新型自动气象气候站功能规格书

前 目 编写原 编写依 组成结 概 .................................................................................................................................总 传感 设 软 物理接 连接 功能要 ...........................................................................................................................数据处 数据...........................................................................................................................数据传 GPS对时功 测量性 量和单 要 嵌入式软件流 数据流 传感器要 日照测 供电电源要 安全要 标记要 文件要 结构安 电气安 气候条 生物条 机械条 电磁兼容性要 防雷要 一般要 结构和外观要 外观要 可靠性要 可性要 其他要 功耗要 检验要 附 新型自动气象（气候）站应该做到高精度、高稳定、易、低功耗、易扩展和实时远程，按照“主+外部总线+分+传感器+设备”的结构设计，对主/分采信协议、、数据、数据质量控制、数据传输、电气接口标准、生产工艺全面进自动气象站质量控制程序指南（ETAWS-4,FINALREPORT,Annex3.WMO.CBSNOAAAutomatedSurfaceObservingSystem（ASOS）User’sGuide遵循标准、开放的技术路线进行设计，它由硬件和软件两大部分组成。硬件包括（1个主和若干个分、外部总线、传感器、设备四部分；软件包括嵌入式软1所示。图1自动气象站的是基于CAN（ControllerAreaNetwork，控制器区域网）总线技术和最大限度地方便和降低成本。在已建自动气象站扩展新的测量要素或增加传感器时，不需要对系统已有的传感器连接、布线作改动，只需要将新的分和/或传感器加入到系统中，并进行简单的软件升级配置。主理器、高精度的A/D电路、高精度的实时时钟电路、大容量的程序和数据器、传感器接口、通口、CAN总线接口、外接器接口、以太网接口、监测电路、指示灯等，2所示。图2自动气象站主结主WatchdogARM93216A/D15s/程序器为非易失性的容量满足嵌入式软件的容量要求并具有50%的余量数据器为非易失性的，容量满足数据的要求，并具有50%的余量RAM30%式、风向（10m高度、风速（10m高度、总辐射、蒸发和能见度。其通道配置要求如表1所示。表1主接入传感器通道配置要111数字（7位码1111RS48511RS48511应具备表2所示的通口表2主通口配置要通主、分通1RS2RSGPS1RS1RJ11CF2USB主机箱门状态检测。主应具备指示灯，包括：CF编程接口应包括：RS232RJ45主的主要有两大功能：一是完成基本气象要素传感器和各个分的采样数分分由硬件和嵌入式软件组成。硬件包含高性能的嵌入式处理器、高精度的A/DCAN总线接口、监测电路、指示灯等，硬件系统能够支持嵌入式实时操作系统的运行。其3所示。Watchdog16A/D15s/程序器应为非易失性的，容量应满足嵌入式软件的容量要求，并具有50%的参数器应为非易失性的，容量应满足数据的要求，并具有50%的余量RAM30%图3自动气象站分结基本观测气象要素（各传感器直接挂接在主土壤水分观测分海洋气象观测分分负责所接入传感器对应气象要素的测量在工作状态对挂接的传感器按预定的。各分的通口和测量通道配置如表3。表3各 分CAN线并行数量频率计量气候观气温（3支、通风防辐射115（其中2个71辐射观射外辐射A、紫外辐射B、大气长波辐射（含腔件温度、光合11（其中10个地温观11（差分1111观温湿度、水位、积雪11CANopenCANopen分应提供编程接口：RS232电路、参数器、传感器接口、CAN总线接口、RS232通口、监测电路、指示灯。Watchdog16A/D参数器应为非易失性的，容量应满足数据的要求4。表4温湿分采基本配置CAN总温气温（1支、湿度（1支112CANopen应提供编程接口：RS23210km（5kbps；40m；（FirmwareCAN总线具有较高的性价比――结构简单、器件容易购置且价格便宜、开发技术智能传感器：一种带有嵌入式处理器的传感器，具有基本的和处理功能设备12V直流电压是的基本工作电压，中其他直流工作电压应由此转换而成，该电压由蓄电池提供，需另外配置辅助电源（能、风能）对蓄电池充电。通主应配置RS485接口，支持本地通信45，域网提供WEB服务控制台。RS232GPS授时模块和通信模块（无线或光电转换器，进行外操作系统应选择实时性高、性价比好、稳定可靠的多任务实时操作系统（linux/µcosCANopenNMTPDO发送和接收、SDO服务、TimeStamp发送；主要在内部器和外部卡上实现FAT文件系统，数据文件、参数主应具备GPS自动对时功能，保证时间误差不大于1s，GPS对时功能失效应实现基本的、数据处理、数据和数据传输功能Console主复位等功能。分的软件要实现CANopen从站协议，包括接受NMT管理、同步信号接收、心跳消息服务、PDO发送、SDO服务、TimeStamp接收，实现，包括：CANopenCAN实现对主参数设置、、各种和自动气象站运行从或外器数据或数据文件形成规定数据文件新型自动气象（气候）CAN总线接口，ISO11892-2对此进行4所示。图4CAN连接器采用5511GND0V2CAN_L3CAN（可选4CAN_H5CAN收发器或光隔的电源（可选主和分是CAN总线上的节点，它们之间的通信遵循CAN数据链路层协CANopen应用层协议，实现网络管理服务和报文传送。CANCAN2.0CAN控主和各分通信协议的规定见附录14.1.1对主进行自检，准备器、设备观测员可通过本地终端对主设置，并修改所有保证自动气象站正常运行所必4.1.2对分进行自检，准备设备建立并运行本观测任务导出气象观测需要的其他气象变量瞬时值；这种导出通常是在获得的气象由主生成采样瞬时值数据、瞬时气象值（分钟）数据、小时正点数据和数据，并写入数据内器，同时形成相应数据文件实时写入外器（各文件格3数据主1小时的采样瞬时值、7天的瞬时气象（分钟）值、1月的正点气象要素瞬时气象（分钟）值的要素有：本站气压、气温（有气候观测时存3组数据、通（（）或海其余要素需同时采样时值的准差全素当前瞬气分值均能写入缓存区，以实时。正点数据的具体内容由表6—表12给出表6基本气象观测要素正点数据内序要时序要时2min平均风时时2min平均风10min平均风10min平均风温本站气最大风极大风1min见10min见最小10min见气最高气最低气相对湿表7气候观测要素正点数 序要时序要时气时最大风速（1.5m高时最高气最大风速出现时间（1.5m高分钟内最大瞬时风速（1.5m高最低气极大风速（1.5m高极大风速出现时间（1.5m高正点1min平均通风速2min平均风速（1.5m高10min平均风速（1.5m高表8地温观测要素正点数据内序要时序要时草面温时时5cm地10cm地15cm地20cm地地表温40cm地80cm地160cm地320cm地表9辐射观测要素正点数据内序要时序要时表10土壤水分观测要素正点数据内序要时序要时5cm时40cm时5cm40cm正点土壤相对湿5cm正点土壤相对湿40cm小时平均土壤相对湿5cm小时平均土壤相对湿40cm5cm40cm小时平均土壤水分5cm小时平均土壤水分50cm10cm50cm10cm50cm正点土壤相对湿10cm正点土壤相对湿50cm小时平均土壤相对湿10cm小时平均土壤相对湿50cm10cm50cm小时平均土壤水分10cm小时平均土壤水分100cm正点土壤体积含水20cm100cm小时平均土壤体积含水20cm100cm20cm正点土壤相对湿100cm20cm小时平均土壤相对湿100cm小时平均土壤重量含水20cm100cm小时平均土壤水分20cm小时平均土壤水分180cm正点土壤体积含水30cm180cm小时平均土壤体积含水30cm180cm30cm正点土壤相对湿180cm30cm小时平均土壤相对湿180cm小时平均土壤重量含水30cm180cm小时平均土壤水分30cm小时平均土壤水分水40cm表11云、天气现象正点数据内序要时序要时云时积雪深时正点15分钟内出现的天气现象表12海洋气象观测要素正点数 内序要时序要时浮标方时最大波周时波潮小时内最海水浊数据可以使用循环式器结构，即允许的数据覆盖旧数据内部的数据器容量应留有50%的余量具体可以在考核要素确定后规定一个外数据在外（卡以文件方式进行能够至少6个月全要素分钟数据，全部数据以FAT的文件方式存入，微机通过通用可方便。超过某个设定的气象阈值时，自动站进入状态的传输。 或RJ45实现的。通过微机终端实现通信传输的功能在业务软件中实现。13。表13数据质量控制标识9012348N注：对于瞬时气象值，若属或通信原因引起数据缺测，在终端命令数据输出时直接给出缺失，14。表145次/分～10次/分以上0.3222-20-800------度-2（。该规应有大于66％（2/3）的采样瞬时值可用于计算瞬时气象值（平均值；对于风速应有75210分钟平均值。若不符合这一质量控制规程，围内，在一个持续的测量期（1小时）15。表15［60分40011000.520.1-7580350.1-8050传感器测量：2℃～3℃；导出量：4℃～550.11%（U--10°（10分钟平均风速大0.1m/s时）风速（210分钟0751020-01501020-0---0----9090510-90905100.1℃（雪融过程中会产生等况5cm-80802510cm-70701515cm-60601320cm-50500.5240cm-45450.51.080cm、160cm320cm-40400.51.0020008001000-014008001000-012008001000-012008001000----紫外辐射02005090-紫外辐射01002030-01---0---0100-------300-01000-度--------1514［60min内，规定气象瞬时值的“最小应该变化的速率 温度td≤t（气温WS＝00WDWS00WD如果日照时间SD＞0，而辐射E＝0，这两个瞬时气象值均不可信如果辐射E＞500W/m2，而日照时间SD＝0，这两个瞬时气象值均不可主的嵌入式软件考虑，仅在业务软件中考虑。（inegrity（competeess（nsistency终端操作命令为主和终端微机之间进行通信令以实现对主各种参数操作命令、数据质量控制参数操作命令、观测数据操作命令和操作命令。 b)器的基本信息 设置或器日期设置或器时间设置或各传感器测量范围值设置或各要素质量控制参数 GPS主应具备GPS自动对时功能，GPS对时功能失效时应提供功能基本气象要素（含气候观测要素：气温（33支百叶箱铂电阻、湿度（相对湿度或温度、本站气压、风向（10m高度、风速（1.5m或/10m高度、降水量（翻斗式或容栅式、称重式或大翻斗式320cmB（A+B）大气长波辐射、光合有效辐射、地球长波辐射；表161P2t℃3U%另一个常用的相对湿度符号为150%；250%RH。4度°0为北风，9056Rintensity（7E8H气象业务上的记录单位是MJ/m29V量v%率g%米m米mWMO℃%米m度°17。表17自动气象站测量性能要求--0.1mm0～0.5mm0～±8%（雨强＞4-----0～14005-200-550-2000.10-2000.10-2000.12-2000µmolm-2s-1µmolm-2s-0-200010-10-60-0-2.8S-位0.2-位表18自动气象站测量要素采样频率30次-（曝辐量--1次--1次-每分钟、小时-4次以0.25s为步长求3s滑动平均值；以1s为值）计算每分钟的以1min为步长（取1min平均值）计算每分钟的10min滑动平均-10min1次1min为步长（取1min平均值）10min-1次-每分钟、小时-6次每分钟水位的算术平均4次1min内采样数据的算1min平1min为时间步长，1min平均值求每分钟的10min-10min含水率6次--6次每分钟水位的算术平-均10次1次1次---30次-30次-30次-30次30次-1次-1次-6次30次-30次-主对直接挂接的各要素传感器按规定的时序要求进行并为采样值加上时间分按规定的时序要求对其挂接的各要素传感器进行将采样到的数据立即通过CANopen协议发送到CAN总线。主实时接收各分主动上传的相关要素采表19自动气象站要素采样时间要风速hh:mm:ssnnn250ms，且nnn250风速hh:mm:ss000-风hh:mm:ss000-气hh:mm:ss000，且ss2湿hh:mm:ss000，且ss2气hh:mm:ss000，且ss2草hh:mm:ss000，且ss2地表温hh:mm:ss000，且ss2hh:mm:ss000，且ss2hh:mm:ss000，且ss2hh:mm:ss000，且ss2土壤水hh:mm:ss000，且ss为10倍通风速hh:mm:00日hh:mm:00hh:mm:00000–hh:mm:00000–hh:mm:00000–水hh:mm:00

NNY m

Yyii个气象变量的采样瞬时值（样本），其中，“错误”、“可yi0；m——观测时段内“正确”的样本数（mN）

nnYn m

Yn——第nyi——第ia——1nN时a1nanNm——在移动着的平均值时间区间内“正确”的数据样本数mN。XWDarctg Y

X1 Y1

sinWDDi——观测时段内第i个风矢量的幅角（y）Xx（西东方向）Yy（南北方向）N——观测时段内的样本数，由“采样频率”和“平均值时间区间”决定X、Y的正负，对WDX0、Y0，WDX0、Y0X0、Y0，WD180°X0、Y0，WD360°1min平均值（瞬1min66％（2/3）的采样瞬时值可1min内的采样值计算均方差σ3σ的样本3支通风防辐射罩（或百叶箱）3支传感器所测得的瞬时气-50~50℃0.3℃；在小于-5050℃0.6℃。是否合乎要求的阈值，FiFci=0.8×FNi。D12=|T1–T2|D23=|T2–T3|D31=|T3–其中，T1，T2，T331min平均温度（即瞬时值，D12，D23，（℃Tol(ij0.3℃,-50.0Ti≤50.0℃，-50.0℃≤TjTol(ij0.6℃,|Ti|50.0|Tj|DijTol(ij)，Dij,Dij缺失时，按在允许范围之外处理。Dij均在允许范围之内，取T1，T2，T3Dij2T1，T2，T31DijDij的两支温度值的平均值作为结果，Dij的两支温度传感器的每分钟平均值，再如果所有Dij都不在允许范围之内，结果标识为缺测。Fi（1min平均值，下同）均≥FciDij均在允许范围之内，取T1，T2，T3Dij2T1，T2，T31DijDij的两支温度值的平均值作为结果。如果所有Dij都不在允许范围之内，结果标识为缺测。2Fi≥Fci2个风扇正常工作的传感器Dij在允许范围之内，取形成该Dij传感器的平均1Fi≥Fci时：此时不考虑Dij是否在允许范围，直接取该传感器的温度值作3s采样值计算平均值，应有大于75％（3/4）3s平均值，若不符合3s1min应有大于75％（3/4）1min平均值，若不符合这一质量控制规程，则1min2min1min2min内的“正确”的瞬时值计算平均值，应有大于75％（3/4）2min平均值，若不符合这一质量控制规程，则当前2min平均值标识为“缺失（除正点外，其他时间也应计算，数据不，保存在缓10min1min1min10min10min1min10min75％（3/4）1min平均值可用1min1min1h1h601min1min1min1h通用的算法为：1h601min1min1min1min内的蒸发量累计值，可根据选用的传感器的特性选择合适的算法。当前分钟的蒸1min1min平均水位的差。实时给出的是当前小时内的累计值，1h1h内的蒸发量累计值，可根据选用的传感器的特性选择合适的算法。1min的平均水位差计算得到。1min1min66％（2/3）的采样瞬时值可用1h1h601min1min（2/3）1h1h平均值标1min1h1h601min1min（2/3）1h1h平均值标1min1min66％（2/3）的采样瞬时值可用1min平均值（瞬时值）1min66％（2/3）的采样瞬时值可1min内的采样值计算均方差σ3σ的样本2003.11（）第7章公式7.2计算。22.水汽压”中的公式计算。要求计算：1min平均水汽压。按《地面气象观测规范“附录24.温度”中的公式计算。要求计算：1min平均温度。1313.11313.13、13.14θg＝θv

bθg——土壤重量含水率，单位是百分率wρ——土壤水分密度，单位是克每立方厘米w（g/cm31min平均值、1h平均值。gθgfUsfc

Us——土壤相对湿度，单位是百分率（％；θg——土壤重量含水率，单位是百分率（％；（％1min平均值、1h平均值。土壤水分Wv10hρb

（mmh——土层厚度，单位是厘米（cm（g/cm3（％

gwgw（mmh——土层厚度，单位是厘米（cm（g/cm3θg——土壤重量含水量，单位是百分率（％；（％要求计算：1h平均值。用直接辐射表间接测算日照时间，辐照度≥120W/m2算为有日照1min120W/m210。1h1h1min1min1h1h601min平均值的“正确”值中挑选最高（大）1h601min平均值的“正确”值中挑选最低（小）值，并记录时间。1h601min1min1h6010min10min1min、1h3s平均风速的“正确”值中挑选最大值，并记录对应整分时据文件中，并且通过通信协议发送到业务软件，软件流程如图6所示。图6自动气象 流在流程中，对于采样值的处理，分解为如图7所示过程图7自动气象站数据流程如图8所示图8自动气象站数据流程30mA；2.5m/s；分辨力：2.5m/s；最大允许误差：±3%RH（≤80%，±5%RH（＞80%；5mA；0-5°；电压分辨力：0.1起动风速：≤0.5电压分辨力：0.10.4mm（≤10mm；±4%（＞10mm；分辨力：0.5最大允许误差：±0.5mm（≤10mm；±5%（＞10mm分辨力：0.最大允许误差：0.1%20mA；RS232；≤±（0.3mm+1%FS（发量＞10mm时30mA；30mA；0-2.5V4--50～50引线结构：2RVVP电缆（3个引线端子灵敏度：7～14µV/w·m精度：≤±1°（24小时1°；时间刻度：0～24小时（4分钟/1度A0°～70B灵敏度：4～100μV•m²•s-45～5010%（≤1.5km，±20%（＞1.5km；输出：RS232温度：－4～50℃；抗风强度：0；220V±10%50Hz（±6%12V（±5%40mA；；报告WMOSYNOP天气代码；报告有关的天气现象NWS代码。输出：RS232供电电源AC220V±15%50HzAC220V（＋1%～－1％；12V地方，可选的辅助