自动气象站在线核查标准器

PAGE1自动气象站在线核查标准器功能规格需求书（初稿）湖南省气象技术装备中心2021年6月-PAGEII-目录TOC\o"1-2"\h\z\u45671前言 110771.1目的 1129881.2适用范围 1190641.3编写依据 2155482组成结构 238932.1概述 2232792.2传感器 3126682.3数据采集单元 4141022.4通信传输模块 4100422.5供电单元 4158472.6外围部件 5181122.7软件 5325203功能要求 5290353.1初始化和参数设置 5198353.2数据采样和算法 6206843.3数据处理 6114643.4数据存储 686313.5数据传输 6143843.6时钟管理功能 795073.7数据接口格式 7237163.8终端操作命令 7196554测量性能 7172454.1测量类型 7107044.2量和单位 7312994.3指标要求 856805结构要求 842365.1基本要求 854435.2安全要求 9207825.3机械强度要求 938205.4接线要求 9210265.5材料与涂覆要求 9246676供电电源要求 1016787环境适应性要求 10225398可靠性、可维性和稳定性 10131238.1可靠性要求 1078768.2可维性要求 10246328.3测量稳定性要求 11239749包装、运输、安装要求 11304489.1包装要求 11126759.2运输要求 11319749.3安装要求 111589310其他要求 12472210.1时钟精度要求 12199910.2功耗要求 122503110.3技术文件要求 121264110.4检定要求 12PAGE12前言目的目前国家级自动气象站的计量依托于省级气象仪器计量站，已实现了传感器的日常检定工作。区域自动气象站依托于地市级移动校准维修系统，开展传感器的现场核查。自动气象站一般检定（核查）周期为1～2年，而自动气象站是全天24小时在线运行，对传感器准确性影响很大，检定（核查）周期之间的传感器性能无法确定。建设自动气象站在线核查标准器，可以在不影响自动气象站运行的情况下验证传感器性能是否满足要求，更好地保证自动气象站数据稳定可靠。编写本功能需求书主要目的在于进一步规范在线核查标准器研发和生产行为，为仪器设计定型和开展试验提供依据。随着气象仪器性能和在线核查技术的逐步发展，功能需求书还将进一步完善。本功能需求书由湖南省气象技术装备中心组织编写。适用范围1.2.1在线核查对象自动气象站在线核查标准器涉及的核查对象包括：自动气象站、区域自动气象站的温度、湿度、气压、风向、风速等要素，同时需为其他观测设备在线核查预留接口。另外雨量传感器仍采用《区域自动气象站现场核查方法》（试行）中提出的现场核查方式，即采用雨量校准仪进行现场核查，技术指标参见《区域自动气象站现场核查方法》（试行），在本功能需求书中不作说明。1.2.2使用用户主要用户为省、市级计量技术人员。本功能需求书所规定的在线核查标准器采用积木式结构，具备五要素自动气象站基本功能且各传感器技术指标优于国家级自动气象站，具有体积小、重量轻、便于运输和人工携带、架设方便快捷等特点。同时，还具有观测要素扩展性强、功耗低、可使用多种组合方式供电、支持多种通信方式等特点。本功能需求书规定了在线核查标准器在组成结构、功能、测量性能、采样和算法、供电电源、工作环境、安全、可靠性和可维护性等要求，为设备制造单位提供设计和生产的依据。编写依据本功能规格需求书参考《区域自动气象站现场核查方法》（试行）、各气象传感器检定规程以及国内外核查标准器发展情况，在国内气象部门对自动气象站现场核查的基础上，以下列文件资料为依据进行编写的：中国气象局，《地面气象自动观测规范（第一版，2019年9月）》；中国气象局，《新型自动气象（气候）站功能规格书（2010）》；中国气象局，《区域自动气象站现场核查方法》（试行，2014）中国气象局，JJG(气象)005-2015自动气象站翻斗式雨量传感器检定规程中国气象局，JJG(气象)001-2015自动站气压传感器检定规程中国气象局，JJG(气象)002-2015自动气象站铂电阻温度传感器检定规程中国气象局，JJG(气象)003-2011自动气象站湿度传感器检定规程中国气象局，JJG(气象)004-2011自动气象站风向风速传感器检定规程组成结构概述在线核查标准器由硬件和软件两部分组成。硬件包括温度、湿度、气压、风向、风速气象要素标准传感器、数据采集单元、通信传输模块、供电单元及支架等，软件为采集器嵌入式软件、本地终端操作软件。在线核查标准器的逻辑结构如下图1。RS232RS232通信传输模块湿度标准传感器数据采集单元供电单元外围部件温度标准传感器风速标准传感器雨量校准仪风向标准传感器气压标准传感器本地显示软件在线核查软件自动气象站在线核查标准器逻辑结构框图在线核查标准器的设计应考虑：=1\*GB2⑴体积小，重量轻，便于运输和人工携带；=2\*GB2⑵架设方便，稳固安装，能快速投入在线核查；=3\*GB2⑶使用高精度传感器，测量结果准确可靠；=4\*GB2⑷低功耗，采用锂电池供电；=5\*GB2⑸支持多种通信方式，支持本地或远程传输数据；=6\*GB2⑹设备运行稳定可靠。传感器在线核查标准器使用的传感器，可以根据核查需求，分为标准配置传感器和扩展配置传感器两类：可配置的传感器种类及观测要素配置观测要素标准空气温度、空气湿度、风速、风向、大气压力扩展例如：地温等在线核查标准器基本配置为五要素（温、湿、风向、风速、压）自动核查仪，考虑到服务的需求在选择标准传感器时，技术指标应满足本功能需求书4.3指标要求，同时考虑传感器重量轻，便于安装、携带。数据采集单元数据采集单元是在线核查标准器的关键部件。它由中央处理器、时钟电路、数据存储器、接口、控制电路等部分构成，主要功能是完成各传感器的采样、对采样数据进行控制运算、数据计算处理、数据记录存储，实现数据通信和传输等。数据采集单元具备模拟量、频率和数字量等多种信号采集通道，可以直接挂接基本配置的传感器，并具备扩展接入不少于2种传感器的能力；具备不少于1个RS232接口，支持调试和数据通信传输（本地\远程）功能。数据采集单元应设计为功能齐全、规模小巧、功耗低、结构紧凑，防水防尘防震。通信传输模块数据采集单元具备RS232接口，可以通过电缆线直接与终端连接，也可以通过RS232接口扩展本地通信或无线通讯。在线核查标准器支持短距离无线通信方式，短距离无线通信采用WIFI\蓝牙\点对点\Zigbee等传输模块，可以在较短距离内将数据传输到接收终端（如电脑、显示屏或PDA等）；远程无线通信传输模块有GPRS\CDMA1x等模块，可以远距离将数据传输到接收终端。可配置的通信传输模块种类名称传输方式选配信息本地通信传输电缆直连RS232\485标配短距离WIFI\蓝牙\点对点\Zigbee可选远程通信传输无线公网GPRS\CDMA1x可选供电单元供电单元负责为在线核查标准器提供工作电源，通常使用标称电压12V的锂电池。可使用交流电、车载电源等外接电源转12V直流对锂电池进行充电。可配置的供电方式供电方式选配信息主电源锂电池标配充电方式交流电标配车载电源可选外围部件在线核查标准器的外围部件包括三角支架、横臂、自然通风防辐射罩、风杆、地锚、手提箱（或背包）、拉绳等。其中，在线核查标准器标准配置的风杆高度为3米，也可根据观测需求选配其他高度的风杆。在线核查标准器应配置必要的野外安装工具。可配置的外围部件种类名称选配信息主要三角支架必选横臂必选自然通风防辐射罩必选机箱必选3米风杆必选地锚必选辅助基本安装工具可选软件采集器嵌入式软件采集器嵌入式软件由在线核查标准器生产厂家编写，运行于在线核查标准器的数据采集单元中，具有数据采集、数据处理、数据存储和数据传输等功能。本地终端操作软件本地终端操作软件由在线核查标准器生产厂家（或用户）编写，可运行在本地数据接收终端（电脑、显示屏或PDA等），该终端通过电缆线或短距离无线通信传输模块与在线核查标准器实现本地连接。本地终端操作软件具有数据实时接收显示、采集器设置、数据下载、数据存储、数据查询等功能。功能要求初始化和参数设置在线核查标准器开机后即进行自检，自检通过后，以默认设置参数进入工作状态。在线核查标准器应尽可能通过减少参数设置种类和数量、优化设置软件的人机界面、采用组合式参数设置等方式减少设置所需的时间，加快在线核查标准器投入运行的速度。数据采样和算法在线核查标准器的数据采集器采样和计算方法，应遵循《新型自动气象（气候）站功能规格书（2010）》的有关规定。数据处理现场核查数据采集器最终输出数据格式参照《新型自动气象（气候）站功能规格书（2010）》编译，提供温度、湿度、气压、风向、风速的分钟数据。数据存储在线核查标准器具有观测数据存储功能，存储分钟数据不少于24小时，数据存储器为“先入先出”数据存储模式，具备掉电数据保存功能。数据传输通信协议采用标准RS232串口通信，默认通信协议为：波特率：9600bps，8个数据位，1个停止位，无校验。通信协议可以通过本地终端进行设置。本地通信传输在线核查标准器与数据接收终端间的信号传输，使用电缆线直接连接时，传输距离应不小于10米；使用WIFI\蓝牙\点对点\Zigbee短距离无线传输模块进行本地通信传输时，传输距离应不小于10米。远程通信传输通过在数据采集单元的RS232口上接入无线传输模块，可以实现数据远程传输功能。数据采集单元负责将单元内存储的观测数据按照设置的网络通信方式进行传输。根据不同的环境需求，采用多种通信组网方式灵活组合。在具有无线移动运营商网络覆盖的条件下，采用GPRS、CDMA1X或短信方式接入。系统具有模块化的设计方法，在不同网络需求下，可以选配通信方式。时钟管理功能 当在线核查标准器独立运行时，由实时时钟芯片提供系统时钟。当在线核查标准器与数据接收终端相连接时，由本地终端操作软件或中心站组网软件通过对时命令对在线核查标准器进行对时。数据接口格式在线核查标准器对外提供统一的数据接口，包括实时数据，分钟数据接口（本文只规定使用标配5要素的标准传感器数据接口格式，接入扩展要素后需调整）。GPRS/CDMA、ZigBee等通信终端支持透明传输的协议，可采用串口通信的数据格式，即透明传输格式。终端操作命令在线核查标准器支持各种终端操作命令，用来设置参数、读取数据等。至少具备以下终端操作命令：设置/读取时间、读取分钟数据、下载指定时间段数据、设置/读取台站号、设置/读取数据发送方式及发送间隔、数据采集单元复位等。测量性能测量类型在线核查标准器应至少能够同时测量：空气温度、相对湿度、风向、风速、大气压力等气象要素；并具备冗余接口，可以扩展地温等气象要素。量和单位在各气象要素的量和单位名称及其符号按表5确定。主要气象要素的量和单位的名称及其符号序号气象变量的名称量的符号测量单位的名称单位的符号1空气温度T摄氏度℃2相对湿度RH百分率%3风向WD度°4风速WS米每秒m/s5大气压力P百帕hPa指标要求在线核查标准器所使用的传感器参考气测函〔2014〕108号-观测司关于印发《区域自动气象站现场核查方法》（试行）的通知中对于温度、湿度、气压核查标准器的技术要求，同时应能满足中国气象局《地面气象自动观测规范（第一版，2019年9月）》对气象传感器观测性能的基本要求。在线核查标准器测量性能基本要求测量要素范围分辨力最大允许误差气压500hPa～1100hPa0.01hPa±0.1hPa（5℃～35℃）气温-50℃～50℃0.01℃±0.1℃（5～35℃）相对湿度5%～100%RH0.1%RH±2%RH（10%RH~100%RH）（5℃～35℃）风向0～360°1°±2°风速0～60m/s0.1m/s启动风速：≤0.5m/s0.5m/s（0m/s~60m/s）备注：在线核查标准器可选配超声风传感器。结构要求基本要求在线核查标准器的整体结构应利于装配、调试、检验、包装、运输、安装、维护等工作；表面应整洁，无损伤和形变，表面涂层无气泡、开裂、脱落等现象，各零部件应具有安装方便、牢固的特点，同时无机械变形、断裂、弯曲等。应根据在线核查标准器的使用情况进行专项设计，尽量减少现场最小可更换单元的数量以降低现场安装时间；结构设计应方便现场安装，减少专用工具甚至常规工具使用量。安全要求安全标记及要求标记符合GB4793.1-2007《测量、控制和实验室用电气设备的安全要求》关于“设备用图形符号”的要求；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流值。其它要求仪器设备结构上的棱缘或拐角，应倒圆和磨光；对于在产品寿命期内无法始终保持足够的机械强度而需要定期维护或更换的部件，应在产品使用说明书上醒目地载明更换周期并着重注明不这样做的危险性；机械强度要求 在线核查标准器的各种部件，如支架、拉绳、安装件等，应有足够的机械强度，确保在产品寿命期内，不因外界环境的影响和材料本身原因而导致机械强度下降而引起危险和不安全。接线要求为节省现场安装、维护时间，在线核查标准器所有可能需要现场操作的导线全部采用接插件（插头座）方式。材料与涂覆要求材料要求应选用耐老化、抗腐蚀、具有良好电气绝缘等性能的材料，禁止使用不符合有关国家标准或行业标准的劣质材料。涂覆要求在线核查标准器所使用的各零部件，除用耐腐蚀材料制造的以外，其表面应有涂、敷、镀等工艺措施，以保证其耐潮、防霉的性能。供电电源要求在线核查标准器的主要供电电源为12VDC锂电池，由辅助电源对锂电池充电。辅助电源一般选用市电（220VAC）、车载电源等。具体要求如下：在线核查标准器应配备交流电充电方式，可选择车载电源充电方式；标准的电池容量配置应至少符合以下要求：正常工作方式（分钟传输密度）下，最低连续工作时间12小时。环境适应性要求工作温度：0℃～＋40℃(电气部分)；相对湿度：5%～100%；大气压力：450～1060hPa；抗风能力：阵风≤20m/s可靠性、可维性和稳定性可靠性要求产品应进行可靠性设计、测试和试验工作要求。元器件选择与控制；可靠性预计和分配；可靠的电路设计；冗余设计；耐环境设计。可维性要求在线核查标准器应进行专门的可维性设计，编制现场应急维修