caws3000型新型自动气象站技术

新型自动气象站技 六、新型自动气象站的数据处理方七、新型自动气象站的实际应★从2003年起中国气象局就开始酝酿新一代自动气象站的研发★从2006年底至2007进行了气候站的考核，该类型气候站基本上是 ★从2007年开始确定对新型自动站的考核2007年底，中国气象局确定了新型自动站采取：统一标准、统自动气象站。重新编制了《新型自动气象站功能★从2008年开始中国气象局组织四个生产厂家，联合重新设计新型 ★2008年10月进行静态测★2009年1月开始安装，3月至10月进行野外的动态试验，2009年月进行复检测试★2010年1月按照新要求改进，增加温湿度 的研制★2010年9月～10★2011年6月完成考核，并完成了新型自动气象站的设备定新型自动气象站的定型产根据2009～2010年的考核试验结果，中国气象局对新型考核站型比较完整，定型产品只对其中的一部分进行了定型； 公司原来的型号CWS0型自动气象站，包括：主器、温湿、气候、辐射、地温、土壤水分分采系统，观测要素几乎包含地面观测的全部要素。新型自动站设计统统一标统统一结统一方统一规能新型新型自动站与一代站的主要差新型自动一代标准统标准各系统采用嵌入式系单片机系主、分多结构方单一方总线式结集中式结主采用linux操作系统管理，支持多进程单循环控系统加载文件系统，数据以文件形式以记录方增加了数据质量控制信无观测要素齐全扩展以及组配方便、灵活固定要气象要素测量技术指标保持不变，采样速率提高★功能强，综合处理能力 口、多种通讯方式、支持WebServer 充方通过外部总线技术，可以实 系统的随意扩展及裁减常规六要常规六要素可以实现独立标风速、风向、温度、湿度、雨量、气压可以实现脱离器系统，对传感器独立进行标定。新型自新型自动气象站技术指测量范分辨最大允许误气测量范分辨最大允许误气气-相对湿温-风风降水翻斗0.1mm：雨强翻斗0.5mm：±5%（雨强±8%（雨强＞4称重0.1%蒸发测量技术指标——气候要素测量技术指测量范分辨最大允许误-翻斗0.1mm：翻斗0.5mm：±5%（雨强±8%（雨强＞40.1%-测量范分辨最大允许误日测量范分辨最大允许误日总辐0～14005±5%（日累计净辐-200-直接辐±1%（日累计散射辐5±5%（日累计50-2000.1±5%（日累计0-2000.1±5%（日累计0-2000.1±5%（日累计光合有效辐2-2000µmolm-211µmolm-2s-±10%（日累计大气长波辐0-20001±5%（日累计地球长波辐0-1±5%（日累计新新型自动气象站技术指测量技术指标——地温及土壤水分要素测量技术指测量要范分辨最大允许误-----功耗技术要数据技术要 ，能 至少6个月全要素分钟数 新型自动气象站技术指供电技术要自动气象站的供电电源为12V电池发电机、能电池板等。 使用市电作辅助电源的，市电电压允许波动范围220V±30%，并提供市电断电及警功能嵌入式系嵌入式系统技CPU，Linux操作系即：采用嵌入式系统，32位ARM9标外外部总线技即：数据传输技术，CAN总线技术嵌入式系统技 统。其代表了高性能、综合处理强大等等含义。目前广泛应用的是ARM架构的32位处理系统。其主要ARM7系列、RAM9系列等嵌嵌入式系统的组成部处理★处理电★★硬件设嵌入式操作系统系统管理程序★应用程序处理程序CANCANCANCAN总

CAN驱CAN驱

嵌入 系统基本结 RS232 RS232FALSH器 485 RS485485RS485FLASH数 （如：气压传感器 扩（如：气压传感器扩USB接口 RJ45网络控制USBUSB接口 RJ45网络控制USB接口控制CF控制扩（如：能见度传感器

任务任务的调度、数区域的保护、并发处理的控制等等实时操作系统：强调的是任实时操作系统：强调的是任务处理实时性系统：按照时间片划分实行多任务管理。嵌入式嵌入式操作系Linux操作Linux操作系μC/osⅡ操作WindowsCE操作系◆引导程序（相当于PC机的BIOS程序◆操作系统内核程序（操作系统★用户应用程序处理程序外部外部总线技应用应用现场测量以及控制处理过程中的数据输技术。可实现测量控制现场中的各种不同类型不同不同标准设备之间的量数据或控制命通讯传输现场现场数据通讯◆使用简单的连线方式实现数据通◆采用串行方式实现数据通◆可实现多个设备之间通讯RS485方★CAN总线方★SDI-12方RS485RS485特点：结构简单，只能实现“一主多从”的通讯方式RS485比较通用的协议：ModBus协CAN总线技CAN总线（ControllerAreaNetwork控制器局域网络）CAN总线技特点：通讯速度快，可实现“多主多从”的通讯方式CAN总线常用的标准协议：CANOpen协SDISDISDI总线(Serialdigitalinterface)连接基于带微处理器传感器的标准接口，在应用连接方面更为方便。SDI线只使用3根线，12V电源线、电线和数据线。SDI线的通讯距离比较近，速率比较慢。SDI总线传输速率一般在1200bps，几十米（200英尺）主+外部总线主+外部总线++传感器设ARM9嵌入式系CAN总ARM7系风终端计算Linux操作系包括气候分风温GPS授时数据通讯辐射分雨地温分湿温湿分气土壤水分蒸海洋观测地等辐等CAWS3000型自动站总体设★WS300（）型自动气象站公司参照由中国气象局颁发的《新型自动气象站功能需求书》而专门设计研发的新型自动气象站产品。该产品完全遵循了统一标准、统能、统一结构、统统一规范的原则，完全符合《新型自动气象站功能需求书》的求。能够全面提升地面气象观测的自动化水平，能够准确地观测天气、气候要素变化以及大大提高综合观测处理能力。★该产品经过了由中国气象局大气探测中心组织的各种考包括：静态测试、野外动态试验、复检测试、以及其他专项试验测试等，满足设计要求。★CAWS3000（DZZ5）自动气象站可以应用于国气象局的下一国家级基准站、基本站等。同时，可以广泛地应用到各种行业，诸如：农业、环保、水文、交通、能源等领域。在应对气候变化的研究、人民日常生活保障、防止自然等方方面面，都有着非常广泛的应用。CAWS3000(DZZ5)型自动站CAWS3000(DZZ5)型自动站结构★★CAWS3000（DZZ5）★之间★之间采用CAN总线进行数据通讯系统与终端计算机采用长线进行串口数据通讯★整个系统的供电由交流电转+12VDC作为主电源，配蓄电★气候的强制通风扇的供电采用独立供电，同样采用由交流新型自动气象站的系统结构以及CAN新型自动气象站的系统结构以及CAN主CAN端

端端端端L120Ω终端电

温湿度

端双绞线端端端L端端 120Ω终端电主交流市交流市

输输输输-输输-输输+-+12V+12V输 输-+-

主电源供电系电池电池交流市辅电源供电系电池电池终系通讯串口长线驱动通讯串口长线驱动短距离无线通讯无线数据通讯单路由3G通讯路百叶箱温度传感百叶箱湿度百叶箱温度传感百叶箱湿度传感10米风向传感10米风速传感0.1mm雨量传气压传感能见度传感蒸发传感总辐射传感门状态行程开主 风向测量通系 风速测量通雨量测量通

RJ45端 RS232端

RS232/RS485端CFCF卡控制CFGPSRS232端GPS气压通讯通总辐射测量门状态检测

RAM9/32位微处理

系系百叶箱相对湿度温湿度CAWS3000-

+12VDC

+12VDC

USB端

USB通讯部系辐系辐射CAWS3000-电

+12VDC电源输

系统等挂接输出传感系地温CAWS3000-地表系地温CAWS3000-地表温度、草地温度、5cm地温、10cm地温15cm地温、20cm地温、40m地温、80cm地温160cm地温、320地温传感器

能接

其他附加系土壤水分CAWS3000-8层土壤水分土壤水分CAWS3000-8层土壤水分传感器，即：5cm、10cm、20cm30cm、40m、50cm、100cm、180cm土壤水观系空CAN总3只强制3只强制通风扇的转速检测气候CAWS3000-蓄电电源输防浪交流市强制通电主技主技主主◆整个系统的控制单元。承担整个的系统时序流程控制、接收各分的测量数据，对测量数据进行各种计算、、传输处理。◆在 还增加了一个对常规气象要素 单元。在主的气象要素单元中，可以完成对10米的风速、风向、。主技技单元的最小基本结*

电源管 模拟

通模选 模开

复位管时* 模拟

参测 电开

参 数 E 数字测量通道G

电平控

串口通讯端口E 数字测量通道G

电平控

串口通讯端口状态指示主主技 系雨量通 码风码

风速频f

雨量通

驱动串

C1雨

+5VD0D1D2D3D4D5D6风

+5VC2风

S1机箱

+5VRxTxGPS授

RxTx终端通

ABG

调试RS-232端CAWS3000

CF终端计算CF温*+-

湿12V+-

辐12V+-

蒸12V+-

能见RxTx

气12VRxTx

12VHL

12V

12V

网路计算

V

蒸发电

串 串能见 气

电路接线SGSG

CF

/

12V

12V

红绿黄

G*+-R+-IGG*+-R+-IG

交 空28线28线信号防雷G*+-R+-IG*+-R+-I

避雷 开N

（输出5

（输出4

（输入4

3

44

风向/12

温/8（暂时不装

4（暂时不装

4

机 机 接线日绘审批主主技端 端

新型自动气新型自动气象站0.30.3 25针插接GC- 机25孔插 采 箱菲尼克斯5孔插菲尼克斯5针插

与终与终端计算机连接主技电200 主技电20025孔插接GC- 机25针插电0.3 电0.3 （9（9针分采分采器技采用ARM7架构的32位微处理器或单◆把观测类型相对一致的观测要素集中到一起，。一般只完成相关的数据测。，并分分◆根◆根据观测内容及需求设置。分分温湿温湿度度气象要素度气象要素主要应用于百叶箱空气温度和相对。观测要素包括空气温度、相对湿度CAWS3000-TH温CAWS3000-TH温湿度温度测*+-湿度测调试串 CAN端口+12V*+- RxTx +12VV温度传感 湿度传感 湿敏电系现现场调试计算候主要应用于与气候观测相关气象要素。观测要素包括1.5米风速传感器、红外地温传感器另外还括3只强制通风扇的转速检测雨量通雨量通 风速频f风机 风机频 频 风机频f称重雨量1称重雨量频f频f称重雨量频f现场调试计算C1G12VC2G12VC3G12VC4G12VC5G12VC6G12VC7G12VC8GRxTx雨 风 风机 风机 风机3称重雨量1称重雨量2称重雨量3RS-调试RS-232端CAWS3000-CL气候温度 温度 温度 总辐*+- *+- *+- *+-红外地*+-腔体温 CAN端 12VG12V*-12VHL温度 温度Pt100铂电 Pt100铂电温度Pt100铂电总辐射差红外差热敏电系雨4针插辐射辐射主要主要应用于与辐射观测相关气象要素。观测要素包括（包括腔体温度）、光合有效辐射以及日照大气大气长 腔体温辐射差 Pt100铂电地面长辐射差腔体温Pt100铂电有效光辐射差直接辐射差现场调试计算*+- *+- *+- *+- *+- *+- RxTx大气长 腔体温 地面长 腔体温 有效光 直接辐 RS-调试RS-232串CAWS3000-RA辐射总辐 净辐 散射辐 反射辐 紫外*+- *+- *+- *+- *+-紫外*+- 12VG12V12VHL 总辐射差 净辐射差 散射辐射差分反射辐射差 UVA辐射差分UVB辐射差系HY-3000-FS大气长大气长腔体温地面长腔体温有效光直接辐RS-*+-*+-*+-*+-*+-*+-RxTx总辐*+-

净辐*+-

散射辐*+-

反射辐*+-

紫外*+-

紫外*+-

12VHL

12V

12V大气长

腔体温

地面长

腔体温

有效光

直接辐

总辐

净辐

散射辐

反射辐

紫外

紫外*+-R*+-

*+-

*+-

*+-

*+-

*+-

*+-

*+-

*+-

*+-

*+-①②③④

大气长波辐8孔插

地面长波辐8孔插

光和光和有效辐直接辐总辐净辐散射辐反射辐UVA辐UVB辐4孔插4孔插4针插4孔插4孔插4孔插4孔插4孔插（输入5针插

（输出5孔插

（输出4针插

（输入4孔插28线信28线信号防雷辐射分机地温地温据主据主要应用于与地温观测相关气象要素的。观测要素包括地温地温Pt100铂电Pt100铂电 Pt100铂电 Pt100铂电 Pt100铂电红外差热敏电现场调试计算*+- *+- *+- *+- *+- *+-RRxTx 红外地 腔体温 RS-调试RS-232端CAWS3000-ST地温草地表*+- *+- *+- *+- *+- *+-12VHL 12VG12VPt100铂电 Pt100铂电 Pt100铂电 Pt100铂电Pt100铂电 Pt100铂电系HY-3000-DW地温红外地腔体温RS-*+-*+-*+-*+-*+-*+-RxTx草*+-

地表*+-

*+-

*+-

*+-

*+-

12VHL

12V

12V红外地*+-

腔体温E+-

草*+-

地表*+-

5cm地*+-

10cm*+-

15cm地*+-

20cm*+-

40cm*+-

80cm*+-

160cm*+-

320cm地*+-①②③

草地温4针插

地表温4针插

4针插

4针插

4针插

4针插

4针插

4针插

160cm4针插

320cm4针插

（输入5针插

（输出5孔插

（输出4针插

（输入4孔插地温分机箱接线土壤土壤水分的主要的主要应用于与土壤水分观测相关气象。观测要素包括土土壤水土壤水现场调试计算*+- *+- *+- *+- *+- *+-RRxTx RS-调试RS-232端CAWS3000-SM土壤水分 12VG12V*+- *+- *+-*+-*-*+- 12VHL土壤水土壤水土壤水土壤水土壤水土壤水系CAWS3000-TS土壤水分分RS-*+-*+-RS-*+-*+-*+-*+-*+-*+-RxTx *+-*+-*+R*+-*+-*+R12VHL12VG12V*+R*+-*+-*+-*+-*+-*+-*+-*+-*+-*+-*+-①②③土壤水土壤水土壤水土壤水土壤水土壤水土壤水土壤水输输输输输输输输CHCHCHCH输输输输输输输输土壤水分分机箱接线据据。观测要素包括海洋观测 目前还只是一个意向计，没有完成实际的设计方案新新型自动气象站的测量技规气象要素气候观测要素观测要素地温观测要素10层地表温度水分观测8层土壤水分★★★★气风包括：气温、气候温度、10层地温★风包括：10米风速、气候1.5米风速★翻斗雨★称重雨★蒸★辐包括：总、净、直、反、散、紫外、光合有效等★能见★红外地★壤水气象要测量原输出信号类温铂电阻80～120Ω电湿湿敏电0～1V单端电气硅谐振方式、硅电容、硅压风光码盘或磁码7位码/2.5V电风光码盘或磁码脉冲频率翻斗雨干簧管开开关通称重雨弦振式或应变片脉冲频率蒸超声波测4～20mA电辐热电堆式或光电mV级差分电能见前向散RS232或红外地红外探μV级差分电压+电土壤水TDR方式或FDR方电压或信号类型（数据输出传感器类测量方信单端电湿度、风向、热敏电阻测单端电压测差分电辐射、红外地差分电压测电蒸通过加电阻测量电电气温、地通过加电流激励测电信频风速、称重雨频率(计数)、周期开翻斗雨量、机箱门状计数测数字电码风数字IO端串口数据气压、能见度、土壤水串口串口数据输出传感器的测气压气压传感器：PTB220、PTB330、PTB210、气压传感端RS232-端nn串口数据输出传感器的测测量接入方式：串口R5接入方传感端AARS485-端BB串口数据输出传感器的测GPSGPS授时器数据输出测量接入方式：串口授时端RS232-端风向：0～2.5V0～360°。湿度：0 对应0～100%+V-单端+V-差分电压信号输出传感器的测测量方式：测量差分电压+v-+v-差分电信号输出：Pt100电阻（80～120Ω测量方式：恒流源激励（1～2mA），测量差分电压PttE恒E恒流恒流+-2R温X+传感模拟开放大大-A转转换数据处I2C总Y-E+-A/D转换器R电m换电m换热敏电阻信号输出传感器的测信号输出：电阻（几KΩ～几十KΩ）测量方式：恒压源激励（2.5～5V），测量单端电压E电

恒压源激+-信号输出：4～20mA电流测量方式：通过电阻，测量差分电压+-蒸发传感（4～20mA电+-蒸发传感（4～20mA电流输出频率信号输出传感器的测测量方式：频率测量、周期测量周期测量方16器时钟信号输器被测脉冲信测量方式：计数测位计数计数输计数控数字电平信号输出传感I/O传感器类型信号输出：数字电码传感器类型信号输出：数字电码风向、机箱门状态测量方式：测量高低电新型自动气象站的主要功★按照指定时序、周期对相关的观测数据进 ★计算气象要素观测数据★完成对气象观测数据的质量控制检验，并对每个观测数据配★计算各种平均量和时段的统计量★生成观测数据记录文件★完成各种交互命令的响应新型新型自动气象站数据采样计数据采样和计算处理要测测量要素采样频测量采样测量采样气30次采样时间：2风4次采样时间：0.25气湿风1次采样时间：1草降水1次地蒸发6次辐射（辐照度能见(气象光学视程4次辐射传感器腔体温通风防辐射罩通风速1次土壤水（体积含水率日1次数据采样和计算处理要测量要素导出计算处理（一测量计算平均计算时段累计算时段统气每分钟算术平30个样本计算算数平-小时内极值及出现时气湿草地辐射（辐照度小时累计值（曝辐量辐射传感器腔体温--通风防辐射罩通风速测量分钟数--日测量每分钟有无日每小时的累计（分钟日照累计-数据采样和计算处理要测测量要素采样频率（二测量计算平均计算累计计算风-风以1s为步长（秒的采样值）1min、2min平均以1min为步长（取1min平均值）-降水-(2)每小时累计-蒸发每分钟水位的算术平土壤水（体积含水率每分钟、小时算术平--数数据质量控制处〈1〉对采样瞬时值变化极限范围的检查〈2〉对采样瞬时值变化速率的检查对瞬时气象值的质量控〈1〉对瞬时气象值变化极限范围的检查〈2〉对瞬时气象值变化速率的检查〈3〉一致性检查数据质量控制标9012348N注：对于时气值，属或信原引起据缺，在端命数据出时接”采样瞬时值“正确”的判断条（适采样频率5次/分～10次/分以上0.3222-20-800-瞬时气象值“正确”的判断条件（一气象变下上存疑的变化速错误的变化速过去60分最小应该变化的速气40011000.520.1气-7580350.1温-80502℃～34℃～550.1相对湿能见1070---蒸发0100---土壤体积含水待待-瞬时气象值“正确”的判断条件（二气象变下上存疑的变化速错误的变化速过去60分最小应该变化的速风--（10分钟平均风速大0.1m/s时瞬时风01501020-风速2平均分0751020风速10平均分0751020降水量（1分钟累计0---降水量（1累计分钟0---瞬时气象值“正确”的判断条件（三过去60分-9090510-90905100.1（会产生等况5cm地-80802510cm地-70701515cm地-60601320cm地-50500.5240cm地-45450.51.080cm地-45450.51.0160cm地-45450.51.0320cm地-40400.30.5数据质量控制处瞬时气象值“正确”的判断条件（四气象变下上存疑的变化速错误的变化速过去60分最小应该变化的总辐08001000-净全辐直接辐08001000-散射辐08001000-反射辐08001000-大气长波辐-地球长波辐-光合有效辐-数据质量控制处一致性检d 一致性检验，应标识为“不一致”。（一致性检查一般不在 的嵌入式软件考虑，仅在业务软）件中考 ）yi计yi计算处算术平均计算处N其中

Yi m 观测时段内气象变量的平均值 观测时段内第个气象变量的采样瞬时值（样本），其中，“错误”“可疑”等非“正确”的样本应丢弃而不用于计算，即令：yi 观测时段内的样本总数，由“采样频率”和“平均值时间区间”决定 观测时段内“正确”的样本数（）适用场合单位矢量平均计算处理（一（风向平均计算方法X

X1NNN

arctg

其中

Y

YN

NN

cos 观测时段内的平均风向 观测时段内第i风矢量的幅角（与y的夹角） 观测时段内单位矢量在x轴（西东方向）上的平均分量 观测时段内单位矢量在y轴（南北方向）上的平均分量 观测时段内的样本数，由“采样频率”和“平均值时间区间”决定yiyi计算处单位矢量平均计算处理（二（风向平均计算方法平均风向的修根据 、

的正负

进行修正

X

Y

无需修正WDW

0、Y0

X0

0，

加180°适用场合

X

、Y