感器状态返回格式分别与3.7.3.10、3.7.3.11、3.7.3.12的返回格式相同。
观测数据操作命令
返回数据一般格式
返回数据格式为数据帧，采用ASCII码，每个数据帧包括四个部分：
a）数据帧标识字符串；
b）站点区站号或代码；
c）观测数据列表；
d）结束标识符。
其中：
数据帧标识字符串用1-6个字母表示，用来标识该数据帧的类型。
结束标识符用回车/换行表示。
观测数据列表包括观测时间组、各观测数据组索引标识、观测数据组索引所对各观测数据组。
数据帧标识字符串、站点区站号或代码、观测时间、各观测数据组索引标识、观测数据组以及观测数据组之间使用半角空格作为分隔符。
观测数据组索引由0和1指示，当某个传感器没有开启或停用或无，则相的观测数据组索引置为0，否则置为1。
某个数据组的索引值为0时，则所对的观测数据组省略，否则索引值为1时，则有所对的观测数据组。
返回数据排列顺序如下表。
序号
1
2
3
4
6
7
……
n+4
内容
标识字符串
区站号或ID
观测时间
观测数据组索引
观测数据1
观测数据2
……
观测数据n
下载分钟常规观测数据（DMGD）
命令符：
DMGDYYYY-MM-DDHH:
MM
下载指定时间的分钟观测记录数据。
观测数据及排列顺序如下表。
序号
内容
格式举例
序号
内容
格式举例
1.
时间（北京时）
2006-02-2816:
43
21
相对湿度
23%输出23
100%输出100
2.
观测数据索引
共38位
22
最小相对湿度
同相对湿度
3.
气温
-0.8℃输出-8
1.2℃输出12
23
最小相对湿度出现时间
同最高气温出现时间
4.
最高气温
同气温
24
水汽压
12.3hPa输出123
5.
最高气温出现时间
16时02分输出1602
25
露点温度
同气温
6.
最低气温
同气温
26
本站气压
1001.3hPa输出10013
7.
最低气温出现时间
同最高气温出现时间
27
最高本站气压
1001.3hPa输出10013
8.
分钟降水量
0.1mm输出1
1.0mm输出10
28
最高本站气压出现时间
同最高气温出现时间
9.
2min平均风向
36°输出36
123°输出123
29
最低本站气压
同本站气压
10.
2min平均风速
2.7m/s输出27
30
最低本站气压出现时间
同最高气温出现时间
11.
10min平均风向
同2min风向
31
扩展项1
12.
10min平均风速
同2min风速
32
扩展项2
13.
最大风速的风向
同2min风向
33
扩展项3
14.
最大风速
同2min风速
34
扩展项4
15.
最大风速出现时间
同最高气温出现时间
35
扩展项5
16.
分钟内最大瞬时风速的风向
同2min风向
36
扩展项6
17.
分钟内最大瞬时风速
同2min风速
37
扩展项7
18.
极大风向
同2min风向
38
扩展项8
19.
极大风速
同2min风速
39
扩展项9
20.
极大风速出现时间
同最高气温出现时间
40
扩展项10
注：
若某记录缺测，相各要素均至少用一个“/”字符表示；
各要素极值是从上次正点后到本次采样这一时段内的极值；
降水量是当前时刻的分钟降水量。
数据记录单位：
以气象行业标准《地面气象观测规范》规定为准，返回各要素值不含小数点，具体规定如下表。
要素名
记录单位
存储规定
要素名
记录单位
存储规定
气压
0.1hPa
扩大10倍
露点温度
0.1℃
扩大10倍
温度
0.1℃
扩大10倍
降水量
0.1mm
扩大10倍
相对湿度
1%
原值
风向
１°
原值
水汽压
0.1hPa
扩大10倍
风速
0.1m/s
扩大10倍
时间
月、日、时、分
各取2位，高位不足补0
下载小时常规观测数据（DHGD）
命令符：
DHGDYYYY-MM-DDHH
下载指定时间的小时整点观测记录数据。
观测数据及排列顺序如下表。
序号
内容
格式举例
序号
内容
格式举例
1.
时间（北京时）
2006-02-2816:
43
21
相对湿度
23%输出23
100%输出100
2.
观测数据索引
共38位
22
最小相对湿度
同相对湿度
3.
气温
-0.8℃输出-8
1.2℃输出12
23
最小相对湿度出现时间
同最高气温出现时间
4.
最高气温
同气温
24
水汽压
12.3hPa输出123
5.
最高气温出现时间
16时02分输出1602
25
露点温度
同气温
6.
最低气温
同气温
26
本站气压
1001.3hPa输出10013
7.
最低气温出现时间
同最高气温出现时间
27
最高本站气压
1001.3hPa输出10013
8.
小时降水量
0.1mm输出1
1.0mm输出10
28
最高本站气压出现时间
同最高气温出现时间
9.
2min平均风向
36°输出36
123°输出123
29
最低本站气压
同本站气压
10.
2min平均风速
2.7m/s输出27
30
最低本站气压出现时间
同最高气温出现时间
11.
10min平均风向
同2min风向
31
扩展项1
12.
10min平均风速
同2min风速
32
扩展项2
13.
最大风速的风向
同2
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