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1、冻土自动观测仪功能规格需求书中国气象局综合观测司2018年12月1前言31.1目的31.2适用范围31.3制定依据32组成结构要求42.1概既述42.2硬件结构42.2.1传感器42.2.2数据采集器52.2.3系统电源62.2.4通信接口62.2.5外围设备62.3软件结构63功能要求63.1观测要素73.2初始化和参数设置73.3运行状态信息73.4数据采集和处理73.5数据质量控制73.6数据存储83.7数据传输83.8软件升级83.9终端操作命令83.10时钟同步84技术指标84.1测量性能指标84.2环境适应性指标94.2.1气候条件.4.2.2机械条件.423生物条件.4.2.4化
2、学条件 4.2.5电磁兼容性4.,可靠性指标4.4可维护性指标.4.5功耗要求4.6设备寿命10.10.101111115安装与场地要求116结构和外观要求126.1机械结构要求.6.2机械强度要求.6.,材料与涂覆要求6.4外观要求12,13,13,33,7供电要求137.1主电源供电要求 7.2备选电源供电要求13,13,8安全要求8.1电气安全要求8.2防雷要求.14,14,附录A冻土自动观测仪采集算法流程15附录B要素编码与数据格式16B.1冻土自动观测要素及其编码B.2设备状态要素编码B.,数据帧格式16.16.18附录C通信命令251前言1.1目的冻土是指含有水分的土壤因温度下降到
3、0C或以下而呈冻结的状态。冻土观测是中国气象局统一布局观测项目，观测内容包括土壤冻结层次和 冻结深度，观测方式主要采用人工器测，使用TB1-1型冻土器（又叫达尼林冻 土器），人工每天定时将深达0.5一4.5米的注水软胶管提到地面之上，用手摸 测软管中水的冻结情况判断冻土层次和深度。该观测方式较为原始，劳动强度 大，且内管提取、摸测过程中易产生断折，加上受观测人员的主观感知程度影 响，冻土观测结果存在人为误差。同时，随着冻土观测数据在气候监测、农业生产、建筑规划与设计、环境 监测等领域需求的日益增多，传统观测仪器和方式方法已经不能满足当前预报 和服务需求，亟待研制具有观测精度高、性能稳定、维护方
4、便等特点的冻土自 动观测仪。为此，本功能规格需求书按照统一标准、统一功能、统一结构的设计思路, 明确了冻土自动观测仪性能要求，规范了冻土自动观测数据格式。1.2适用范围本功能规格需求书规定了冻土自动观测仪的结构、功能、性能、环境适应 性和业务运行等方面的要求，为设备研发、加工生产等提供依据。本功能规格需求书不适用于利用地温等要素综合判识冻土深度的方法。1.3制定依据本功能规格需求书依据或参考下列文件资料编写：1 地面气象观测规范中国气象局，2003年。2 气象观测专用技术装备功能规格需求书编写指南（试行），中国气 象局综合观测司，2015年。3GB/T 33695-2017地面气象要素编码与数
5、据格式中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会，2017年。2组成结构要求2.1概述冻土自动观测仪是根据含有水分土壤的冻融特性，通过测量水的相态（频 域反射、温度反演），采用阈值判断方法测量土壤冻结深度的仪器。目前冻土自 动观测主要采用电阻法、电容法和测温法等。冻土自动观测仪由软件和硬件两部分组成。软件为嵌入式软件，硬件主要 由传感器、数据采集器、供电单元和外围设备等组成，可接入综合集成硬件控制器，其硬件结构示意图如图2.1。模拟/数字通道RS232/RS485 L端口调试终端第1层第2层第3层第4层第5层.第n层面传感器扩展端口数据采集器供电单元RS232/RS485端
6、口无线通信模块/综合集成硬件控制器图2.1冻土自动观测仪硬件结构示意图2.2硬件结构2.2.1传感器2.2.1.1冻阻式冻土传感器冻阻式冻土传感器利用水的相态发生改变时体积、电阻等介电常数物理特性随之变化的原理，通过非纯净水做感应质，测量相关物理量得到冻结层次和 上下限深度。2.2.1.2电容式冻土传感器电容式冻土传感器利用土壤中水与冰发生相变时介电常数随之改变的特 性，通过LC振荡电路频率响应变化，结合频率变化规律和土壤温度建立土壤冻 融状态判别模型，获得冻结层次和上下限深度。2.2.1.3测温式冻土传感器测温式冻土传感器根据水凝结成冰或冰融化成水的温度变化特性，结合冻 点确定算法，获得冻结
7、层次和上下限深度。2.2.2数据采集器数据采集器的硬件部分由嵌入式处理器、数据存储器、时钟电路、通信接 和指示灯电路等多种电路模块组成。数据采集器的主要功能是获取传感器采 样数据，对采样数据进行计算处理、质量控制、数据存储、通信传输，与终端 计算机进行交互。数据采集器硬件设计时必须满足以下要求：(1) 电源：应采用高精度、高稳定性电源模块，满足采集器供电要求，外 接电源供电电压为DC (9一15) V。(2) 时钟：自带高精度实时时钟，时钟误差15秒/月，接受终端软件校 时，校时误差小于1秒。(3) 存储：程序存储器容量满足嵌入式软件需求。数据存储器至少能存储 10天的分钟数据、1个月的正点数
8、据，并留有30%以上的存储空间。(4) 通信接:具有RS232/RS485通信接口。(5) 监控电路：硬件看门狗，主板温度监测，电池电压监测，通信状态监 测。指示灯：用于供电、运行、通信等状态指示。2.2.3系统电源采用市电、太阳能等供电方式。市电供电时，系统电源由电源转换及控制模块、蓄电池组成；太阳能供电 时，系统电源由太阳能电池板、电源控制器、蓄电池组成。在没有外部供电条 件下，蓄电池须保证冻土自动观测仪连续运行7天以上。2.2.41 信接口通信方式包括有线通信和无线通信。(1) 有线通信：通过采集器RS-232或RS-485等通信接接入综合集成硬 件控制器或终端计算机，实现与上位机的数据
9、通信。(2) 无线通信：通过采集器RS-232或RS-485等通信接与无线通信模块 连接，实现与中心站的数据通信。2.2.5外围设备外围设备包括立杆、支架、机箱等安装结构件。立杆和支架主要用于安装机箱、太阳能板等。机箱应符合电气安全标准，具有良好的密封性并兼顾散热。防护等级要求 达到IP65，具有安全防盗、防辐射等性能。2.3软件结构软件主要包括数据采集、数据处理、数据存储和数据传输等功能模块。数据采集模块须按规定的采样频率进行采集；数据处理模块负责完成采样 算法、数据计算处理和数据质量控制；数据存储模块主要完成数据的存储与管 理；数据传输模块实现与终端计算机的通信，并具有数据补传功能。3功能
10、要求3.1观测要素冻土观测要素包括冻结层次及上下限深度。3.2初始化和参数设置(1) 采集器自检，包括检测传感器接和存储器，做好数据采集和通信 连接准备。(2) 参数设置，可通过终端软件对冻土自动观测仪进行设置。3.3运行状态信息冻土自动观测仪具备输出设备运行状态信息的功能，主要包括设备工作状态、电源状 态和通信状态等。3.4数据采集和处理数据采集间隔1 次/min，算法详见附录A。将采样信号按规定的算法处理成符合格式要求的冻土观测数据，数据格式 详见附录Bo3.5数据质量控制软件应具备质量控制功能，实现极限范围检查和变化速率检查。(1) 极限范围检查验证每个瞬时气象值应在传感器的正常测量范围
11、内。未超出的，标识“正确”超出的，标识“错误”(2) 变化速率检查当前瞬时气象值与前一瞬时气象值的差若大于“存疑的变化速率”则当 前瞬时气象值不能通过检查，标识为“存疑”若大于“错误的变化速率”则 当前瞬时气象值标识为“错误”3.6数据存储采集器至少能够存储10天的分钟观测数据、状态信息以及1个月的正点观 测数据，并留有30%以上的存储空间。数据存储须采用循环式存储器结构，即允 许最新的数据覆盖旧数据。采集器数据存储器应具备掉电保存功能。3.7数据传输支持主动传输和被动传输两种传输模式。（1）被动传输模式：设备每分钟完成数据采集处理，等待数据读取命令 （READDATA），向上位机发送距当前时
12、刻最近的数据。（2）主动传输模式：根据预设的程序与上位机进行数据传输。3.8软件升级通过终端软件对采集器发出升级指令，完成软件升级。3.9终端操作命令终端操作命令为采集器和终端计算机、中心站软件之间通信的命令，能实 现对采集器各项参数的设置、读取以及观测数据的读取。终端操作命令格式详见附录Co3.10时钟同步通过终端软件发送命令，对冻土自动观测仪统一校时。4技术指标4.1测量性能指标测量深度：0cm450cm，根据当地可能出现的最大冻土深度，采用规格适 宜的传感器。可采用分段观测的方式，便于安装、维护。分辨力：1cm。最大允许误差：2cm。4.2环境适应性指标4.2.1气候条件在下列气候条件下
13、，观测仪应能正常工作：空气温度：-50C+ 60Co相对湿度：5%一100%。降水强度：6mm/min。抗风能力：75m/s。4.2.2机械条件(1) 在非工作包装状态下，应能通过如下等级的正弦振动试验：正弦稳态振动：位移1.5mm加速度5m/s2频率 2 9Hz、9200Hz(2) 在非工作包装状态下，应能通过如下等级的冲击试验：脉冲波形：半正弦波峰值加速度：50m/s2脉冲持续时间：30ms冲击次数：3个互相垂直的每一方向连续施加3次冲击，共18次。4.2.3生物条件应采取适当的防霉菌措施。除非使用在特殊的环境条件或使用方有要求时,否则不必通过长霉试验来鉴定其抗霉菌能力。应采取适当措施防止
14、动物损坏，如鼠咬、蚁噬等。4.2.4化学条件正常大气条件下，应在材料、表面涂覆和工艺上采取相应的措施，使其具 有一定的抗化学活性物质危害的能力，在产品寿命期内不致因腐蚀而引起产品 的失效。盐雾试验时间应不少于48小时，其他试验条件符合国家有关标准和行业标 准的要求。4.2.5电磁兼容性冻土自动观测仪各端的电磁抗扰度应满足表4.1的要求。表4.1端电磁抗扰度要求内容试验条件交流电源端口直流电源端口控制和信号端口1.2/50 “ S （电压） 8/20“S（电流） 浪涌冲击抗扰度线对地：2kV线对地：土 1kV线对地：土 1kV电快速瞬变脉冲群抗扰度2kV 5kHz1kV 5kHz1kV 5kHz射频电磁场辐射抗扰度0.1580MHz 3V/m 80% AMk (1kHz)0.1580MHz3V/m80% AMk (1kHz)0.1580MHz3V/m80% AMk (1kHz)静电放电抗
