農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站功能規(guī)格需求書[共75頁]

1、附件農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站功能規(guī)格需求書中國氣象局綜合觀測司2016 年 4 月編 寫 說 明本功能規(guī)格需求書規(guī)定了農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站的組成結構、功能、性能、環(huán)境適應性和數(shù)據(jù)傳輸格式等方面的要求，是設計研制、生產(chǎn)和測試評估的依據(jù)。隨著科學技術的發(fā)展進步或業(yè)務需求發(fā)生變化，本功能規(guī)格需求書將隨之進行相應的修訂、補充或重新發(fā)布。本功能規(guī)格需求書由中國氣象局綜合觀測司委托河南省氣象局組織編寫，解釋權屬于中國氣象局綜合觀測司。主要編寫人員：徐遠遠 樊奇 鄧天宏 劉世璽 余衛(wèi)東 高媛媛張志紅 鄒春輝 張廣周 張紅衛(wèi) 葉冠寧目 錄1 前言. 11.1 目的. 11.2 適用范圍 . 11.3 制定依據(jù) .

2、 12 術語和定義 . 23 組成結構 . 23.1 觀測項目 . 23.2 硬件結構 . 23.2.1 傳感器 . 33.2.2 數(shù)據(jù)采集器 . 33.2.3 外圍設備 . 53.3 軟件. 63.3.1 采集軟件 . 63.3.2 中心站組網(wǎng)軟件 . 64 功能要求 . 74.1 軟件初始化 . 84.2 數(shù)據(jù)采集 . 84.3 數(shù)據(jù)處理 . 84.4 數(shù)據(jù)存儲 . 84.5 數(shù)據(jù)傳輸 . 94.6 數(shù)據(jù)格式 . 94.7 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制 . 94.7.1 采集器采集軟件中的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制 . 94.7.2 中心站組網(wǎng)軟件中的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制 . 104.8 狀態(tài)監(jiān)控 . 104.9 終端操作命令

3、 . 104.9.1 監(jiān)控操作命令 . 104.9.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制參數(shù)操作命令 . 114.9.3 觀測數(shù)據(jù)操作命令 . 114.9.4 對時 . 114.10 校準和定標 . 114.11 系統(tǒng)升級 . 1115 技術指標 . 125.1 要素測量性能 . 125.1.1 單位量綱 . 125.1.2 采樣和算法 . 125.2 傳感器性能指標 . 135.2.1 溫度傳感器 . 135.2.2 冠層葉溫傳感器（紅外） . 135.2.3 濕度傳感器 . 135.2.4 風向傳感器 . 135.2.5 風速傳感器 . 145.2.6 雨量傳感器 . 145.2.7 總輻射傳感器 . 145

4、.2.8 光合有效輻射傳感器 . 145.2.9 空氣 CO2濃度 . 145.2.10 土壤水分傳感器 . 156 供電要求 . 157 運行要求 . 157.1 運行狀態(tài)信息 . 157.2 可靠性要求 . 167.3 可維性要求 . 168 工作環(huán)境適應性要求 . 168.1 氣候條件 . 168.2 外殼防護等級 . 168.3 生物條件 . 168.4 化學活性物質(zhì) . 178.5 機械條件 . 178.6 電磁兼容性要求 . 179 結構、材料和外觀要求 . 189.1 結構設計總體原則 . 189.2 機械結構要求 . 199.3 機械強度要求 . 199.4 材料與涂覆要求 .

5、 199.5 外觀要求 . 199.6 電纜和接線要求 . 2029.7 安全要求 . 209.7.1 標識要求 . 209.7.2 資料文件要求 . 209.7.3 結構安全要求 . 219.7.4 電氣安全要求 . 2110 防雷要求 . 2210.1 一般要求 . 2210.2 直接雷擊的防護措施 . 2210.3 雷擊電磁脈沖的防護 . 2310.4 電涌保護措施 . 2310.4.1 供電系統(tǒng)的電涌保護措施 . 2310.4.2 信號系統(tǒng)電涌保護措施 . 2311 場地與安裝要求 . 2311.1 場地要求 . 2311.2 儀器布局要求 . 2411.3 安裝要求 . 2411.3

6、.1 農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站觀測傳感器 . 2411.3.2 其它注意事項 . 2412 其他要求 . 2512.1 時鐘精度要求 . 2512.2 觀測時制和日界 . 2512.3 擴展性要求 . 2512.4 互換性要求 . 2512.5 人機界面要求 . 25附錄 1：農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站終端命令格式 . 261 終端命令的分類 . 262 格式一般說明 . 263 握手機制 . 263.1 數(shù)據(jù)傳輸握手機制 . 263.2 時間校正握手機制 . 273.3 設備響應命令時間 . 274 監(jiān)控操作命令 . 275 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制參數(shù)操作命令 . 436 傳感器監(jiān)控操作命令 . 443附錄 2

7、：農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站數(shù)據(jù)幀格式說明 . 481 數(shù)據(jù)幀格式 . 481.1 幀格式 . 481.2 起始位 . 481.3 數(shù)據(jù)包頭 . 481.4 數(shù)據(jù)主體 . 491.5 校驗碼 . 511.6 數(shù)據(jù)包尾 . 511.7 數(shù)據(jù)分割方式 . 511.8 完整數(shù)據(jù)幀格式 . 512 數(shù)據(jù)字典 . 522.1 基本編碼原則 . 522.2 變量名命名原則 . 532.3 觀測要素編碼 . 552.4 設備狀態(tài) . 6641 前言1.1 目的農(nóng)業(yè)小氣候觀測是農(nóng)業(yè)氣象觀測的重要組成部分， 也是農(nóng)業(yè)氣象服務和科研的基礎，是我國綜合氣象觀測系統(tǒng)的重要組成部分， 對保障我國糧食安全具有重要意義。增強農(nóng)業(yè)

8、氣象觀測能力是新世紀和新形勢下現(xiàn)代農(nóng)業(yè)氣象服務發(fā)展的需要, 也是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要、防災減災的需要、氣象事業(yè)發(fā)展的需要。通過建立實時大氣 - 土壤一體化的觀測系統(tǒng)， 對及時掌握作物生長環(huán)境、 開展農(nóng)事活動和現(xiàn)代化農(nóng)田管理、 科學評估氣象因子對作物的影響、 分析農(nóng)業(yè)氣象災害實況與評估、 制作作物產(chǎn)量預報、 改進作物模型和陸面模型、 提高衛(wèi)星遙感應用的解譯精度與驗證能力等領域，具有重要應用價值。為進一步規(guī)范農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站的研發(fā)和生產(chǎn)行為， 推進農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站標準化，特制訂本功能規(guī)格需求書。1.2 適用范圍農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站用于小麥、玉米、棉花等大田作物和果樹、牧草、設施農(nóng)業(yè)等小氣候觀

9、測。 本功能規(guī)格需求書規(guī)定了農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站的組成結構、功能、測量性能、采樣、算法，以及供電、安全、工作環(huán)境、電磁兼容、結構和外觀、 可靠性和可維護性等要求， 為農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站的設計和生產(chǎn)提供依據(jù)。1.3 制定依據(jù)本功能規(guī)格需求書編寫的主要依據(jù)有：（1）新型自動氣象 ( 氣候) 站功能規(guī)格書（修訂版）（2）地面氣象觀測規(guī)范（3）農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范（4）農(nóng)業(yè)氣象觀測站上傳數(shù)據(jù)文件內(nèi)容與傳輸規(guī)范（試行）（5）農(nóng)業(yè)氣象自動觀測技術要求（試行）（6）農(nóng)林小氣候觀測儀 GB/T 20524-2006（7）氣象專用技術裝備功能規(guī)格需求書編寫指南（8）設施農(nóng)業(yè)小氣候觀測規(guī)范 日光溫室和塑料大棚 QX

10、/T 261-20151（9）自動土壤水分觀測儀功能需求書（10）氣象輻射觀測系統(tǒng)功能規(guī)格需求書2 術語和定義農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站： 用于大田作物、 果樹、 設施農(nóng)業(yè)等作物生長環(huán)境氣象要素自動采集的設備， 主要包括傳感器、 主采集器、 要素分采集器和外圍設備，從而滿足農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測需求的專業(yè)氣象觀測站。冠層葉溫：作物冠層葉片表面溫度的平均值。地溫：地溫包括地表溫度及土壤溫度 （5cm、10cm、15cm、20cm、30cm、40cm）。地表溫度是對地面的溫度進行測量后得到的溫度； 土壤溫度是地面以下土壤中的溫度，主要指與作物生長發(fā)育直接有關的地面下淺層內(nèi)的溫度。太陽總輻射：太陽總輻射是地球

11、表面某一觀測點水平面上接收太陽的直射輻射與太陽散射輻射的總和。3 組成結構3.1 觀測項目農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站是集作物生長氣象環(huán)境、 土壤環(huán)境等要素于一體的觀測系統(tǒng)。 觀測要素包括空氣溫度、 空氣濕度、風、 輻射、 冠層葉溫、降水量、 CO2濃度、地溫、土壤濕度等。其中：空氣溫度、濕度、風速、降水量要素的觀測層數(shù)可設置 1-4 層。風向、太陽總輻射、光合有效輻射、冠層葉溫、 CO2濃度要素設置 1 層。地溫可包括地表溫度、 5cm、10cm、15cm、20cm、30cm、40cm。土壤濕度可包括 010cm、1020cm、2030cm、3040cm、4050cm、5060cm、7080cm、9

12、0100cm。各層次的觀測高度和觀測要素可根據(jù)作物、 果樹、設施農(nóng)業(yè)觀測需求不同進行選配。3.2 硬件結構農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站的硬件組成包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器和外圍設備等，并支持土壤水分觀測等傳感器的接入，其硬件結構原理圖如圖 3.1 所示：2多層溫度傳感器分多層濕度傳感器采接風速傳感器風向傳感器雨量傳感器總輻射傳感器光合有效輻射傳感器模擬數(shù)字計數(shù)通道或智能傳感器主采集擴展端口器（實時多任務嵌入式操作系統(tǒng)）RS232通訊端口口多層地 土壤水溫分采 分分采 集器 集器多層地溫傳感土壤水分傳感器 器光纖MODEM冠層葉溫傳感器接口RS232通訊端口無線通訊模塊供電單元二氧化碳傳感器外存儲器圖 3.

13、1 農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站硬件結構原理圖3.2.1 傳感器農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站的傳感器分為氣象觀測要素傳感器、 土壤環(huán)境要素傳感器等。農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站的傳感器可根據(jù)觀測需要進行選擇， 實現(xiàn)溫度、濕度、降水量、風速、風向、總輻射、光合有效輻射、冠層溫度、 CO2濃度等氣象要素的觀測， 以及地溫、 土壤濕度等土壤環(huán)境要素的觀測。 在相關要素有成熟的智能傳感器時，鼓勵使用智能傳感器。3.2.2 數(shù)據(jù)采集器按照觀測要素類別的不同， 農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站的數(shù)據(jù)采集器分為主采集器和可選要素分采集器，主采集器負責采集溫度、濕度、降水量、風速、風向、總輻射、 光合有效輻射、 冠層葉溫和二氧化碳濃度觀測數(shù)值，

14、 分采集器負責地表溫度、土壤溫度、土壤濕度等土壤環(huán)境要素的觀測以及擴展觀測要素數(shù)據(jù)的采集，并通過總線或無線方式與主采集器進行數(shù)據(jù)通信。3.2.2.1 主采集器主采集器是農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站的核心，它的硬件部分由高穩(wěn)定性電3源、嵌入式處理器、大容量數(shù)據(jù)存儲器、高精度時鐘電路、高精度模數(shù)轉換電路、以及多路數(shù)字及模擬傳感器接口、通信接口、指示燈電路等多種電路模塊構成。氣象要素采集器硬件設計時必須滿足以下要求：（11）嵌入式處理器的選取應綜合考慮功耗、速度、內(nèi)置程序 FLASH容量、各種功能接口（ RS232、RS485、RJ45 等）。在具備自由組合安裝本功能規(guī)格需求書規(guī)定的傳感器能力的基礎上， 還

15、應具備擴展接入不少于 3 種其他新傳感器的能力，并具有總線或無線擴展接口，為以后應用擴展留有余量；（12）主采集器應至少可以存儲 1 小時的采樣瞬時值、 7 天的瞬時（分鐘）值、1 個月的正點要素值和小時狀態(tài)信息，并留有一定的余量方便擴展；數(shù)據(jù)存儲應使用循環(huán)式存儲器結構，并具備掉電保存功能；（13）模數(shù)轉換芯片應在 16 位（含 16 位）以上，滿足傳感器測量要求；（14）電源模塊應選擇高精度、 高穩(wěn)定性電源模塊， 滿足采集器本身及部分外部傳感器供電要求；（15）外接存儲器為 CF卡，并具備 SD卡、USB存儲器接口。數(shù)據(jù)文件、參數(shù)文件、 配置文件、 日志文件等存儲在采集器內(nèi)部， 同時應在外接

16、存儲器上進行備份；外接存儲器應具備循環(huán)式存儲結構；（16）應具備監(jiān)測電路， 包括主板溫度測量、 主板電源測量、 交流供電檢測、機箱門狀態(tài)檢測、蓄電池電量檢測等；（17）應具備指示燈，包括系統(tǒng)指示燈（秒閃，包括供電狀態(tài)指示、傳感器采集工作狀態(tài)指示）、外接存儲設備通信指示燈、通信狀態(tài)指示燈等；（18）采集器的基本工作電壓是 12V直流電壓，采集器中其它直流工作電壓應由此轉換而成。3.2.2.2 分采集器分采集器由硬件和嵌入式軟件組成。 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、監(jiān)測電路、指示燈等，硬件系統(tǒng)能夠

17、支持嵌入式實時操作系統(tǒng)的運行。分采集器嵌入式處理器的選取還應滿足下列要求：（19）應綜合考慮速度、功耗、環(huán)境要求，具有內(nèi)置的 Watchdog功能；（20）應選擇 16 位以上的 A/D 轉換電路，以滿足傳感器的測量要求；（21）實時時鐘電路應能保證誤差不大于 15s/ 月的要求；（22）程序存儲器應為非易失性的， 容量應滿足嵌入式軟件的容量要求， 并具有 50%以上的余量；（23）參數(shù)存儲器應為非易失性的，容量應滿足數(shù)據(jù)存儲的要求，并具有450%以上的余量；（24）RAM應滿足嵌入式軟件的運行要求，并且具有 30%以上的余量。（25）各分采集器的基本配置要求（26）分采集器應具備監(jiān)測電路，包

18、括主板溫度測量和主板電源測量；（27）分采集器應具備指示燈， 包括系統(tǒng)運行指示燈、 通信操作指示燈和通信告警指示燈；（28）分采集器應提供在線編程接口： RS 232；（29）分采集器能夠監(jiān)測自身的工作狀態(tài)， 包括主板溫度、 工作電壓和傳感器狀態(tài)；（30）在不更改任何硬件設備的前提下，可以通過本地終端對分采集器嵌入式軟件進行版本升級。3.2.3 外圍設備3.2.3.1 電源電源須同時支持 220V 市電和太陽能兩種供電方式，在有條件的場合應采用市電，沒有市電的場合采用太陽能供電。 采用市電供電時， 電源由開關電源、 12V蓄電池構成，蓄電池的容量必須保證觀測站能在脫離輔助電源的條件下連續(xù)工作7

19、 天。并在蓄電池電壓低到標稱電壓 12V的 95（11.4V）時發(fā)出報警信息；采用太陽能供電時，由太陽能電池板、 PV控制器、蓄電池構成。3.2.3.2 外存儲器觀測系統(tǒng)使用 CF卡作為外存儲器， 用于存儲氣象數(shù)據(jù)和特種要素觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以 FAT32文件格式存儲。3.2.3.3 支架支架主要用于裝配各類傳感器、 通信裝置等設備。 用于旱地和水田作物的高度 3.5 5.5m,用于設施農(nóng)業(yè)的高度為 2m；太陽能電池板支架高度為 3.5 5.5m。3.2.3.4 機箱機箱用于安裝主控系統(tǒng)， 各個功能模塊布局合理， 符合電氣安全要求， 散熱性能良好。機箱具有良好的密封性，防護等級要求達到 IP65，

20、具有安全防盜、防輻射等性能。3.2.3.5 避雷針避雷針的長度 （接閃器的高度） 需達到觀測站上端布設的各類傳感器所需要的保護范圍的要求，避雷針的制作材料、直徑、接閃器材料、固定連接裝置、引5下線和接地等應達到相關防雷的技術規(guī)范要求。3.2.3.6 防輻射罩防輻射罩必須保證空氣由任何角度自由通過，并反射來自任何方向的陽光。防輻射罩材質(zhì)要具有高反射率、 低導熱性、 抗紫外線的功能， 可用于極端的氣候條件。3.2.3.7 通信設備無線通信：通過在數(shù)據(jù)采集器的 RS-232通信口上擴展無線通信模塊，利用GPRS、CDM、A 3G、4G 等無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站與數(shù)據(jù)中心站數(shù)據(jù)通信，傳輸農(nóng)

21、業(yè)小氣候自動觀測站觀測數(shù)據(jù)。有線通信：通過在數(shù)據(jù)采集器的 RS-232通信口上擴展光纖等有線通信模塊，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站與計算機業(yè)務軟件間的數(shù)據(jù)通信， 傳輸農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站觀測數(shù)據(jù)。3.3 軟件3.3.1 采集軟件采集軟件由嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件組成， 嵌入式操作系統(tǒng)應選擇實時性高、性價比好、穩(wěn)定可靠的多任務實時操作系統(tǒng)。主要實現(xiàn)以下功能：（1）實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸功能；（2）實現(xiàn)遠程參數(shù)設置、數(shù)據(jù)監(jiān)視、數(shù)據(jù)下載、采集器復位等功能；（3）存儲數(shù)據(jù)文件、參數(shù)文件、配置文件、日志文件等。3.3.2 中心站組網(wǎng)軟件中心站組網(wǎng)軟件是實現(xiàn)某一區(qū)域農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站的自

22、動組網(wǎng)和監(jiān)控管理的應用軟件。安裝的農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站均通過光纖或 GPRS、CDM、A 3G、4G等無線通信方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳、組網(wǎng)和監(jiān)控管理功能。中心站組網(wǎng) 和監(jiān)控管理 軟件的主要功能要求如下：（1）設置或查詢各個觀測站的站名、區(qū)站號、經(jīng)緯度、海拔高度、 DTU等通信號碼、在線登錄狀態(tài)、數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、當前或歷史資料等；（2）設置數(shù)據(jù)上傳時間間隔：可向一個或多個農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站設置數(shù)據(jù)上傳時間間隔 ( 默認 1min，可選 10min)自動上傳農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站最新的分鐘觀測數(shù)據(jù)；（3）遺漏資料補傳：可補傳農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站存儲的歷史觀測數(shù)據(jù)；6（4）觀測要素開關設置：可打開或關閉農(nóng)業(yè)小氣候自動觀測站的某一觀測要素的傳感器；（