第二代自动气象站功能规格书.docx
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第二代自动气象站功能规格书
第二代自动气象站功能规格书
中国气象局监测网络司
2008年4月
目录
1前言1
1.1目标1
1.2编写原则1
1.3编写依据1
2组成结构2
2.1概述2
2.2采集器3
2.3总线7
2.4传感器8
2.5外围设备8
2.6软件9
3总线物理接口及应用层协议10
3.1物理接口10
3.2连接器10
3.3应用层协议11
4功能要求11
4.1软件初始化11
4.2数据采集11
4.3数据处理11
4.4数据存储12
4.5数据传输15
4.6数据质量控制16
4.7终端操作命令21
4.8GPS对时功能23
4.9人工输入观测资料23
4.10嵌入式软件在线升级23
5测量性能23
5.1测量的气象要素23
5.2量和单位23
5.3要求24
5.4采样和算法26
6嵌入式软件流程38
6.1采集软件流程38
6.2数据流程40
7传感器要求40
7.1气压传感器40
7.2温度测量传感器41
7.3湿度测量传感器41
7.4风测量传感器42
7.5降水测量传感器43
7.6蒸发测量传感器43
7.7红外地表测温仪44
7.8辐射测量传感器44
7.9日照测量46
7.10能见度测量传感器46
7.11土壤水分传感器46
7.12地下水位测量传感器47
7.13天气现象观测传感器47
7.14云量测量传感器47
7.15积雪深度测量传感器47
7.16冻土深度测量传感器47
7.17电线积冰测量传感器47
7.18闪电频次测量传感器47
7.19海洋测量传感器48
8供电电源要求48
9安全要求48
9.1标记要求48
9.2文件要求49
9.3结构安全49
9.4电气安全50
10工作环境适应性要求51
10.1气候条件51
10.2生物条件51
10.3化学活性物质51
10.4机械条件51
11电磁兼容性要求52
11.1电磁骚扰限值要求52
11.2电磁抗扰度要求52
12防雷要求53
12.1一般要求53
12.2直接雷击的防护措施53
12.3雷击电磁脉冲的防护53
13结构和外观要求54
13.1机械结构要求54
13.2机械强度要求54
13.3材料与涂复要求54
13.4外观要求54
14可靠性要求54
15可维性要求55
16其他要求55
16.1时钟精度要求55
16.2功耗要求55
16.3观测的时制55
16.4扩展性要求55
16.5互换性要求55
16.6传感器选型56
16.7人机界面要求56
17检验要求56
18附录56
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，做到各部件或模块互换的自适应，形成统一型号的第二代自动气象站，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
以自动气候站为基础，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。
第二代自动气象站应该做到高精度、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、通讯协议、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、统一型号的第二代自动气象站提供基础。
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《地面气象观测规范》（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
第二代自动气象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。
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。
图1总线式自动气象站结构
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。
其结构框图如图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应还应满足下列要求：
a）应综合考虑速度、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）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）数据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。
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）、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
1
蒸发量
模拟（电流）
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
业务计算机通信或远程
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）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。
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
气候观测
气温（3支）、通风防辐射罩（3组）、称重式降水量、风速（1.5米）、地表温度（红外）
1
1
5
（其中2个差分电压）
7
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
以智能传感器数定
1
智能传感器观测
地下水位、积雪、电线积冰、闪电频率
以智能传感器数定
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。
2.3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，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10km（速率5kbps）；
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RS485接口，支持本地通信。
应配置以太网接口（RJ45），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。
2.5.4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时性高、性价比好、稳定可靠的多任务实时操作系统（linux/µcos）。
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（WebConsole），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、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
第二代自动气象站的总线物理接口采用CAN总线接口，ISO11892-2对此进行了详细规定，网络结构如图4所示。
图4CAN总线网络结构
3.2连接器
连接器采用CiADR-303-1的工业级连接器中的开放形式连接器针脚标准，其结构如图5所示，针脚接线描述见表4。
图5连接器结构
表4 连接器接线描述
针脚
信号
描述
1
CAN_GND
GND或0V或V-
2
CAN_L
CAN_L线，显性为低电平
3
CAN_SHLD
CAN屏蔽（可选）
4
CAN_H
CAN_H线，显性为高电平
5
CAN_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。
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5—表11给出。
表5 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.
2min平均风向
北京时
20.
最小相对湿度
北京时
2.
2min平均风速
21.
最小相对湿度出现时间
3.
10min平均风向
22.
水汽压
4.
10min平均风速
23.
露点温度
5.
最大风速时对应风向
24.
本站气压
6.
最大风速
25.
最高本站气压
7.
最大风速出现时间
26.
最高本站气压出现时间
8.
分钟内最大瞬时风速的风向
27.
最低本站气压
9.
分钟内最大瞬时风速
28.
最低本站气压出现时间
10.
极大风速时对应风向
29.
正点分钟蒸发水位
11.
极大风速
30.
时累计蒸发量
12.
极大风速出现时间
31.
能见度
13.
时累计降水量（翻斗式或容栅式传感器）
32.
最小能见度
14.
气温
33.
最小能见度出现时间
15.
最高气温
34.
总辐射辐照度
16.
最高气温出现时间
35.
总辐射曝辐量
地方时
17.
最低气温
36.
总辐射最大辐照度
18.
最低气温出现时间
37.
总辐射最大辐照度出现时间
19.
相对湿度
表6 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
升级会员 