自动土壤水分观测仪功能需求书

1、自动土壤水分观测仪功能需求书中国气象局监测网络司2008年4月自动土壤水分观测仪功能需求书目录1前言.11.1目标 .11.2适用范围 .错误！未定义书签。1.3编制依据 .12组成结构 .12.1设备组成 .12.1.1概述 .12.1.2传感器 .22.1.3采集器 .22.1.4外围设备 .32.1.5软件 .32.2结构特点 .32.2.1扩展性 .32.2.2互换性 .32.2.3适用性 .43功能要求 .43.1初始化功能 .43.2数据采集功能 .43.3数据处理功能 .43.4数据存储功能 .43.4.1采集器内部的数据存储 .43.4.2外围设备的数据存储 .43.5数据传输

2、功能 .43.6质量控制功能 .53.6.1采样值的质量控制 .53.6.2测量值的质量控制 .53.7监控功能 .53.8采集器的时钟管理功能.53.9软件处理功能 .54测量技术要求 .54.1测量的土壤体积含水量.54.2测量性能要求 .54.3采样和算法 .64.3.1土壤体积含水量观测值计算方法 .64.3.2测量单位 .64.4导出量 .65传感器要求 .66供电电源要求 .66.1主电源供电要求 .61自动土壤水分观测仪功能需求书6.2备选电源供电要求 .76.3电源供电安全要求 .77防雷.77.1雷击电磁脉冲的防护 .77.1.1屏蔽措施 .77.1.2等电位连接和采用共用接

3、地系统 .77.1.3电涌保护措施 .77.2防雷装置的维护和管理.88工作环境适应性要求 .88.1气候条件 .88.2电磁抗扰度 .89设备安全性、可靠性、可维性要求.99.1设备安全性要求 .99.2设备可靠性要求 .109.2.1采用先进的成熟技术 .109.2.2产品的可靠性设计 .109.2.3数据质量控制和状态监控 .109.3设备可维修性要求 .109.4测量稳定性要求 .1010其他要求 .1010.1时钟精度和稳定性要求.1010.2功耗要求 .1010.3外观要求 .1110.4命名要求 .1110.5技术文件要求 .1111检验要求 .112自动土壤水分观测仪功能需求书

4、1 前言1.1目的为规范自动土壤水分观测仪的结构、系统功能、测量指标、采样算法、数据格式、供电电源、工作环境和设备安全可靠性等方面的要求，指导设备生产，制定本功能需求书。本功能需求书由中国气象局监测网络司委托中国气象局气象探测中心编写。本功能需求书的修改权、解释权属于中国气象局监测网络司。1.2编制依据本功能需求书参考国内外自动土壤水分探测仪器测量技术发展情况，以及国内试验考核、试用的基础上，以下列文件资料为依据进行编写的：1WMO CIMO气象仪器和观测方法指南（第六版） ；2中国气象局农业气象观测规范(1993 年) ；3自动气象站质量控制程序指南（ET AWS-4, Final Repo

5、rt, Annex 3. WMO . CBS）2 组成结构2.1设备组成概述自动土壤水分观测仪是基于现代测量技术构建，由硬件和软件组成。其硬件可分成传感器、 采集器和外围设备三部分， 其软件可分成采集软件和业务软件二种。该结构的特点是既可以与微机终端连接组成土壤水分测量系统，也可以作为土壤水分分采集系统挂接在其他采集系统上。设备组成见图 1。1土壤水分采集器第1层面第 2层面第3层面第 4层面第 5层面第6层面第 n 层面传感器自动土壤水分观测仪功能需求书有线或无线连接微 机本地局域网RS-485/232RJ-45供电单元土壤水分传感器图 1：自动土壤水分观测仪设备示意图土壤水分传感器根据输出

6、信号的特点，可分为三类：1、模拟传感器，输出模拟量的传感器；2、数字传感器，输出数字量（含脉冲和频率）信号的传感器；3、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。采集器采集器是自动土壤水分测量系统的核心。其主要功能是完成各层土壤水分传感器的采样，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，与终端微机进行交互。采集器应至少具有RS232 或 RS485 通讯接口：采集器能够具备自检、自诊断功能，至少包括以下内容：a) 电源电压状态监测；b) 传感器状态监测；2自动土壤水分观测仪功能需求书c) 通信

7、状态监测；外围设备电源电源是组成自动土壤水分观测仪的外围设备之一。市电是最常用的电源， 配有蓄电池，并对蓄电池浮充电，以备市电停电时可由蓄电池供电，也可以另外配置辅助电源（包括太阳能、风能）对蓄电池充电。12 伏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。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，按照农业气象观测规范要求完成土壤水分观测业务。通信接口：应配置 RS-232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，嵌入式软件应支持TCP/IP协议。软件采集软件采集软件支持采集器的数据采集、数据处理、数据存

8、储和数据传输功能。业务软件业务软件处理土壤水分观测业务， 是安装在与土壤水分观测仪相连接的微机中的应用软件。本功能需求书仅规定数据存储格式。2.2结构特点测量系统应具有扩展性、互换性、适用性。扩展性根据农业气象观测规范规定，可按实际需要调整观测层距，至少可观测8 层。互换性可实现同一厂家的传感器互换、采集器互换、外围设备互换；3自动土壤水分观测仪功能需求书适用性能适应不同土壤类型和不同气候类型下的自动土壤水分观测。3 功能要求3.1初始化功能操作员应可通过终端， 输入或修改采集软件要求的业务参数， 如气象站地理位置（经度、纬度、拔海高度） 、时钟、传感器参数、土壤参数等。3.2数据采集功能采集

9、器分别对挂接的传感器按预定的采样频率进行扫描， 并将获得的电信号转换成数据信号。3.3数据处理功能将数据信号按规定的采样算法处理成符合格式要求的数据文件。文件包括：正点土壤水分测量数据文件、实时土壤水分测量数据文件。3.4数据存储功能包括采集器内部的数据存储和采集器外围设备的数据存储。3.4.1采集器内部的数据存储采集器能够存储一个月的正点土壤水分体积含水量。采集器内部的数据存贮器应具备掉电保存功能。外围设备的数据存储在计算机的磁盘存储器中， 存储正点土壤水分测量数据文件、实时土壤水分测量数据文件，包括经过处理的数据、人工输入数据、质量控制情况信息（内部管理数据）等。自动土壤水分观测数据文件格

10、式要求见附件1,人工土壤相对湿度观测数据文件格式见附件2。3.5数据传输功能采集器应把数据及时传输到终端。根据响应方式的不同，可分为以下两种：a) 定时传输，在设定时间下的传输，即土壤水分自动监测仪器正常运行时的自动传输；b) 响应终端命令的传输，即人工干预下的传输。这种情况下，往往还允许通过终端或远距离设备，对采集器进行控制，如更新程序、设置参数、测试调试4自动土壤水分观测仪功能需求书等；土壤水分自动监测仪器应同时具有以上两种传输方式。自动土壤水分观测站上传数据文件格式要求见附件3。3.6质量控制功能采样值的质量控制采样值合理性 ( 粗大误差 ) 检查，验证每次采样值在正常传感器测量范围内。

11、土壤体积含水量的采样值大于60%,不参与平均值计算。测量值的质量控制a)测量值合理性检查 : 如果土壤体积含水量超出允许的界限(60%)，该值应标记成错误。b) 测量值时间一致性检查 : 验证瞬时值的变化率，可检测不真实的尖峰或跳变值，判断传感器是否损坏。3.7监控功能采集器应设置自动监测关键部件运行状况的内置式装置，如电源故障监测器、看门狗计时器和用于监测电路某些部分的测试电路。应配有相应的软件， 可在终端自动显示状态信息，用于设备的运行控制和维护。终端和采集器之间应建立完善的数据缺测检查和补收机制。3.8采集器的时钟管理功能采集器提供高精度实时时钟， 以采集器时钟为准，定时与微机终端进行校

12、时，确保系统内时间的同步。3.9软件处理功能气象业务处理功能由业务软件支持，在计算机上实现。4 测量技术要求4.1测量的土壤体积含水量基本观测项目为土壤体积含水量，选用的主要传感器为： 介电常数式土壤水分传感器4.2测量性能要求土壤水分探测仪的测量性能应遵循农业气象观测规范 和其他相关规范的5自动土壤水分观测仪功能需求书要求。重复性误差要求小于0.5%，测量性能要求见下表1，其中最大允许误差为仪器观测土壤相对湿度与人工观测土壤相对湿度之差为±5%。表 1：测量性能要求测量要素范 围分辨力最大允许误差采样频率计算平均时间土壤体积含水量0% 100%0.1%±5%1 次 / 分

13、10min4.3采样和算法土壤体积含水量观测值计算方法计算土壤体积含水量， 需每分钟采集样本，取10 分钟内 10 个采样值，按采样值质量控制程序要求对每次采样做质量控制后求平均值，此10 分钟平均值为该观测要素的观测值。测量单位土壤体积含水量（ %），保留一位小数；4.4导出量导出量的计算按照 农业气象观测规范中的规定，微机终端根据体积含水量及土壤参数计算土壤重量含水率、相对湿度、有效水分储存量。5 传感器要求土壤水分传感器应满足以下指标要求：a) 测量土壤水分范围： 0-100%b) 工作温度范围： 060c) 电源： DC12Vd) 输出：模拟量、数字量e) 分辨率： 0.1%6 供电电

14、源要求6.1主电源供电要求a) 交流供电 AC220V（ 10%-15 ）；b) 直流 DC12V；c) 后备蓄电池，可保证传感器及采集器在无交流电源下 5 天正常工作；数据采集器在交流供电中断后应仍能保存所有的数据， 即使在蓄电池电压低6自动土壤水分观测仪功能需求书到不足以维持符合质量要求的观测工作时，在中断的交流电源恢复后， 系统应能自动恢复正常工作。6.2备选电源供电要求当安装地点没有交流电源或电源不理想时，可选择太阳能、 风力等其他方式供电。6.3电源供电安全要求使用市电供电的必须有保护接地，保护接地端子应能耐强烈腐蚀，保护接地端子或接地点和要求接地的零部件之间的连接阻值应不大于0.1

15、 。市电供电时，应在电源输入端安装避雷器或电涌保护器（SPD），并有良好的安全设计。 信号输入端、 通信接口处等电缆引入采集器的地方应安装电涌保护器（ SPD）。在蓄电池电压低到不足以维持符合质量要求的观测工作时应设计低电压告警装置。7 防雷7.1雷击电磁脉冲的防护屏蔽措施传感器的信号线应采用屏蔽电缆，采用非屏蔽电缆时，应外穿金属管。电缆的屏蔽层和金属管下端应接到地网上。自动土壤水分观测仪到室内的电缆线应敷设在电缆沟内。敷设电缆沟有困难时，在入户前应穿金属管埋地，埋地水平距离宜大于 15 米，或通过无线方式输入。等电位连接和采用共用接地系统当各传感器分散布设时，应采用共用接地系统（地网），将所

16、有金属部件就近连接到该接地系统上，共用接地系统（地网）的接地电阻应不大于4。电涌保护措施供电系统的电涌保护措施：自动土壤水分观测仪采用电网或自备发电机供电时，应在交流配电盘处加装冲击通流量 Iimp 不小于 12.5kA 的 SPD；在室内微机电源用电插座上,加装标称通流量In 不小于 5kA 的信号电涌保护器 (SPD)；7自动土壤水分观测仪功能需求书在室外采集器电源用电箱内,加装标称通流量 In 不小于 20kA的信号电涌保护器 (SPD)；供电系统的电涌保护器的安装要求, 应符合将要颁布的QX2规定。信号系统电涌保护措施采集器的传感器的进口端应加装适配的信号电涌保护器(SPD)；采集器的

17、 RS-232 输出端口上应加装适配的信号电涌保护器(SPD)；采集器与局域网连接的输出端口上应加装适配的网络信号电涌保护器(SPD)；采集器与无线网或卫星连接的输出端口上应加装适配的天馈线信号电涌保护器 (SPD)；室内微机与采集器连接的输入端口上应加装适配的计算机信号电涌保护器(SPD)；信号系统电涌保护器的性能技术指标和安装要求, 应符合 QX3的规定。7.2防雷装置的维护和管理按 QX4-2000第 10 条的规定执行。8 工作环境适应性要求8.1气候条件空气温度： 35 50空气湿度： 5 100抗风能力： 75m/s抗盐雾腐蚀机械条件正弦稳态振动：位移 1.5mm加速度 5m/s

18、2频率 2 9Hz ；9200Hz非稳态振动（冲击）：峰值加速度 40m/s 28.2 电磁抗扰度要求满足下列试验内容和严酷度等级：内容试验条件8自动土壤水分观测仪功能需求书交流电源端口直流电源端口控制和信号端口电压暂降和短时中断30 0.5 周期抗扰度60 5 周期100 250 周期1.2/50 S(电压 )线对地：± 2KV线对地：± 1KV线对地：± 1KV8/20 S( 电流 )浪涌冲击抗扰度电快速瞬变脉冲群抗± 2KV 5Kz± 1KV 5Kz± 2KV 5Kz扰度射频电磁场辐射抗扰0.15 80MHz0.15 80MHz

19、0.15 80MHz度3v3v3v80 AMk（ 1KHz）80 AMk（ 1KHz）80 AMk（ 1KHz）静电放电抗扰度接触放电：± 4KV接触放电：± 4KV接触放电：± 4KV空气放电：± 8KV空气放电：± 8KV空气放电：± 8KV9 设备安全性、可靠性、可维性要求9.1设备安全性要求 安全标记及要求标记符合 GB4793.1的“设备用图形符号”要求；交流电源接入端口设“当心电击危险”安全标记；低压直流电源接入端口以红色“ +”和黑色“”标出极性，并标明额定电压值；电源开关标明电源“通” “断”位置；标明电源熔断器额定电

20、流值。 基本电器安全要求外表易触件不能为危险带电件；自动土壤水分观测仪必须有保护接地；所有电源和信号端口均应采取防感应雷击措施。交流电源初级电路与机箱间绝缘电阻2M；低压直流电源初级电路与机箱间绝缘电阻 1M；使用交流供电的自动站泄漏电流 3.5mA使用交流供电的自动站应能承受 1500V/5 mA/1 分钟的冲击耐压试验；使用交流供电的自动站应能承受 500V/5 mA/1 分钟的冲击耐压试验；9自动土壤水分观测仪功能需求书9.2 设备可靠性要求采用先进的成熟技术1）选择高可靠性能的传感器2）采用高性能的大规模集成电路3）采用先进的采集软件设计产品的可靠性设计产品要进行可靠性设计，并满足平均

21、无故障工作时间（MTBF）大于 5000 小时的要求。1) 正确选择和合理使用元器件2) 元器件降额设计3) 高质量的电源系统4) 减少接触故障的可靠性设计5) 降低系统功耗6) 产品整机老化，出厂前检验7) 基于标准化的设计数据质量控制和状态监控1) 质量控制包括采集器内部数据的质量控制。2) 提供传感器、采集器和通讯三级的状态监控。9.3 设备可维修性要求平均维修时间（ MTTR）要求： 40 分钟9.4 测量稳定性要求一年内测量值飘移不大于最大测量误差要求。运行一年后复测应满足最大测量误差要求。10 其他要求10.1 时钟精度和稳定性要求采集器实时时钟走时误差不大于15 秒/ 月。10.

22、2 功耗要求采集器应采用低功耗设计, 小于 2W。10自动土壤水分观测仪功能需求书10.3 外观要求外观应整洁，无损伤和形变，表面涂层无气泡、开裂、脱落现象。10.4 命名要求自动土壤水分观测仪应符合行业标准。10.5 技术文件要求自动土壤水分观测仪要有齐套的设计和生产图纸、文件；向用户提供包括技术说明书和安装、操作使用说明书等内容的用户手册。11 检验要求具体测试按测试大纲和现场考核评估办法实施。11自动土壤水分观测仪功能需求书附件 1：自动土壤水分观测数据文件格式自动土壤水分测量数据文件是指由数据采集器处理后，存储到计算机硬盘中的数据文件。包括正点土壤水分测量数据文件和实时土壤水分测量数据

23、文件。1、正点土壤水分测量数据文件正点土壤水分测量数据文件为SIIiii-YYYYMM.TXT，简称 S 文件，文件名中， S 为指示符；IIiii为区站号；YYYY为年份， MM为月份，不足两位时，前面补“0”； TXT 为文件扩展名，表示该文件为文本文件。 S 文件每月一个，记录采用定长类型，每一条记录196 个字节，记录尾用回车换行结束，ASCII 字符存盘，每个要素值高位不足补空格。 S 文件第一次生成时应进行初始化，初始化的过程是：首先检测S 文件是否存在，如无当月 S 文件，则生成该文件，将全月逐日逐时各要素的位置一律存入相应字长的“-”字符（即减号）。 S 文件按北京时计时。 S

24、 文件的第 1 条记录为本站当月基本参数，每项参数长为5 个字节，内容如下表：序号参数字长序号参数字长1区站号5 字节2750cm 土壤质地1 字节2年5 字节2850cm 田间持水量3 字节3月5 字节2950cm 土壤容重4 字节4经度5 字节3050cm 凋萎湿度3 字节5纬度5 字节31100cm 土壤质地1 字节6地段拔海高度5 字节32100cm 田间持水量3 字节75cm 土壤质地1 字节33100cm 土壤容重4 字节85cm 田间持水量3 字节34100cm 凋萎湿度3 字节95cm 土壤容重4 字节35180cm 土壤质地1 字节105cm 凋萎湿度3 字节36180cm

25、田间持水量3 字节1110cm 土壤质地1 字节37180cm 土壤容重4 字节1210cm 田间持水量3 字节38180cm 凋萎湿度3 字节1310cm 土壤容重4 字节395cm 土壤水分测量传感器标识1 字节1410cm 凋萎湿度3 字节4010cm 土壤水分测量传感器标识1 字节1520cm 土壤质地1 字节4120cm 土壤水分测量传感器标识1 字节1620cm 田间持水量3 字节4230cm 土壤水分测量传感器标识1 字节1720cm 土壤容重4 字节4340cm 土壤水分测量传感器标识1 字节1820cm 凋萎湿度3 字节4450cm 土壤水分测量传感器标识1 字节1930cm 土壤质地1 字节45100cm 土壤水分测量传感器标识1 字节2030cm 田间持水量3 字节46180cm 土壤水分测量传感器标识1 字节12自动土壤水分观测仪功能需求书65 字节，2130cm 土壤容重4 字节47保留用“-”填充2230cm 凋萎湿度3 字节48版本号5 字节2340cm 土壤质地1 字节49回车换行2 字节2440cm 田间持水量3 字节2540cm 土壤容重4 字节2640cm 凋萎湿度3 字节存储规定： 经度和纬度的分保留两位，高位不足补“0”，如北纬 32 度 02 分存“ 3202”。 地段拔海高度：保留一位小数，扩大10 倍存入。 各传感器