自动日照计功能规格需求书

附件 自动日照计功能规格需求书自动日照计功能规格需求书 中国气象局综合观测司中国气象局综合观测司 20142014 年年 1212 月月 1 编 写 说 明 本功能规格需求书规定了自动日照计的相关技术要求， 包括：组成结构、功能和测量性能指标、环境适应性和业 务运行等要求，可作为自动日照计的设备研制、生产、测 试评估的依据。 本功能规格需求书由中国气象局综合观测司委托中国 气象局气象探测中心组织编写，修改权、解释权属于中国 气象局综合观测司。 主要编写人员：吕文华、丁蕾、贺晓雷、杨云、边泽 强、权继梅、崇伟。 2 目目 录录 1 1 前言前言.1 1 1.1 目的.1 1.2 适用范围.1 1.3 制定依据.1 2 2 组成结构要求组成结构要求.2 2 2.1 概述.2 2.2 日照传感器.2 2.3 数据处理单元.3 2.4 供电单元.3 2.5 外围结构.3 3 3 功能要求功能要求.4 4 3.1 日照观测.4 3.2 数据采样.4 3.3 数据处理.4 3.4 数据格式.4 3.5 数据存储.4 3.6 数据传输.5 3.7 时钟管理功能.5 4 4 性能要求性能要求.5 5 4.1 自动日照计性能要求.5 4.2 观测时制要求.5 4.3 数据质量控制标识规定.6 4.4 电源要求.6 5 5 环境适应性要求环境适应性要求.6 6 5.1 气候条件.6 5.2 外壳防护等级.6 5.3 抗盐雾要求.7 5.4 电磁兼容性要求.7 6 6 业务运行要求业务运行要求.8 8 6.1 运行状态信息.8 6.2 产品的可靠性.8 6.3 可维护性.8 6.4 检验要求.9 6.5 设备寿命.9 3 7 7 结构和外观要求结构和外观要求.9 9 7.1 机械结构要求.9 7.2 机械强度要求.9 7.3 材料与涂覆要求.10 7.4 外观要求.10 8 8 其他要求其他要求.1010 8.1 技术文件.10 8.2 安装与场地要求.10 8.3 安全要求.11 8.4 防雷要求.11 附录附录.1212 附录 分钟日照算法.12 附录 数据格式、观测要素及编码.13 附录 C 设备状态要素编码 .19 1 1 前言 1.11.1 目的目的 日照是指太阳在一地实际照射的时数，是地面气象台 站观测的基本项目。日照时数定义为在一给定时段内太阳 直接辐照度超过 120W/m2的各分段时间的总和。目前我国气 象部门对日照时数的观测普遍使用的是暗筒式（又叫乔唐 式）和聚焦式日照计，该仪器的日照纸需人工制作、安装 和更换，日照时数需要根据感光迹线进行人工判断，自动 化程度低，测量结果精度较低、资料可比性和一致性难以 保证，即使同一台仪器的记录的可比性也不是很理想。 随着当前地面气象观测自动化的发展，该仪器已经不 能满足自动化业务观测的需求，亟待研制具有自动观测、 性价比高、精度高、维护方便等特点的可以业务运行的日 照计。自动日照计的应用对监测天气气候状况、农业生产、 太阳能开发、建筑规划与设计、环境监测等都有重要意义。 1.21.2 适用范围适用范围 本功能需求书规定了自动日照计的结构、功能、性能、 环境适应性和业务运行等要求，为设备制造单位提供产品 设计和生产的依据。 1.31.3 制定依据制定依据 本功能规格需求书依据或参考下列文件资料编写： 1 世界气象组织气象仪器和观测方法指南（第七 2 版） ； 2 中国气象局地面气象观测规范(2003 年)； 3 中国气象局新型自动气象（气候）站功能规格 书 （业务试用版） 。 2 组成结构要求 2.12.1 概述概述 自动日照计由硬件和软件两部分组成。其硬件可分成 日照传感器、数据处理单元、电源和外围组件 4 个主要部 分。自动日照计既可以与微机终端连接组成日照观测系统， 也可以作为日照传感器挂接在其它采集系统上，组成结构 见图 1，其软件可完成日照数据采集、处理、存储和发送等。 数据处理单元 自动气象站或终 端微机 日照传感器 RS232 、 供电单元 太阳能电池板或 交流供电 图 1 日照观测系统结构图 2.22.2 日照传感器日照传感器 日照传感器结构如图 2 所示，其核心部件为 3 个光电 感应器件，放置于一透明玻璃罩内，其中 1 个光电感应器 件用于测量总辐射，另外 2 个光电感应器件用于测量散射 辐射，其遮光罩应采用特殊的全分天空方式，使二者不能 同时暴露于阳光下。传感器内部通过一系列的转换，得到 3 代表太阳直接辐射的电信号，当直接辐射大于等于 120W/m2 时，输出相应电平表示的日照信号。利用直接辐射表或总 辐射表和散射辐射表的测量值可以计算日照时数，但该类 辐射仪器不属于本功能规格需求书的规定范畴。 图 2 日照传感器结构图 2.32.3 数据处理单元数据处理单元 数据处理单元由中央处理器、时钟电路、数据存储器、 接口、控制电路等部分构成，它是自动日照计的关键部件。 主要功能是负责对传感器的输出信号进行采样，并对采样 样本进行质量控制、数据运算处理、记录存储，并进行与 自动气象站或终端微机之间的数据通信。 2.42.4 供电单元供电单元 供电控制单元负责为传感器和数据处理单元提供工作 电源，通常使用 12V 蓄电池供电，可使用交流电或太阳能 （风能等）对蓄电池进行充电。 2.52.5 外围结构外围结构 外围结构主要包括传感器安装立柱、支架及其附件。 4 3 功能要求 3.13.1 日照观测日照观测 日照传感器通过测量太阳辐射，直接或间接得到太阳 直接辐照度，根据设定的阈值，判断有无日照。传感器输 出以高、低电平表示的日照信号，同时也输出代表直接辐 射的信号，用于监控传感器工作状态。 3.23.2 数据采样数据采样 每 10s 对传感器进行一次采样，1 分钟采集 6 次。 3.33.3 数据处理数据处理 对采样得到的电压信号进行判断，如果判断为有日照， 则将这 10 秒累计到日照时间，每分钟对日照时间四舍五入 后进行取整输出，单位为 min，小数部分保留，继续累积到 下一分钟（分钟日照算法见附录） 。对小时内分钟日照时 数进行累加，得到日照时数小时累计，单位为 min。对小时 日照时数进行累加，得到日照时数日累计，单位为 h。 3.43.4 数据格式数据格式 数据格式、观测要素及编码符合附录 B 的规定。 3.53.5 数据存储数据存储 自动日照计具有数据存储功能，数据存储采用滚动循 环存储方式，每分钟存储一条记录。存储的数据量不少于 6 个月，数据存储器应具备掉电保存功能。 5 3.63.6 数据传输数据传输 通过 RS-232 接口传输数据，由通讯模块实现。 3.73.7 时钟管理功能时钟管理功能 当日照计独立运行时，由实时时钟芯片提供系统时钟； 当日照计接入业务软件时，支持网络时间协议的自动校时。 4 性能要求 4.14.1 自动日照计性能要求自动日照计性能要求 4.1.14.1.1 总体性能要求总体性能要求 最大允许误差：10%/月； 年稳定性：5%； 4.1.24.1.2 传感器性能要求传感器性能要求 光谱范围：400nm1100nm； 阈值：直接辐照度 120W/m2； 阈值的最大允许误差：24W/m2； 4.1.34.1.3 时钟精度要求时钟精度要求 实时时钟走时误差：15s/月； 4.1.44.1.4 加热及功耗要求加热及功耗要求 加热：为了防止结露和雪霜，传感器应具备加热功 能； 功耗：2W（不含加热）,15W（含加热） 。 6 4.24.2 观测时制观测时制要求要求 日照的观测使用地方时进行观测。 地方时：00 时 00 分 00 秒 001 毫秒代表一天的开始， 24 时 00 分 00 秒代表一天的结束。 4.34.3 数据质量控制标识规定数据质量控制标识规定 数据质量控制标识的规定符合附录 B 的要求。 4.44.4 电源要求电源要求 自动日照计的供电电源为 12V 蓄电池。 由辅助电源对蓄电池浮充电，在有市电的地方，一般 优选市电作为辅助电源，无市电的地方，可选的辅助电源 有：柴油发电机、太阳能电池板等。 蓄电池的容量必须保证自动日照计能在脱离辅助电源 的条件下连续工作 10 天，并在蓄电池电压低到不足以维持 符合质量要求的观测工作前两天发出报警信息。 5 环境适应性要求 5.15.1 气候条件气候条件 工作环境温度：4060； 相对湿度：5%100%； 大气压力：450hPa1100hPa； 抗风能力：60m/s； 5.25.2 外壳防护等级外壳防护等级 自动日照计对气候条件的降水、灰尘等应具备一定的 7 防护能力。按 GB 4208-2008外壳防护等级（IP 代码） ， 自动日照计的外壳防护等级应满足 IP65 的要求。 5.35.3 抗盐雾要求抗盐雾要求 自动日照计应在材料、表面涂覆和工艺上采取相应的 措施，使其具有一定的抗盐雾腐蚀的能力，在产品寿命期 内不致因腐蚀而引起产品的失效。 按GB/T 2423.17 电工电子产品环境试验 第 2 部分： 试验方法 试验 Ka：盐雾 ，零件镀层应满足耐 48 小时盐 雾沉降试验的要求。 5.45.4 电磁兼容性要求电磁兼容性要求 5.4.15.4.1 电磁骚扰限值要求电磁骚扰限值要求 （1）传导骚扰 自动日照计电源端口和信号端口的传导骚扰限制要求 分别见表 1 和表 2。 表 1 电源端口传导骚扰限值 限值（dBV） 频率范围（MHz） 准峰值平均值 0.150.566565646 0.55 5646 530 6050 表 2 信号端口传导共骚扰限值 电压限值 （dBV） 电流限值 （dBA）频率范围（MHz） 准峰值平均值准峰值平均值 0.150.58474746440303020 0.530 74643020 （2）辐射骚扰 自动日照计电源端口和信号端口的辐射骚扰限值应满 8 足表 3 的要求。 表 3 在 10m 距离测量的辐射骚扰限值 频率范围(MHz)限值dB(V/m) 30230 30 2301000 37 5.4.25.4.2 电磁抗扰度要求电磁抗扰度要求 自动日照计各端口电磁抗扰度应满足表 4 的要求。 表 4 需满足的试验内容和严酷度等级 试 验 条 件内 容 交流电源端口直流电源端口控制和信号端口 电压暂降和短时 中断抗扰度 30 0.5 周期 60 5 周期 100 250 周期 1.2/50S(电压) 8/20S(电流) 浪涌冲击抗扰度 线对地：2kV线对地：1kV线对地：1kV 电快速瞬变脉冲 群抗扰度 2kV 5kHz1kV 5kHz2KV 5kHz 射频场感应的传 导骚扰抗扰度 0.1580MHz 3v 80 AMk（1kHz） 0.1580MHz 3v 80 AMk（1kHz） 0.1580MHz 3v 80 AMk（1kHz） 静电放电抗扰度接触放电： 4kV 空气放电： 8kV 接触放电： 4kV 空气放电： 8kV 接触放电：4kV 空气放电：8kV 6 业务运行要求 6.16.1 运行状态信息运行状态信息 自动日照计具备输出设备运行状态信息的功能，主要 包括设备工作状态值、电源状态、通信状态和存储器状态 等。 设备运行状态信息见附录 C。 9 6.26.2 产品的可靠性产品的可靠性 产品应进行可靠性设计、试验和验证工作，并满足平 均无故障间隔工作时间（MTBF）大于 8000 小时的要求。 6.36.3 可维护性可维护性 整个系统易于扩展和维修； 各部件的结构设计应充分考虑维修的方便性、快捷性 和不易误操作性； 接线标志清晰不易混淆，应采取充分的措施保证即使 非专业人员操作也不易产生误操作； 提供传感器、采集器和通讯三级的状态监控； 平均维修时间（MTTR）要求：40min。 6.46.4 检验要求检验要求 以标准直接辐射表输出 120W/m2辐照度值作为自动日照 计阈值标准，按国家气象计量站相关检测方法或日照计校 准规范进行测试。 6.56.5 设备寿命设备寿命 在规定的使用环境和正常维护的条件下，自动日照计 使用寿命不小于八年。 7 结构和外观要求 7.17.1 机械结构要求机械结构要求 （1）结构应利于装配、调试、检验、包装、运输、安 装及维护等工作，更换部件时简便易行； 10 （2）各零部件应安装正确、牢固，无机械变形、断裂、 弯曲等，操作部分不应有迟滞、卡死、松脱等； （3）安装支架结构坚固、造型美观，便于传感器安装 和维护，传感器安装后无晃动，能满足日照观测需求。 7.27.2 机械强度要求机械强度要求 日照计的各种部件应有足够的机械强度和防腐蚀能力， 确保在产品寿命期内，不因外界环境的影响和材料本身原 因导致机械强度下降而引起危险和不安全。 7.37.3 材料与涂覆要求材料与涂覆要求 （1）材料要求 应选用耐老化材料、抗腐蚀材料、良好的电气绝缘材 料等，禁止使用不符合有关国家标准或行业标准的劣质材 料。 （2）涂覆要求 各零部件表面应有涂、敷、镀等工艺措施，以保证其 耐潮、防霉、防盐雾的性能。 7.47.4 外观要求外观要求 （1）日照传感器窗口在整个可见范围内应均匀、透明， 无明显气泡、条纹和划痕等缺陷，窗口粘接应均匀牢固， 窗口内部不得有异物附着和水汽凝结。 （2）自动日照计铭牌、标识和标志应字迹清晰、完整、 醒目。 11 8 其他要求 8.18.1 技术文件技术文件 自动日照计应具备全套的设计和生产图纸、文件；向 用户提供包括测试证书、技术说明书和安装、操作使用说 明书等内容的用户手册。 8.28.2 安装与场地要求安装与场地要求 自动日照计的安装和场地环境需满足中国气象局地 面气象观测规范中的相关规定。 8.38.3 安全要求安全要求 （1）安全标记及要求 标记符合 GB 4793.1-2007测量、控制和实验室用电 气设备的安全要求关于“设备用图形符号”的要求： a）交流电源接入端口设“当心电击危险”安全标记； b）低压直流电源接入端口以红色“”和黑色“” 标出极性，并标明额定电压值； c）电源开关标明电源“通” “断”位置； d）标明电源熔断器额定电流值。 （2）基本电气安全要求 a）外表易触件不应是危险带电件； b）日照计必须有保护接地； c）所有电源和信号端口均应采取防感应雷击措施； d）交流电源初级电路与机箱间绝缘电阻2M； e）低压直流电源初级电路与机箱间绝缘电阻1M； 12 f）使用交流供电的日照计泄漏电流3.5mA； g）使用交流供电的日照计应能承受 1500V/5mA/1 分钟 的冲击耐压试验； h）使用直流供电的日照计应能承受 500V/5mA/1 分钟 的冲击耐压试验； 8.48.4 防雷要求防雷要求 自动日照计应具备防直接雷击和雷击电磁脉冲的措施， 防雷安全要求和设计应符合行业标准 QX4-2000气象台 （站）防雷技术规范的要求。 13 附录附录 附录 分钟日照算法 开始 等待10s 日照传感器信号采样 有日照？ 分钟日照累计时间增加10s 到整分时间？ 累计时间达到半分钟？ 分钟日照累计时间减去1分钟 当前分钟日照输出0当前分钟日照输出1 是否 否 是 否 是 因为前面进行了四舍五入， 所以要将多余或不足部分， 作用于下一分钟的日照时间 累计 时间到整分时，判断当前分 钟累计的日照时间，进行四 舍五入 分钟日照累计时间 14 附录 数据格式、观测要素及编码 B.1B.1 数据帧格式数据帧格式 B.1.1 帧格式 0 段：起始标识 1 段：数据包头 2 段：数据主体 3 段：校验码 4 段：结束标识 说明： （1）一个完整数据帧分为 5 部分信息段，其中 0、1、3 和 4 段数据定长， 2 段数据主体包含观测要素信息、观测数据质量控制信息和状态要素信息三部 分，不定长。 （2）数据帧传输采用 ASCII 字符（8Bit） 。 （3）数据帧各信息段由一个或多个字段表示，字段间以英文半角字符, 分割。 （4）字段是指由一组指定的 ASCII 字符（大小写英文字母、0-9 数字字符 以及_下划线字符）构成的字符串，用于描述帧起始与结束标识、数据包头信息、 要素变量名以及要素变量值等信息。 B.1.2 帧格式说明 B.1.2.1 0 段起始标识 固定长度，2 个字母，以”BG”表示。 B.1.2.2 1 段数据包头 固定长度，包含 8 个字段，每个字段亦固定长度。 B.1.2.2.1 区站号（5 位字符） ，保持现有台站区站号 不变，在观测司发布新台站号时另行更新。 B.1.2.2.2 服务类型（2 位数字） ，以 00 代表基准站， 01 代表基本站，02 代表一般站，03 代表区域气象站，04 15 交通气象站，05 电力气象站，06 农业气象站，07 旅游气象 站，08 海洋气象站，09 风能气象站，10 太阳能气象站，11 生态气象站，12 辐射气象站，13 便携站，14 自动气候站. .。 B.1.2.2.3 设备标识位（4 位字母） ，目前业务中用的 日照计设备标识符为 YSDR。 B.1.2.2.4 设备 ID（3 位数字） ，用于区分同一个区站 号台站中同类设备；如某站有两个日照计， ID：000，ID：001。设备 ID 从 000 开始顺序编号。有多个 设备时，服务数据以 ID 为 000 的设备观测为准，当 000 出 现故障时，则使用 001 设备的数据。 B.1.2.2.5 观测时间（14 位数字） ，采用北京时方式， 年月日时分秒，yyyyMMddhhmmss，如 500。 B.1.2.2.6 帧标识（3 位数字） ，用于区分数据类型和 观测时间间隔，由两部分组成：D T。D 为 1 位数字，用于 区分数据类型：0 代表实时数据，1 代表定时数据，29 预 留。T 表示一个 2 位十进制数值，代表观测时间间隔：00 代表秒，0159 依次代表 159 分钟间隔，6083 依次代表 124 小时间隔。如：分钟实时数据用 001 表示，整点定时 数据用 160 表示。 B.1.2.2.7 观测要素变量数（3 位数字） ，取值 000999，表示观测要素数量；如 003，表示有 3 个观测要 素。 说明： （1）若设备的观测要素是不连续的，未探测到的观测要素不输出，观测要 16 素变量数为实际探测到的要素数；当出现故障时未探测到任何观测要素时，该 类设备输出观测要素变量数为 0，并在状态信息中输出故障的信息。 （2）对于输出要素是连续固定的设备，设备或传感器故障时，对应传感器 或设备的全部观测要素均输出缺测，对应变量数值处用/字符填充。 B.1.2.2.8 设备状态变量数（2 位数字） ，取值 0199，表示状态变量数量。如 28，表示有 28 个状态变量。 说明： （1）设备自检状态变量为必输出项，当设备自检通过时只输出自检状态变 量，即状态变量数为 1。 （2）当设备某些属性状态不正常时，除输出自检状态变量外，还需输出所 有状态不正常的状态变量名。 B.1.2.3 2 段数据主体 不定长，包含观测数据、观测数据质量控制和状态数 据三部分。 B.1.2.3.1 观测数据，由一系列观测要素数据对组成， 数据对中观测要素变量名与变量值一一对应。观测要素变 量名以及变量值的描述(数据单位、比例因子、字节长度等)在 观测要素编码表中定义说明。数据对的个数与 B.1.2.2.7 观测要素变量数一致。观测要素名按字母先后顺序输出。 B.1.2.3.2 质量控制，由一系列质量控制码组成，字 符数量与 B.1.2.2.7 观测要素变量数一致，一个字符代表 一个数据的质量控制码，按顺序与 B.1.2.3.1 观测数据中 的数据对一一对应。质量控制码定义与气象行业标准 （QX/T 118-2010）中地面气象观测资料质量控制一致，如 表 1 所示。 表 1 质量控制码表 17 质控码含义 正确 1 可疑 2 错误 3 订正数据 4 修改数据 5 预留 6 预留 7 预留 缺测 9 未做质量控制 说明： （1）若有数据质量控制判断为错误时，在设备终端数据输出时，其值仍给 出，相应质量控制标识为“” ，但错误的数据不能参加后续相关计算或统计。 （2）对于瞬时气象值，若属采集器或通信原因引起数据缺测，在设备终端 数据输出时直接给出缺测，相应质量控制标识为“” 。 （3）当台站业务软件将设备置为维护停用状态时，自动上传维护日志，同 时上传数据时对应要素置为缺测。 B.1.2.3.3 状态数据，由一系列设备状态要素数据对 组成，数据对中状态要素变量名与状态值一一对应。设备 状态变量名在设备状态编码表中定义说明，第一个状态变 量名必须为设备自检状态，其他状态变量输出顺序不做明 确要求。状态值采用一个字符编码表示，状态值含义如表 2 所示。 表 2 设备状态码表 状态码状态描述 0 “正常” ，设备状态节点检测且判断正常 1 “异常” ， 设备状态节点能工作，但检测值判断超出正常范围 2 “故障” ， 设备状态节点处于故障状态 3 “偏高” ， 设备状态节点检测值超出正常范围 4 “偏低” ， 设备状态节点检测值低于正常范围 5 “停止” ， 设备节点工作处于停止状态 6 “轻微”或“交流” ， 设备污染判断为轻微；或设备供电为交 流方式 7 “一般”或“直流” ， 设备污染判断为一般；或设备供电为直 流方式 18 8 “重度” 或“未接外部电源” ， 设备污染判断为重度；或设备 供电未接外部电源 说明： （1）设备所有状态均不输出具体的数值，而是以状态码进行输出，以更直 观地指导维护保障工作。 （2）本表只给出设备状态码的简单含义描述，设备需根据每个状态检测数 值制定状态判断依据，输出符合本状态码的状态码。 （3） 如果观测要素是运算量，即没有设备而是通过其他要素计算出来的， 不用输出状态要素；上位机软件在质检的时候，通过设备配置文件对设备状态 进行质检，配置文件中没有配置该设备的不用对状态进行质检。 B.1.2.4 3 段校验码 定长，4 位数字。采用校验和方式，从“BG”开始一直 到校验段前，包括分隔符,号在内以 ASCII 码全部累加。 累加值以 10 进制无符号编码，高位在前，高位溢出，取低 四位。 B.1.2.5 4 段结束标识 固定长度，2 个字母，以“ED”表示。 B.1.3 帧格式示例 表 3 完整数据帧格式 数据包头起始标 识区站号服务类型设备标识位设备 ID BG 5 位字符2 位数字4 位字母3 位数字 数据包头 观测时间帧标识观测要素变量数 设备状态变量 数 14 位数字3 位数字3 位数字2 位数字 数据主体 观测数据和质量控制状态信息 观测 要素 变量 名 1 观测要 素变量 值 1 观测要 素变量 名 m 观测 要素 变量 值 m 质量控制 位 状态 变量 名 1 状态 变量 值 1 状态 变量 名 n 状态 变量 值 n 校验码结束标识 4 位数字 ED 19 B.2B.2 日照计观测要素及其编码日照计观测要素及其编码 观测要素名称定义准确，对应的变量名唯一、明确。 观测要素变量名的编码结构层次清楚，可扩展性强。观测 要素名称对应的变量值是将原值乘以 10 的 n 次幂(n 为比例 因子，取值大于等于 0)变为整数并以 ASCII 字符显示的数 字字符串。每个观测要素值单独固定字节长度，高位不足 补0