【正文】 . . . .新型自動氣象（氣候）站功能需求書（修訂版）2012年8月目 錄1 前言 1 目標(biāo) 1 編寫原則 1 編寫依據(jù) 12 組成結(jié)構(gòu) 2 概述 2 采集器 3 總線 8 傳感器 8 外圍設(shè)備 9 軟件 93 總線物理接口及應(yīng)用層協(xié)議 10 物理接口 10 連接器 11 應(yīng)用層協(xié)議 114 功能要求 12 軟件初始化 12 數(shù)據(jù)采集 12 數(shù)據(jù)處理 12 數(shù)據(jù)存儲 13 數(shù)據(jù)傳輸 16 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制 17 終端操作命令 22 GPS對時功能 24 人工輸入觀測資料 24 嵌入式軟件在線升級 245 測量性能 24 測量的氣象要素 24 量和單位 25 要求 26 采樣和算法 276 嵌入式軟件流程 39 采集軟件流程 39 數(shù)據(jù)流程 407 傳感器要求 41 氣壓傳感器 41 溫度測量傳感器 42 濕度測量傳感器 42 風(fēng)測量傳感器 43 降水測量傳感器 43 蒸發(fā)測量傳感器 44 紅外地表測溫儀 45 輻射測量傳感器 45 日照測量 47 能見度測量傳感器 47 土壤水分傳感器（時域反射法：TDR法或頻域反射法：FDR法） 48 地下水位測量傳感器 48 天氣現(xiàn)象觀測傳感器 48 云量測量傳感器 48 積雪深度測量傳感器 48 凍土深度測量傳感器 49 電線積冰測量傳感器 49 閃電頻次測量傳感器 49 海洋測量傳感器 498 供電電源要求 499 安全要求 49 標(biāo)記要求 49 文件要求 50 結(jié)構(gòu)安全 51 電氣安全 5110 工作環(huán)境適應(yīng)性要求 52 氣候條件 52 生物條件 52 化學(xué)活性物質(zhì) 52 機(jī)械條件 5311 電磁兼容性要求 53 電磁騷擾限值要求 53 電磁抗擾度要求 5312 防雷要求 54 一般要求 54 直接雷擊的防護(hù)措施 54 雷擊電磁脈沖的防護(hù) 5413 結(jié)構(gòu)和外觀要求 55 機(jī)械結(jié)構(gòu)要求 55 機(jī)械強(qiáng)度要求 55 材料與涂復(fù)要求 55 外觀要求 5614 可靠性要求 5615 可維護(hù)性要求 5616 其他要求 56 時鐘精度要求 56 功耗要求 56 觀測的時制 56 擴(kuò)展性要求 57 互換性要求 57 傳感器選型 57 人機(jī)界面要求 5717 檢驗要求 5718 附錄 571 前言 目標(biāo)提高防災(zāi)減災(zāi)能力，做好應(yīng)對氣候變化工作，是黨和政府對氣象部門的根本要求，也是氣象工作者的重要責(zé)任。做好這些工作，核心是提高預(yù)報預(yù)測準(zhǔn)確率，根本是增強(qiáng)防御和減輕氣象災(zāi)害的服務(wù)能力，而綜合氣象觀測系統(tǒng)提供的準(zhǔn)確、可靠的觀測數(shù)據(jù)，是提高預(yù)報預(yù)測準(zhǔn)確率和服務(wù)能力的重要保證。為了滿足天氣、氣候需要的基本氣象資料，形成天氣、氣候要素長期、連續(xù)和穩(wěn)定可靠觀測能力，必須進(jìn)一步提升我國地面氣象觀測的自動化水平。本功能規(guī)格書編寫按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一功能、統(tǒng)一結(jié)構(gòu)、統(tǒng)一方法、統(tǒng)一規(guī)范的設(shè)計思路，做到各部件或模塊互換的自適應(yīng)，形成統(tǒng)一型號的新型自動氣象（氣候）站，達(dá)到滿足現(xiàn)有氣象觀測站的氣候觀測、天氣觀測和區(qū)域觀測業(yè)務(wù)的需要。任何生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的自動氣象站必須以此功能規(guī)格書為標(biāo)準(zhǔn)，組織研發(fā)、生產(chǎn)型號統(tǒng)一的自動氣象站，由中國氣象局組織統(tǒng)一考核通過，才能進(jìn)入列裝。 編寫原則采用當(dāng)今成熟的、穩(wěn)定的、先進(jìn)的電子測量、數(shù)據(jù)傳輸和控制系統(tǒng)技術(shù)，設(shè)計基于現(xiàn)代總線技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建的自動氣象站，滿足地面氣象觀測全要素自動觀測。新型自動氣象（氣候）站應(yīng)該做到高精度、高穩(wěn)定、易維護(hù)、低功耗、易擴(kuò)展和實時遠(yuǎn)程監(jiān)控，按照“主采集器+外部總線+分采集器+傳感器+外圍設(shè)備”的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對主/分采集器、總線結(jié)構(gòu)、傳感器、外圍設(shè)備、軟件、現(xiàn)場標(biāo)校設(shè)備的各個部分，從功能、結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)傳輸、電氣接口標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)工藝全面進(jìn)行規(guī)定。本著先粗后細(xì)，不斷完善的原則，逐步形成具備能夠統(tǒng)一型號的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)性文件。各有關(guān)附錄均為本功能規(guī)格書的重要組成部分。 編寫依據(jù)現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)對綜合氣象觀測提出了更高的要求，目前現(xiàn)有自動氣象站在觀測能力上存在著嚴(yán)重不足，同時技術(shù)落后，功能規(guī)格不統(tǒng)一，致使型號繁多。當(dāng)今現(xiàn)代電子測量和控制技術(shù)得到快速發(fā)展，我國近十年來地面氣象觀測站網(wǎng)大量使用自動氣象站和自動氣候站考核取得了許多成功的經(jīng)驗，為實現(xiàn)具備多功能、全要素、統(tǒng)一型號的新型自動氣象（氣候）站提供基礎(chǔ)。本功能規(guī)格書編寫的主要依據(jù)有。a) 中國氣象局關(guān)于發(fā)展現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)的意見；b) 綜合氣象觀測系統(tǒng)業(yè)務(wù)發(fā)展指導(dǎo)意見；c) WMO CIMO《氣象儀器和觀測方法指南（第六版）》；d) 中國氣象局《地面氣象觀測規(guī)范》（2003年）；e) 自動氣象站質(zhì)量控制程序指南（ET AWS4, FINAL REPORT, Annex 3. WMO . CBS ）f) NOAA Automated Surface Observing System（ASOS）User’s Guide 2 組成結(jié)構(gòu) 概述新型自動氣象（氣候）站基于現(xiàn)代總線技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建，采用了國際標(biāo)準(zhǔn)并遵循標(biāo)準(zhǔn)、開放的技術(shù)路線進(jìn)行設(shè)計，它由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括采集器（1個主采集器和若干個分采集器）、外部總線、傳感器、外圍設(shè)備四部分；軟件包括嵌入式軟件、業(yè)務(wù)軟件二部分。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 總線式自動氣象站結(jié)構(gòu)其中，溫濕度測量既可以使用溫濕度智能傳感器，也可將溫度、濕度傳感器直接掛接到主采集器上；稱重式降水傳感器既可采用串口方式掛接在主采集器上，也可掛接在氣候分采集器上。自動氣象站的核心是基于CAN（Controller Area Network，控制器區(qū)域網(wǎng)）總線技術(shù)和國際標(biāo)準(zhǔn)CANopen協(xié)議進(jìn)行設(shè)計，涉及物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)定義。滿足此定義和功能規(guī)格書的主/分采集器具備統(tǒng)一的物理接口和應(yīng)用接口，從而達(dá)到兼容、互換的目的。為了實現(xiàn)自動氣象站的最小配置，將基本氣象要素傳感器直接掛接在主采集器上。可以對自動氣象站進(jìn)行不同的配置，以實現(xiàn)不同觀測任務(wù)或滿足不同類別氣象觀測站的需要，以最大限度地方便維護(hù)和降低維護(hù)成本。在已建自動氣象站擴(kuò)展新的測量要素或增加傳感器時，不需要對系統(tǒng)已有的傳感器連接、布線作改動，只需要將新的分采集器和/或傳感器加入到系統(tǒng)中，并進(jìn)行簡單的軟件升級/配置。外圍設(shè)備主要包括電源、[終端]微機(jī)、通信接口和外存儲器。 采集器 主采集器主采集器是自動氣象站的核心，由硬件和嵌入式軟件組成。硬件包含高性能的嵌入式處理器、高精度的 A/D 電路、高精度的實時時鐘電路、大容量的程序和數(shù)據(jù)存儲器、傳感器接口、通信接口、CAN總線接口、外接存儲器接口、以太網(wǎng)接口、監(jiān)測電路、指示燈等，硬件系統(tǒng)能夠支持嵌入式實時操作系統(tǒng)的運(yùn)行。其結(jié)構(gòu)框如圖2所示。圖2 自動氣象站主采集器結(jié)構(gòu)主采集器嵌入式處理器的選取還應(yīng)滿足下列要求：a) 綜合考慮速度、功耗、環(huán)境要求，能支持嵌入式實時操作系統(tǒng)的運(yùn)行并具有內(nèi)置的 Watchdog 功能，采用當(dāng)前市場主流ARM9系列的32位處理器；b) 選擇 16 位以上的 A/D 轉(zhuǎn)換電路，以滿足傳感器的測量要求；c) 實時時鐘電路能保證誤差 15s/月的要求；d) 程序存儲器為非易失性的，容量滿足嵌入式軟件的容量要求，并具有 50% 的余量；e) 數(shù)據(jù)存儲器為非易失性的，容量滿足數(shù)據(jù)存儲的要求，并具有 50% 的余量；f) RAM滿足嵌入式軟件的運(yùn)行要求，并且有 30% 的余量。主采集器直接掛接的傳感器包括：氣溫、濕度、氣壓、降水量（翻斗或容柵式、大翻斗式）、風(fēng)向（10m高度）、風(fēng)速（10m高度）、總輻射、蒸發(fā)和能見度。其通道配置要求如表1所示。表1　 主采集器接入傳感器通道配置要求傳感器類型通道類型數(shù)量氣溫模擬（鉑電阻）1濕度模擬（電壓）1氣壓RS2321風(fēng)向數(shù)字（7位格雷碼）1風(fēng)速數(shù)字（頻率）1降水量數(shù)字（計數(shù)）1總輻射模擬（差分電壓）1能見度RS485或RS2321蒸發(fā)量模擬（電流）1稱重降水RS485或RS2321漸近開關(guān)數(shù)字（電平）1應(yīng)具備表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數(shù)量CAN主、分采集器通信1RS 232終端操作2RS 232GPS對時1RS 485業(yè)務(wù)計算機(jī)通信1RJ 45網(wǎng)絡(luò)通信1主采集器應(yīng)具備外接存儲器，包括：l 1 個CF 卡；l 2 個USB。主采集器應(yīng)具備監(jiān)測電路，包括：l 主板溫度測量；l 主板電源測量；l 交流供電檢測；l 主采集器機(jī)箱門狀態(tài)檢測。主采集器應(yīng)具備指示燈，包括：l 系統(tǒng)指示燈（秒閃）；l CF 卡指示燈。在線編程接口應(yīng)包括：RS 232或RJ 45。主采集器的主要有兩大功能：一是完成基本氣象要素傳感器和各個分采集器的采樣數(shù)據(jù)，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行控制運(yùn)算、數(shù)據(jù)計算處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)記錄存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和傳輸，與終端微機(jī)或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心進(jìn)行交互；二是擔(dān)當(dāng)管理者角色，對構(gòu)成自動氣象站的其他分采集器進(jìn)行管理，包括網(wǎng)絡(luò)管理、運(yùn)行管理、配置管理、時鐘管理等以協(xié)同完成自動氣象站的功能。 分采集器分采集器由硬件和嵌入式軟件組成。硬件包含高性能的嵌入式處理器、高精度的 A/D 電路、高精度的實時時鐘電路、大容量的程序存儲器、參數(shù)存儲器、傳感器接口、通信接口、CAN總線接口、監(jiān)測電路、指示燈等，硬件系統(tǒng)能夠支持嵌入式實時操作系統(tǒng)的運(yùn)行。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。分采集器嵌入式處理器的選取還應(yīng)滿足下列要求：a) 應(yīng)綜合考慮速度、功耗、環(huán)境要求，具有內(nèi)置的 Watchdog 功能；b) 應(yīng)選擇 16 位以上的 A/D 轉(zhuǎn)換電路，以滿足傳感器的測量要求；c) 實時時鐘電路應(yīng)能保證誤差 15s/月的要求；d) 程序存儲器應(yīng)為非易失性的，容量應(yīng)滿足嵌入式軟件的容量要求，并具有 50% 的余量；e) 參數(shù)存儲器應(yīng)為非易失性的，容量應(yīng)滿足數(shù)據(jù)存儲的要求，并具有 50% 的余量；f) RAM 應(yīng)滿足嵌入式軟件的運(yùn)行要求，并且有 30% 的余量。圖3 自動氣象站分采集器結(jié)構(gòu)按照氣象要素性質(zhì)的不同，分采集器劃分為：a) 基本觀測氣象要素采集器（各傳感器直接掛接在主采集器）；b) 氣候觀測分采集器；c) 輻射觀測分采集器；d) 地溫觀測分采集器；e) 土壤水分觀測分采集器；f) 云（云高、云量）、天氣現(xiàn)象、積雪、水位等智能化傳感器；g) 海洋氣象觀測分采集器；h) 溫濕度智能傳感器等。分采集器負(fù)責(zé)所接入傳感器對應(yīng)氣象要素的測量，在工作狀態(tài)對掛接的傳感器按預(yù)定的采樣頻率進(jìn)行掃描，收到主采集器發(fā)送的同步信號后，將獲得的采樣數(shù)據(jù)通過總線發(fā)送給主采集器。各分采集器的通信接口和測量通道配置如表3。表3　 各分采集器的基本配置要求分采集器至少可掛接傳感器接口數(shù)（個）測量通道（個）CAN總線RS232模擬量并行數(shù)字量頻率計數(shù)量計數(shù)量氣候觀測氣溫（3支）、通風(fēng)防輻射罩（3組）、稱重式降水量、大翻斗式雨量、風(fēng)速（）、地表溫度（紅外）115（其中2個差分電壓）71輻射觀測總輻射、直接輻射、反射輻射、散射輻射、紫外輻射A、紫外輻射B、大氣長波輻射（含腔件溫度）、光合有效輻射、地球長波輻射（含腔件溫度）、日照1112（其中10個差分電壓）地溫觀測地表溫度（鉑電阻）、草面溫度、土壤溫度（5cm、10cm、15cm、20cm、40cm、80cm、160cm、320cm）1112（差分）土壤水分觀測5cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、100cm、180cm等層次1112（差分電壓）海洋氣象觀測表層海水溫度、海鹽、海表波高、海表流速流向、水質(zhì)、浮標(biāo)方向11智能傳感器觀測溫濕度、地下水位、積雪、電線積冰、閃電頻率11分采集器應(yīng)具備監(jiān)測電路，包括：l 主板溫度測量；l 主板電源測量。分采集器應(yīng)具備指示燈，包括：l 系統(tǒng)運(yùn)行指示燈；l CANopen 操作指示燈；l CANopen 錯誤指示燈；l 分采集器應(yīng)提供在線編程接口：RS 232。分采集器能夠監(jiān)測自身的工作狀態(tài)，至少包括以下內(nèi)容：a) 主板溫度；b) 工作電壓；c) 傳感器狀態(tài)。在不更改任何硬件設(shè)備的前提下，可以通過本地終端對分采集器嵌入式軟件進(jìn)行版本升級。 溫濕分采溫濕分采由硬件和嵌入式軟件組成。硬件包含高性能的嵌入式處理器、高精度的 A/D 電路、參數(shù)存儲器、傳感器接口、CAN總線接口、RS232通信接口、監(jiān)測電路、指示燈。溫濕分采的選取還應(yīng)滿足下列要求：a) 應(yīng)綜合考慮速度、功耗、環(huán)境要求，具有內(nèi)置的 Watchdog 功能；b) 應(yīng)選擇 16 位以上的 A/D 轉(zhuǎn)換電路，以滿足傳感器的測量要求；c) 參數(shù)存儲器應(yīng)為非易失性的，容量應(yīng)滿足數(shù)據(jù)存儲的要求。溫濕分采負(fù)責(zé)氣溫和濕度（百葉箱）的測量，在工作狀態(tài)對掛接的傳感器按預(yù)定的采樣頻率進(jìn)行掃描，收到主采集器發(fā)送的同步信號后，將獲得的采樣數(shù)據(jù)通過總線發(fā)送給主采集器。其基本配置要求見表4。表4　 溫濕分采基本配置智能傳感器至少可掛接傳感器接口數(shù)（個）測量通道（個）CAN總線RS23