【正文】 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?？梢詫ψ詣託庀笳具M(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。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)的運行。其通道配置要求如表1所示。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。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)的運行。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。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)。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。溫濕分采應(yīng)具備指示燈，包括：a) 系統(tǒng)運行指示燈；b) CANopen 錯誤指示燈；c) 應(yīng)提供在線編程接口：RS 232?？偩€標(biāo)準(zhǔn)為ISO11898，物理介質(zhì)可以為雙絞線、光纖等。傳感器的種類和數(shù)量根據(jù)實際需要測量的要素確定。 通信接口主采集器應(yīng)配置RS 485接口，支持本地通信。 軟件 嵌入式軟件主/分采集器中運行的軟件稱嵌入式軟件，由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成。分采集器的軟件要實現(xiàn) CANopen 從站協(xié)議，包括接受 NMT 管理、同步信號接收、心跳消息服務(wù)、PDO 發(fā)送、SDO 服務(wù)、TimeStamp 接收，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，包括：a) 對傳感器按預(yù)定的采樣頻率進(jìn)行掃描和將獲得的電信號轉(zhuǎn)換成微控制器可讀信號，得到氣象變量測量值序列；b) 對氣象變量測量值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使傳感器輸出的電信號轉(zhuǎn)換成氣象單位量，得到采樣瞬時值。3 總線物理接口及應(yīng)用層協(xié)議 物理接口新型自動氣象（氣候）站的總線物理接口采用 CAN 總線接口，ISO 118922 對此進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議由CAN控制器在硬件上實現(xiàn)。 數(shù)據(jù)采集a) 對傳感器按預(yù)定的采樣頻率進(jìn)行掃描和將獲得的電信號轉(zhuǎn)換成微控制器可讀信號，得到氣象變量測量值序列；b) 對氣象變量測量值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使傳感器輸出的電信號轉(zhuǎn)換成氣象單位量，得到采樣瞬時值；c) 對采樣瞬時值，根據(jù)規(guī)定的算法，計算出瞬時氣象值，又稱氣象變量瞬時值；d) 實現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。瞬時氣象（分鐘）值存儲的要素有：本站氣壓、氣溫（有氣候觀測時存3組數(shù)據(jù)）、通風(fēng)防輻射罩的通風(fēng)速度（3組數(shù)據(jù)）、濕度（不存導(dǎo)出值）、瞬時極大風(fēng)（風(fēng)向/風(fēng)速，）、1min平均風(fēng)（風(fēng)向/風(fēng)速，）、降水量（包括翻斗式或容柵式和稱重式傳感器）、地表溫度（包括鉑電阻和紅外地溫傳感器）或海水表層溫度、能見度、各種輻射觀測要素輻照度、長波輻射表腔體溫度，除累計值的要素外，其余要素均需同時存儲采樣瞬時值的標(biāo)準(zhǔn)差值。采集器內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器容量應(yīng)留有50%的余量，具體可以在考核要素確定后規(guī)定一個量化的最小值。在微機(jī)的磁盤存儲器中，存儲全部需要存儲的數(shù)據(jù)，包括經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)、人工輸入數(shù)據(jù)、質(zhì)量控制情況信息（內(nèi)部管理數(shù)據(jù)）等。多數(shù)應(yīng)用場合，自動氣象站同時具有以上三種傳輸方式。 遠(yuǎn)程通信傳輸自動氣象站應(yīng)具備通過無線方式或網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)墓δ?。自動氣象站主采集器?yīng)具備對用于數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查的各要素極值范圍、允許變化速率和變化率值等參數(shù)的設(shè)置。 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)識數(shù)據(jù)質(zhì)量控制過程中，需要對采樣瞬時值和瞬時氣象值是否經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量控制以及質(zhì)量控制得結(jié)果進(jìn)行標(biāo)識，這種標(biāo)識用于定性描述數(shù)據(jù)置信度。1“存疑”：不可信的。8 “缺失”：缺失數(shù)據(jù)。其判斷條件見表14。 變化速率檢查驗證相鄰采樣瞬時值之間的變化量，檢查出不符合實際的跳變。該規(guī)程的執(zhí)行結(jié)果是，如果發(fā)生大的噪聲，將有一個或二個連續(xù)的采樣瞬時值不能用于計算?！罢_”數(shù)據(jù)的判斷條件見表15。（）6.風(fēng)速（2分鐘、10分鐘）0 m/s75 m/s10 m/s20 m/s7.瞬時風(fēng)速0 m/s150 m/s10 m/s20 m/s8.降水量（） （1min）0 mm10mm9.降水量（） （1min）0 mm30mm10.草面溫度90 ℃90 ℃5 ℃10 ℃11.地表溫度90 ℃90 ℃5 ℃10 ℃ ℃（雪融過程中會產(chǎn)生等溫情況）12.5cm地溫80 ℃80 ℃2 ℃5 ℃可能很穩(wěn)定13.10cm地溫70 ℃70 ℃1 ℃5 ℃14.15cm地溫60 ℃60 ℃1 ℃3 ℃15.20cm地溫50 ℃50 ℃ ℃2 ℃16.40cm地溫45 ℃45 ℃ ℃ ℃17.80cm、160cm、320cm地溫40 ℃40 ℃ ℃ ℃18.總輻射0 W/m22000 W/m2800 W/m21000 W/m219.凈全輻射20.直接輻射0 W/m21400 W/m2800 W/m21000 W/m221.散射輻射0 W/m21200 W/m2800 W/m21000 W/m222.反射輻射0 W/m21200 W/m2800 W/m21000 W/m223.大氣長波輻射24.地球長波輻射25.光合有效輻射26.紫外輻射UVA0 W/m2200 W/m250 W/m290 W/m227.紫外輻射UVB0 W/m2100 W/m220 W/m230 W/m228.日照時數(shù)0 min1 min29.能見度0 m70km30.蒸發(fā)量0 mm100 mm31.土壤體積含水量0%100%待定待定32.地下水位33.云高34.云量35.積雪深度300 cm36.電線積冰厚度01000 mm37.電線積冰冰層密度38.表層海水溫度39.表層海水鹽度40.表層海水電導(dǎo)率41.波高42.波向43.流速44.潮高45.海水濁度46.海水葉綠素濃度47.擴(kuò)展項　　　　表中“下限”和“上限”的值是可以根據(jù)季節(jié)和自動氣象站安裝地的氣候條件進(jìn)行設(shè)置的，可以分三種情況：a) 根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驑O值作適當(dāng)放寬，確定每個要素“正確”數(shù)據(jù)的下限和上限；b) 以傳感器的測量范圍定為每個要素“正確”數(shù)據(jù)的下限和上限；c) 設(shè)置寬范圍和通用的值。a) 瞬時氣象值的“最大允許變化速率”當(dāng)前瞬時氣象值與前一個值的差大于表14中“存疑的變化速率”，則當(dāng)前瞬時氣象值通不過檢查，標(biāo)識為“存疑”。b) 瞬時氣象值的“［過去60 min］最小應(yīng)該變化的速率”由表10可知，瞬時氣象值的示值更新周期都為1 min，也就是說瞬時氣象值每分鐘都被接受檢查。 內(nèi)部一致性檢查用于檢查數(shù)據(jù)內(nèi)部一致性的基本算法是基于兩個氣象變量之間的關(guān)系。 業(yè)務(wù)軟件中的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制業(yè)務(wù)軟件中的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查用來檢查和驗證數(shù)據(jù)的完整性（integrity），即數(shù)據(jù)的完全性（pleteness）、正確性（correctness）和一致性（consistency），包括下面內(nèi)容：a) 極限范圍的檢查；b) 變化速率的檢查；c) 內(nèi)部一致性的檢查。按照操作命令性質(zhì)的不同，分為監(jiān)控操作命令、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制參數(shù)操作命令、觀測數(shù)據(jù)操作命令和報警操作命令。a) 設(shè)置或讀取各傳感器測量范圍值；b) 設(shè)置或讀取各要素質(zhì)量控制參數(shù)。 人工輸入觀測資料配置［終端］微機(jī)的自動氣象站，應(yīng)編制交互式終端程序，允許觀測員輸入和編輯人工觀測的資料。 量和單位主要氣象要素的量和單位名稱及其符號按表16確定。5風(fēng)速WS米每秒m/s6降水量R毫米mm降水強(qiáng)度（precipitation intensity）（又名降水率）的單位名稱及符號是：毫米每分（mm/min）。常見的氣象要素觀測性能要求見表17。℃（氣候觀測）相對濕度5%～100%1%177。3176。（+）m/s降水量 ：雨強(qiáng)0～4mm/min177。5%（＞10mm）稱重：0～400mm177?！婕t外地表溫度50℃～80℃℃177。總輻射0～1400 W/m25 W/m2177。1%（日累計）散射輻射5 W/m2177。5%（日累計）UVB0200 W/m2 W/m2177。10%（日累計）大氣長波輻射02000 W/m21 W/m2177。2%（＞10mm）土壤水分0100%土壤體積含水量%177。10%（≤1500m）177。海溫032℃℃177。表層海洋面流速潮高1cm海水濁度1NTU（散射濁度單位）海水葉綠素濃度1μg/L 采樣和算法 采樣頻率各要素的采樣頻率及氣象值的計算見表18。分采集器按規(guī)定的時序要求對其掛接的各要素傳感器進(jìn)行采集，將采樣到的數(shù)據(jù)立即通過CANopen協(xié)議發(fā)送到CAN總線。 滑動平均法a) 計算公式 （2）式中：——第 次計算的氣象變量的平均值；——第 個樣本值，其中，“錯誤”、“可疑”等非“正確”的樣本應(yīng)丟棄而不用于計算；——在移動著的平均值時間區(qū)間內(nèi)的第 1 個樣本： 當(dāng)時， 當(dāng)時；N是平均值時間區(qū)間內(nèi)的樣本總數(shù)，由采樣頻率和平均值時間區(qū)間決定；m——在移動著的平均值時間區(qū)間內(nèi)“正確”的數(shù)據(jù)樣本數(shù)。——觀測時段內(nèi)單位矢量在 x 軸（西東方向）上的平均分量。b) 平均風(fēng)向的修正應(yīng)根據(jù)、的正負(fù)，對進(jìn)行修正。c) 適用場合3s平均風(fēng)向、1min平均風(fēng)向、2min平均風(fēng)向、10min平均風(fēng)向等氣象變量平均值的計算。在50~50℃范圍內(nèi)時，℃； 在小于50和大于50℃℃。D12 = | T1 – T2|D23 = | T2 – T3|D31 = | T3 – T1|其中，T1，T2，T3分別為3支溫度傳感器的1min平均溫度（即瞬時值），D12，D23，D31分別為兩兩之間的差值（℃），若瞬時氣溫值出現(xiàn)缺失，相關(guān)Dij按缺失處理。a) 如果Dij均在允許范圍之內(nèi)，取T1，T2，T3的中間值作為結(jié)果。第四步：通風(fēng)速度的處理。如果所有Dij都不在允許范圍之內(nèi)，結(jié)果標(biāo)識為缺測。當(dāng)沒有Fi≥Fci時：結(jié)果標(biāo)識為缺測。 2min平均值以1min為時間步長，取每整秒的瞬時值，對2min內(nèi)的“正確”的瞬時值計算平均值，應(yīng)有大于 75％（3/4）的瞬時值可用于計算2min平均值，若不符合這一質(zhì)量控制規(guī)程，則當(dāng)前2min平均值標(biāo)識為“缺失”。 翻斗式或容柵式降水量 1min累計值對傳感器 1min內(nèi)的輸出脈沖或累計量進(jìn)行計數(shù)得到。通用的算法為：1h內(nèi) 60 個1min累計值中的“正確”的 1min累計值的累計值。實時給出的是當(dāng)前小時內(nèi)的累計值，由當(dāng)時分鐘的平均水位與本小時開始分鐘的平均水位差。 土壤水分、地下水位 1min平均值對1min內(nèi)的“正確”的采樣值計算平均值，應(yīng)有大于 66％（2/3）的采樣瞬時值可用于計算瞬時值，若不符合這一質(zhì)量控制規(guī)程，則當(dāng)前瞬時值標(biāo)識為“缺失”。 地下水位 1min平均值對1min內(nèi)的“正確”的采樣值計算平均值，應(yīng)有大于 66％（2/3）的采樣瞬時值可用于計算瞬時值，若不符合這一質(zhì)量控制規(guī)程，則當(dāng)前瞬時值標(biāo)識為“缺失”。要求計算：1min平均海平面氣壓。要求計算：1min平均露點溫度。要求計算：1min水平面直接輻射輻照度、1min本站氣壓P與太陽高度角HA。 土壤相對濕度由土壤體積含水量導(dǎo)出。 （7）式中：——土壤水分貯存量，單位是毫米（mm）；——土層厚度，單位是厘米（cm）；——干土壤體積密度，單位是克每立方厘米（g/cm3）；——土壤重量含水量，單位是百分率（％）。 日照時間用太陽直接輻射表間接測算日照時間，輻照度≥120