自動氣象站在線核查標(biāo)準(zhǔn)器

PAGE1自動氣象站在線核查標(biāo)準(zhǔn)器功能規(guī)格需求書（初稿）湖南省氣象技術(shù)裝備中心2021年6月-PAGEII-目錄TOC\o"1-2"\h\z\u45671前言 110771.1目的 1129881.2適用范圍 1190641.3編寫依據(jù) 2155482組成結(jié)構(gòu) 238932.1概述 2232792.2傳感器 3126682.3數(shù)據(jù)采集單元 4141022.4通信傳輸模塊 4100422.5供電單元 4158472.6外圍部件 5181122.7軟件 5325203功能要求 5290353.1初始化和參數(shù)設(shè)置 5198353.2數(shù)據(jù)采樣和算法 6206843.3數(shù)據(jù)處理 6114643.4數(shù)據(jù)存儲 686313.5數(shù)據(jù)傳輸 6143843.6時鐘管理功能 795073.7數(shù)據(jù)接口格式 7237163.8終端操作命令 7196554測量性能 7172454.1測量類型 7107044.2量和單位 7312994.3指標(biāo)要求 856805結(jié)構(gòu)要求 842365.1基本要求 854435.2安全要求 9207825.3機械強度要求 938205.4接線要求 9210265.5材料與涂覆要求 9246676供電電源要求 1016787環(huán)境適應(yīng)性要求 10225398可靠性、可維性和穩(wěn)定性 10131238.1可靠性要求 1078768.2可維性要求 10246328.3測量穩(wěn)定性要求 11239749包裝、運輸、安裝要求 11304489.1包裝要求 11126759.2運輸要求 11319749.3安裝要求 111589310其他要求 12472210.1時鐘精度要求 12199910.2功耗要求 122503110.3技術(shù)文件要求 121264110.4檢定要求 12PAGE12前言目的目前國家級自動氣象站的計量依托于省級氣象儀器計量站，已實現(xiàn)了傳感器的日常檢定工作。區(qū)域自動氣象站依托于地市級移動校準(zhǔn)維修系統(tǒng)，開展傳感器的現(xiàn)場核查。自動氣象站一般檢定（核查）周期為1～2年，而自動氣象站是全天24小時在線運行，對傳感器準(zhǔn)確性影響很大，檢定（核查）周期之間的傳感器性能無法確定。建設(shè)自動氣象站在線核查標(biāo)準(zhǔn)器，可以在不影響自動氣象站運行的情況下驗證傳感器性能是否滿足要求，更好地保證自動氣象站數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。編寫本功能需求書主要目的在于進一步規(guī)范在線核查標(biāo)準(zhǔn)器研發(fā)和生產(chǎn)行為，為儀器設(shè)計定型和開展試驗提供依據(jù)。隨著氣象儀器性能和在線核查技術(shù)的逐步發(fā)展，功能需求書還將進一步完善。本功能需求書由湖南省氣象技術(shù)裝備中心組織編寫。適用范圍1.2.1在線核查對象自動氣象站在線核查標(biāo)準(zhǔn)器涉及的核查對象包括：自動氣象站、區(qū)域自動氣象站的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等要素，同時需為其他觀測設(shè)備在線核查預(yù)留接口。另外雨量傳感器仍采用《區(qū)域自動氣象站現(xiàn)場核查方法》（試行）中提出的現(xiàn)場核查方式，即采用雨量校準(zhǔn)儀進行現(xiàn)場核查，技術(shù)指標(biāo)參見《區(qū)域自動氣象站現(xiàn)場核查方法》（試行），在本功能需求書中不作說明。1.2.2使用用戶主要用戶為省、市級計量技術(shù)人員。本功能需求書所規(guī)定的在線核查標(biāo)準(zhǔn)器采用積木式結(jié)構(gòu)，具備五要素自動氣象站基本功能且各傳感器技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國家級自動氣象站，具有體積小、重量輕、便于運輸和人工攜帶、架設(shè)方便快捷等特點。同時，還具有觀測要素擴展性強、功耗低、可使用多種組合方式供電、支持多種通信方式等特點。本功能需求書規(guī)定了在線核查標(biāo)準(zhǔn)器在組成結(jié)構(gòu)、功能、測量性能、采樣和算法、供電電源、工作環(huán)境、安全、可靠性和可維護性等要求，為設(shè)備制造單位提供設(shè)計和生產(chǎn)的依據(jù)。編寫依據(jù)本功能規(guī)格需求書參考《區(qū)域自動氣象站現(xiàn)場核查方法》（試行）、各氣象傳感器檢定規(guī)程以及國內(nèi)外核查標(biāo)準(zhǔn)器發(fā)展情況，在國內(nèi)氣象部門對自動氣象站現(xiàn)場核查的基礎(chǔ)上，以下列文件資料為依據(jù)進行編寫的：中國氣象局，《地面氣象自動觀測規(guī)范（第一版，2019年9月）》；中國氣象局，《新型自動氣象（氣候）站功能規(guī)格書（2010）》；中國氣象局，《區(qū)域自動氣象站現(xiàn)場核查方法》（試行，2014）中國氣象局，JJG(氣象)005-2015自動氣象站翻斗式雨量傳感器檢定規(guī)程中國氣象局，JJG(氣象)001-2015自動站氣壓傳感器檢定規(guī)程中國氣象局，JJG(氣象)002-2015自動氣象站鉑電阻溫度傳感器檢定規(guī)程中國氣象局，JJG(氣象)003-2011自動氣象站濕度傳感器檢定規(guī)程中國氣象局，JJG(氣象)004-2011自動氣象站風(fēng)向風(fēng)速傳感器檢定規(guī)程組成結(jié)構(gòu)概述在線核查標(biāo)準(zhǔn)器由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速氣象要素標(biāo)準(zhǔn)傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、通信傳輸模塊、供電單元及支架等，軟件為采集器嵌入式軟件、本地終端操作軟件。在線核查標(biāo)準(zhǔn)器的邏輯結(jié)構(gòu)如下圖1。RS232RS232通信傳輸模塊濕度標(biāo)準(zhǔn)傳感器數(shù)據(jù)采集單元供電單元外圍部件溫度標(biāo)準(zhǔn)傳感器風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)傳感器雨量校準(zhǔn)儀風(fēng)向標(biāo)準(zhǔn)傳感器氣壓標(biāo)準(zhǔn)傳感器本地顯示軟件在線核查軟件自動氣象站在線核查標(biāo)準(zhǔn)器邏輯結(jié)構(gòu)框圖在線核查標(biāo)準(zhǔn)器的設(shè)計應(yīng)考慮：=1\*GB2⑴體積小，重量輕，便于運輸和人工攜帶；=2\*GB2⑵架設(shè)方便，穩(wěn)固安裝，能快速投入在線核查；=3\*GB2⑶使用高精度傳感器，測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠；=4\*GB2⑷低功耗，采用鋰電池供電；=5\*GB2⑸支持多種通信方式，支持本地或遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)；=6\*GB2⑹設(shè)備運行穩(wěn)定可靠。傳感器在線核查標(biāo)準(zhǔn)器使用的傳感器，可以根據(jù)核查需求，分為標(biāo)準(zhǔn)配置傳感器和擴展配置傳感器兩類：可配置的傳感器種類及觀測要素配置觀測要素標(biāo)準(zhǔn)空氣溫度、空氣濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、大氣壓力擴展例如：地溫等在線核查標(biāo)準(zhǔn)器基本配置為五要素（溫、濕、風(fēng)向、風(fēng)速、壓）自動核查儀，考慮到服務(wù)的需求在選擇標(biāo)準(zhǔn)傳感器時，技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足本功能需求書4.3指標(biāo)要求，同時考慮傳感器重量輕，便于安裝、攜帶。數(shù)據(jù)采集單元數(shù)據(jù)采集單元是在線核查標(biāo)準(zhǔn)器的關(guān)鍵部件。它由中央處理器、時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲器、接口、控制電路等部分構(gòu)成，主要功能是完成各傳感器的采樣、對采樣數(shù)據(jù)進行控制運算、數(shù)據(jù)計算處理、數(shù)據(jù)記錄存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和傳輸?shù)?。?shù)據(jù)采集單元具備模擬量、頻率和數(shù)字量等多種信號采集通道，可以直接掛接基本配置的傳感器，并具備擴展接入不少于2種傳感器的能力；具備不少于1個RS232接口，支持調(diào)試和數(shù)據(jù)通信傳輸（本地\遠(yuǎn)程）功能。數(shù)據(jù)采集單元應(yīng)設(shè)計為功能齊全、規(guī)模小巧、功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊，防水防塵防震。通信傳輸模塊數(shù)據(jù)采集單元具備RS232接口，可以通過電纜線直接與終端連接，也可以通過RS232接口擴展本地通信或無線通訊。在線核查標(biāo)準(zhǔn)器支持短距離無線通信方式，短距離無線通信采用WIFI\藍(lán)牙\點對點\Zigbee等傳輸模塊，可以在較短距離內(nèi)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮战K端（如電腦、顯示屏或PDA等）；遠(yuǎn)程無線通信傳輸模塊有GPRS\CDMA1x等模塊，可以遠(yuǎn)距離將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮战K端。可配置的通信傳輸模塊種類名稱傳輸方式選配信息本地通信傳輸電纜直連RS232\485標(biāo)配短距離WIFI\藍(lán)牙\點對點\Zigbee可選遠(yuǎn)程通信傳輸無線公網(wǎng)GPRS\CDMA1x可選供電單元供電單元負(fù)責(zé)為在線核查標(biāo)準(zhǔn)器提供工作電源，通常使用標(biāo)稱電壓12V的鋰電池?？墒褂媒涣麟姟④囕d電源等外接電源轉(zhuǎn)12V直流對鋰電池進行充電?？膳渲玫墓╇姺绞焦╇姺绞竭x配信息主電源鋰電池標(biāo)配充電方式交流電標(biāo)配車載電源可選外圍部件在線核查標(biāo)準(zhǔn)器的外圍部件包括三角支架、橫臂、自然通風(fēng)防輻射罩、風(fēng)桿、地錨、手提箱（或背包）、拉繩等。其中，在線核查標(biāo)準(zhǔn)器標(biāo)準(zhǔn)配置的風(fēng)桿高度為3米，也可根據(jù)觀測需求選配其他高度的風(fēng)桿。在線核查標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)配置必要的野外安裝工具?？膳渲玫耐鈬考N類名稱選配信息主要三角支架必選橫臂必選自然通風(fēng)防輻射罩必選機箱必選3米風(fēng)桿必選地錨必選輔助基本安裝工具可選軟件采集器嵌入式軟件采集器嵌入式軟件由在線核查標(biāo)準(zhǔn)器生產(chǎn)廠家編寫，運行于在線核查標(biāo)準(zhǔn)器的數(shù)據(jù)采集單元中，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。本地終端操作軟件本地終端操作軟件由在線核查標(biāo)準(zhǔn)器生產(chǎn)廠家（或用戶）編寫，可運行在本地數(shù)據(jù)接收終端（電腦、顯示屏或PDA等），該終端通過電纜線或短距離無線通信傳輸模塊與在線核查標(biāo)準(zhǔn)器實現(xiàn)本地連接。本地終端操作軟件具有數(shù)據(jù)實時接收顯示、采集器設(shè)置、數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢等功能。功能要求初始化和參數(shù)設(shè)置在線核查標(biāo)準(zhǔn)器開機后即進行自檢，自檢通過后，以默認(rèn)設(shè)置參數(shù)進入工作狀態(tài)。在線核查標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)盡可能通過減少參數(shù)設(shè)置種類和數(shù)量、優(yōu)化設(shè)置軟件的人機界面、采用組合式參數(shù)設(shè)置等方式減少設(shè)置所需的時間，加快在線核查標(biāo)準(zhǔn)器投入運行的速度。數(shù)據(jù)采樣和算法在線核查標(biāo)準(zhǔn)器的數(shù)據(jù)采集器采樣和計算方法，應(yīng)遵循《新型自動氣象（氣候）站功能規(guī)格書（2010）》的有關(guān)規(guī)定。數(shù)據(jù)處理現(xiàn)場核查數(shù)據(jù)采集器最終輸出數(shù)據(jù)格式參照《新型自動氣象（氣候）站功能規(guī)格書（2010）》編譯，提供溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速的分鐘數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲在線核查標(biāo)準(zhǔn)器具有觀測數(shù)據(jù)存儲功能，存儲分鐘數(shù)據(jù)不少于24小時，數(shù)據(jù)存儲器為“先入先出”數(shù)據(jù)存儲模式，具備掉電數(shù)據(jù)保存功能。數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)RS232串口通信，默認(rèn)通信協(xié)議為：波特率：9600bps，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無校驗。通信協(xié)議可以通過本地終端進行設(shè)置。本地通信傳輸在線核查標(biāo)準(zhǔn)器與數(shù)據(jù)接收終端間的信號傳輸，使用電纜線直接連接時，傳輸距離應(yīng)不小于10米；使用WIFI\藍(lán)牙\點對點\Zigbee短距離無線傳輸模塊進行本地通信傳輸時，傳輸距離應(yīng)不小于10米。遠(yuǎn)程通信傳輸通過在數(shù)據(jù)采集單元的RS232口上接入無線傳輸模塊，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸功能。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)將單元內(nèi)存儲的觀測數(shù)據(jù)按照設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)通信方式進行傳輸。根據(jù)不同的環(huán)境需求，采用多種通信組網(wǎng)方式靈活組合。在具有無線移動運營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋的條件下，采用GPRS、CDMA1X或短信方式接入。系統(tǒng)具有模塊化的設(shè)計方法，在不同網(wǎng)絡(luò)需求下，可以選配通信方式。時鐘管理功能 當(dāng)在線核查標(biāo)準(zhǔn)器獨立運行時，由實時時鐘芯片提供系統(tǒng)時鐘。當(dāng)在線核查標(biāo)準(zhǔn)器與數(shù)據(jù)接收終端相連接時，由本地終端操作軟件或中心站組網(wǎng)軟件通過對時命令對在線核查標(biāo)準(zhǔn)器進行對時。數(shù)據(jù)接口格式在線核查標(biāo)準(zhǔn)器對外提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，包括實時數(shù)據(jù)，分鐘數(shù)據(jù)接口（本文只規(guī)定使用標(biāo)配5要素的標(biāo)準(zhǔn)傳感器數(shù)據(jù)接口格式，接入擴展要素后需調(diào)整）。GPRS/CDMA、ZigBee等通信終端支持透明傳輸?shù)膮f(xié)議，可采用串口通信的數(shù)據(jù)格式，即透明傳輸格式。終端操作命令在線核查標(biāo)準(zhǔn)器支持各種終端操作命令，用來設(shè)置參數(shù)、讀取數(shù)據(jù)等。至少具備以下終端操作命令：設(shè)置/讀取時間、讀取分鐘數(shù)據(jù)、下載指定時間段數(shù)據(jù)、設(shè)置/讀取臺站號、設(shè)置/讀取數(shù)據(jù)發(fā)送方式及發(fā)送間隔、數(shù)據(jù)采集單元復(fù)位等。測量性能測量類型在線核查標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)至少能夠同時測量：空氣溫度、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、大氣壓力等氣象要素；并具備冗余接口，可以擴展地溫等氣象要素。量和單位在各氣象要素的量和單位名稱及其符號按表5確定。主要氣象要素的量和單位的名稱及其符號序號氣象變量的名稱量的符號測量單位的名稱單位的符號1空氣溫度T攝氏度℃2相對濕度RH百分率%3風(fēng)向WD度°4風(fēng)速WS米每秒m/s5大氣壓力P百帕hPa指標(biāo)要求在線核查標(biāo)準(zhǔn)器所使用的傳感器參考?xì)鉁y函〔2014〕108號-觀測司關(guān)于印發(fā)《區(qū)域自動氣象站現(xiàn)場核查方法》（試行）的通知中對于溫度、濕度、氣壓核查標(biāo)準(zhǔn)器的技術(shù)要求，同時應(yīng)能滿足中國氣象局《地面氣象自動觀測規(guī)范（第一版，2019年9月）》對氣象傳感器觀測性能的基本要求。在線核查標(biāo)準(zhǔn)器測量性能基本要求測量要素范圍分辨力最大允許誤差氣壓500hPa～1100hPa0.01hPa±0.1hPa（5℃～35℃）氣溫-50℃～50℃0.01℃±0.1℃（5～35℃）相對濕度5%～100%RH0.1%RH±2%RH（10%RH~100%RH）（5℃～35℃）風(fēng)向0～360°1°±2°風(fēng)速0～60m/s0.1m/s啟動風(fēng)速：≤0.5m/s0.5m/s（0m/s~60m/s）備注：在線核查標(biāo)準(zhǔn)器可選配超聲風(fēng)傳感器。結(jié)構(gòu)要求基本要求在線核查標(biāo)準(zhǔn)器的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)利于裝配、調(diào)試、檢驗、包裝、運輸、安裝、維護等工作；表面應(yīng)整潔，無損傷和形變，表面涂層無氣泡、開裂、脫落等現(xiàn)象，各零部件應(yīng)具有安裝方便、牢固的特點，同時無機械變形、斷裂、彎曲等。應(yīng)根據(jù)在線核查標(biāo)準(zhǔn)器的使用情況進行專項設(shè)計，盡量減少現(xiàn)場最小可更換單元的數(shù)量以降低現(xiàn)場安裝時間；結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)方便現(xiàn)場安裝，減少專用工具甚至常規(guī)工具使用量。安全要求安全標(biāo)記及要求標(biāo)記符合GB4793.1-2007《測量、控制和實驗室用電氣設(shè)備的安全要求》關(guān)于“設(shè)備用圖形符號”的要求；低壓直流電源接入端口以紅色“+”和黑色“－”標(biāo)出極性，并標(biāo)明額定電壓值；電源開關(guān)標(biāo)明電源“通”、“斷”位置；標(biāo)明電源熔斷器額定電流值。其它要求儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)上的棱緣或拐角，應(yīng)倒圓和磨光；對于在產(chǎn)品壽命期內(nèi)無法始終保持足夠的機械強度而需要定期維護或更換的部件，應(yīng)在產(chǎn)品使用說明書上醒目地載明更換周期并著重注明不這樣做的危險性；機械強度要求 在線核查標(biāo)準(zhǔn)器的各種部件，如支架、拉繩、安裝件等，應(yīng)有足夠的機械強度，確保在產(chǎn)品壽命期內(nèi)，不因外界環(huán)境的影響和材料本身原因而導(dǎo)致機械強度下降而引起危險和不安全。接線要求為節(jié)省現(xiàn)場安裝、維護時間，在線核查標(biāo)準(zhǔn)器所有可能需要現(xiàn)場操作的導(dǎo)線全部采用接插件（插頭座）方式。材料與涂覆要求材料要求應(yīng)選用耐老化、抗腐蝕、具有良好電氣絕緣等性能的材料，禁止使用不符合有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的劣質(zhì)材料。涂覆要求在線核查標(biāo)準(zhǔn)器所使用的各零部件，除用耐腐蝕材料制造的以外，其表面應(yīng)有涂、敷、鍍等工藝措施，以保證其耐潮、防霉的性能。供電電源要求在線核查標(biāo)準(zhǔn)器的主要供電電源為12VDC鋰電池，由輔助電源對鋰電池充電。輔助電源一般選用市電（220VAC）、車載電源等。具體要求如下：在線核查標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)配備交流電充電方式，可選擇車載電源充電方式；標(biāo)準(zhǔn)的電池容量配置應(yīng)至少符合以下要求：正常工作方式（分鐘傳輸密度）下，最低連續(xù)工作時間12小時。環(huán)境適應(yīng)性要求工作溫度：0℃～＋40℃(電氣部分)；相對濕度：5%～100%；大氣壓力：450～1060hPa；抗風(fēng)能力：陣風(fēng)≤20m/s可靠性、可維性和穩(wěn)定性可靠性要求產(chǎn)品應(yīng)進行可靠性設(shè)計、測試和試驗工作要求。元器件選擇與控制；可靠性預(yù)計和分配；可靠的電路設(shè)計；冗余設(shè)計；耐環(huán)境設(shè)計?？删S性要求在線核查標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)進行專門的可維性設(shè)計，編制現(xiàn)場應(yīng)急維修