凍土自動觀測儀功能規(guī)格需求書

1、凍土自動觀測儀功能規(guī)格需求書中國氣象局綜合觀測司2018年12月1前言 31.1 目的3.1.2適用范圍.3.1.3制定依據(jù)3.2組成結(jié)構(gòu)要求 42.1 概述4.2.2硬件結(jié)構(gòu)4.2.2.1傳感器4.2.2.2數(shù)據(jù)采集器5.2.2.3系統(tǒng)電源6.2.2.4通信接口 6.2.2.5外圍設(shè)備6.2.3軟件結(jié)構(gòu)6.3功能要求 63.1觀測要素7.3.2初始化和參數(shù)設(shè)置7.3.3運行狀態(tài)信息7.3.4數(shù)據(jù)采集和處理 7.3.5數(shù)據(jù)質(zhì)量控制7.3.6數(shù)據(jù)存儲8.3.7數(shù)據(jù)傳輸8.3.8軟件升級8.3.9終端操作命令 8.3.10時鐘同步.8.4技術(shù)指標(biāo) 84.1測量性能指標(biāo) 8.4.2環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo) 9

2、.421氣候條件9.422機(jī)械條件9.4.2.3生物條件9.4.2.4化學(xué)條件1.04.2.5電磁兼容性1.04.3可靠性指標(biāo)104.4可維護(hù)性指標(biāo)1.14.5功耗要求1.1.4.6設(shè)備壽命1.1.5安裝與場地要求 116結(jié)構(gòu)和外觀要求 126.1機(jī)械結(jié)構(gòu)要求1.26.2機(jī)械強(qiáng)度要求 1.36.3材料與涂覆要求 1.36.4外觀要求137供電要求 137.1主電源供電要求 1.37.2備選電源供電要求 1.38安全要求 138.1電氣安全要求1.48.2防雷要求14附錄A凍土自動觀測儀采集算法流程 15附錄B要素編碼與數(shù)據(jù)格式 16B.1凍土自動觀測要素及其編碼 16B.2設(shè)備狀態(tài)要素編碼16

3、B.3數(shù)據(jù)幀格式 18附錄C通信命令 251前言1.1目的凍土是指含有水分的土壤因溫度下降到 0C或以下而呈凍結(jié)的狀態(tài)。凍土觀測是中國氣象局統(tǒng)一布局觀測項目，觀測內(nèi)容包括土壤凍結(jié)層次和 凍結(jié)深度，觀測方式主要采用人工器測，使用TB1-1型凍土器（又叫達(dá)尼林凍土器），人工每天定時將深達(dá)0.54.5米的注水軟膠管提到地面之上，用手摸 測軟管中水的凍結(jié)情況判斷凍土層次和深度。該觀測方式較為原始，勞動強(qiáng)度 大，且內(nèi)管提取、摸測過程中易產(chǎn)生斷折，加上受觀測人員的主觀感知程度影 響，凍土觀測結(jié)果存在人為誤差。同時，隨著凍土觀測數(shù)據(jù)在氣候監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑規(guī)劃與設(shè)計、環(huán)境 監(jiān)測等領(lǐng)域需求的日益增多，傳統(tǒng)觀

4、測儀器和方式方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)前預(yù)報 和服務(wù)需求，亟待研制具有觀測精度高、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便等特點的凍土自 動觀測儀。為此，本功能規(guī)格需求書按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一功能、統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路， 明確了凍土自動觀測儀性能要求，規(guī)范了凍土自動觀測數(shù)據(jù)格式。1.2適用范圍本功能規(guī)格需求書規(guī)定了凍土自動觀測儀的結(jié)構(gòu)、功能、性能、環(huán)境適應(yīng) 性和業(yè)務(wù)運行等方面的要求，為設(shè)備研發(fā)、加工生產(chǎn)等提供依據(jù)。本功能規(guī)格需求書不適用于利用地溫等要素綜合判識凍土深度的方法。1.3制定依據(jù)本功能規(guī)格需求書依據(jù)或參考下列文件資料編寫：1 地面氣象觀測規(guī)范，中國氣象局，2003年。2 氣象觀測專用技術(shù)裝備功能規(guī)格需求書編寫指南（試行

5、），中國氣象局綜合觀測司，2015年。3 GB/T 33695-2017地面氣象要素編碼與數(shù)據(jù)格式，中華人民共和國 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2017年。2組成結(jié)構(gòu)要求2.1概述凍土自動觀測儀是根據(jù)含有水分土壤的凍融特性，通過測量水的相態(tài)（頻域反射、溫度反演），采用閾值判斷方法測量土壤凍結(jié)深度的儀器。目前凍土自動觀測主要采用電阻法、電容法和測溫法等。凍土自動觀測儀由軟件和硬件兩部分組成。軟件為嵌入式軟件，硬件主要 由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、供電單元和外圍設(shè)備等組成，可接入綜合集成硬件控制器，其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1擴(kuò)展端口數(shù) 據(jù) 采 集 器RS232/RS485端口N無

6、線通信模塊/綜合集成硬件控制器圖2.1凍土自動觀測儀硬件結(jié)構(gòu)示意圖2.2硬件結(jié)構(gòu)2.2.1傳感器 2.2.1.1凍阻式凍土傳感器凍阻式凍土傳感器利用水的相態(tài)發(fā)生改變時體積、電阻等介電常數(shù)物理特性隨之變化的原理，通過非純凈水做感應(yīng)質(zhì)，測量相關(guān)物理量得到凍結(jié)層次和 上下限深度。221.2電容式凍土傳感器電容式凍土傳感器利用土壤中水與冰發(fā)生相變時介電常數(shù)隨之改變的特 性，通過LC振蕩電路頻率響應(yīng)變化，結(jié)合頻率變化規(guī)律和土壤溫度建立土壤凍 融狀態(tài)判別模型，獲得凍結(jié)層次和上下限深度。2.2.1.3測溫式凍土傳感器測溫式凍土傳感器根據(jù)水凝結(jié)成冰或冰融化成水的溫度變化特性，結(jié)合凍 點確定算法，獲得凍結(jié)層次和

7、上下限深度。2.2.2數(shù)據(jù)采集器數(shù)據(jù)采集器的硬件部分由嵌入式處理器、數(shù)據(jù)存儲器、時鐘電路、通信接口和指示燈電路等多種電路模塊組成。數(shù)據(jù)采集器的主要功能是獲取傳感器采 樣數(shù)據(jù)，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)存儲、通信傳輸，與終端 計算機(jī)進(jìn)行交互。數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計時必須滿足以下要求：(1) 電源：應(yīng)采用高精度、高穩(wěn)定性電源模塊，滿足采集器供電要求，外 接電源供電電壓為DC(915) V。(2) 時鐘：自帶高精度實時時鐘，時鐘誤差w 15秒/月，接受終端軟件校 時，校時誤差小于1秒。(3) 存儲：程序存儲器容量滿足嵌入式軟件需求。 數(shù)據(jù)存儲器至少能存儲 10天的分鐘數(shù)據(jù)、1個月的正點數(shù)據(jù)，

8、并留有30%以上的存儲空間。(4) 通信接口 ：具有 RS232/RS485通信接口。(5) 監(jiān)控電路：硬件看門狗，主板溫度監(jiān)測，電池電壓監(jiān)測，通信狀態(tài)監(jiān) 測。(6) 指示燈：用于供電、運行、通信等狀態(tài)指示。223系統(tǒng)電源采用市電、太陽能等供電方式。市電供電時，系統(tǒng)電源由電源轉(zhuǎn)換及控制模塊、蓄電池組成；太陽能供電 時，系統(tǒng)電源由太陽能電池板、電源控制器、蓄電池組成。在沒有外部供電條 件下，蓄電池須保證凍土自動觀測儀連續(xù)運行 7天以上。2.2.4通信接口通信方式包括有線通信和無線通信。（1）有線通信：通過采集器RS-232或RS-485等通信接口接入綜合集成硬 件控制器或終端計算機(jī)，實現(xiàn)與上位機(jī)

9、的數(shù)據(jù)通信。（2）無線通信：通過采集器RS-232或RS-485等通信接口與無線通信模塊 連接，實現(xiàn)與中心站的數(shù)據(jù)通信。2.2.5外圍設(shè)備外圍設(shè)備包括立桿、支架、機(jī)箱等安裝結(jié)構(gòu)件。立桿和支架主要用于安裝機(jī)箱、太陽能板等。機(jī)箱應(yīng)符合電氣安全標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的密封性并兼顧散熱。防護(hù)等級要求 達(dá)到IP65，具有安全防盜、防輻射等性能。2.3軟件結(jié)構(gòu)軟件主要包括數(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苣K。數(shù)據(jù)采集模塊須按規(guī)定的采樣頻率進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)完成采樣 算法、數(shù)據(jù)計算處理和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制；數(shù)據(jù)存儲模塊主要完成數(shù)據(jù)的存儲與管 理；數(shù)據(jù)傳輸模塊實現(xiàn)與終端計算機(jī)的通信，并具有數(shù)據(jù)補(bǔ)傳功能。

10、3功能要求3.1觀測要素凍土觀測要素包括凍結(jié)層次及上下限深度。3.2初始化和參數(shù)設(shè)置（1）采集器自檢，包括檢測傳感器接口和存儲器，做好數(shù)據(jù)采集和通信 連接準(zhǔn)備。（2）參數(shù)設(shè)置，可通過終端軟件對凍土自動觀測儀進(jìn)行設(shè)置。3.3運行狀態(tài)信息凍土自動觀測儀具備輸出設(shè)備運行狀態(tài)信息的功能，主要包括設(shè)備工作狀態(tài)、電源狀態(tài)和通信狀態(tài)等。3.4數(shù)據(jù)采集和處理數(shù)據(jù)采集間隔1次/min，算法詳見附錄A將采樣信號按規(guī)定的算法處理成符合格式要求的凍土觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式 詳見附錄B。3.5數(shù)據(jù)質(zhì)量控制軟件應(yīng)具備質(zhì)量控制功能，實現(xiàn)極限范圍檢查和變化速率檢查。（1）極限范圍檢查驗證每個瞬時氣象值應(yīng)在傳感器的正常測量范圍內(nèi)。

11、未超出的，標(biāo)識“正確”；超出的，標(biāo)識“錯誤”。（2）變化速率檢查當(dāng)前瞬時氣象值與前一瞬時氣象值的差若大于“存疑的變化速率”，則當(dāng)前瞬時氣象值不能通過檢查，標(biāo)識為“存疑”。若大于“錯誤的變化速率”，則 當(dāng)前瞬時氣象值標(biāo)識為“錯誤”3.6數(shù)據(jù)存儲采集器至少能夠存儲10天的分鐘觀測數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息以及 1個月的正點觀 測數(shù)據(jù)，并留有30%上的存儲空間。數(shù)據(jù)存儲須采用循環(huán)式存儲器結(jié)構(gòu)，即允 許最新的數(shù)據(jù)覆蓋舊數(shù)據(jù)。采集器數(shù)據(jù)存儲器應(yīng)具備掉電保存功能。3.7數(shù)據(jù)傳輸支持主動傳輸和被動傳輸兩種傳輸模式。(1) 被動傳輸模式：設(shè)備每分鐘完成數(shù)據(jù)采集處理，等待數(shù)據(jù)讀取命令 (READDATA)向上位機(jī)發(fā)送距當(dāng)前

12、時刻最近的數(shù)據(jù)。(2) 主動傳輸模式：根據(jù)預(yù)設(shè)的程序與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。3.8軟件升級通過終端軟件對采集器發(fā)出升級指令，完成軟件升級。3.9終端操作命令終端操作命令為采集器和終端計算機(jī)、中心站軟件之間通信的命令，能實 現(xiàn)對采集器各項參數(shù)的設(shè)置、讀取以及觀測數(shù)據(jù)的讀取。終端操作命令格式詳見附錄 Co3.10時鐘同步通過終端軟件發(fā)送命令，對凍土自動觀測儀統(tǒng)一校時。4技術(shù)指標(biāo)4.1測量性能指標(biāo)測量深度：0cm- 450cm根據(jù)當(dāng)?shù)乜赡艹霈F(xiàn)的最大凍土深度，采用規(guī)格適宜的傳感器。可采用分段觀測的方式，便于安裝、維護(hù)分辨力：1cm最大允許誤差：土 2cm。4.2環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)4.2.1氣候條件在下列氣候

13、條件下，觀測儀應(yīng)能正常工作:空氣溫度：-50°C + 60°C。相對濕度：5% 100%降水強(qiáng)度：< 6mm/min抗風(fēng)能力：< 75m/s。4.2.2機(jī)械條件(1) 在非工作包裝狀態(tài)下，應(yīng)能通過如下等級的正弦振動試驗:正弦穩(wěn)態(tài)振動：位移 1.5mm加速度5m/s 2頻率29Hz、9200Hz(2) 在非工作包裝狀態(tài)下，應(yīng)能通過如下等級的沖擊試驗:脈沖波形：半正弦波峰值加速度：50m/s2脈沖持續(xù)時間：30ms沖擊次數(shù)：3個互相垂直的每一方向連續(xù)施加3次沖擊，共18次4.2.3生物條件應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆烂咕胧３鞘褂迷谔厥獾沫h(huán)境條件或使用方有要求時, 否則不必通

14、過長霉試驗來鑒定其抗霉菌能力。應(yīng)米取適當(dāng)措施防止動物損壞，如鼠咬、蟻噬等。424化學(xué)條件正常大氣條件下，應(yīng)在材料、表面涂覆和工藝上采取相應(yīng)的措施，使其具 有一定的抗化學(xué)活性物質(zhì)危害的能力，在產(chǎn)品壽命期內(nèi)不致因腐蝕而引起產(chǎn)品 的失效。鹽霧試驗時間應(yīng)不少于48小時，其他試驗條件符合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)的要求。4.2.5電磁兼容性凍土自動觀測儀各端口的電磁抗擾度應(yīng)滿足表4.1的要求。表4.1端口電磁抗擾度要求內(nèi)容試驗條件交流電源端口直流電源端口控制和信號端口1.2/50卩S（電壓） 8/20卩S（電流） 浪涌沖擊抗擾度線對地：土 2kV線對地：土 1kV線對地：土 1kV電快速瞬變脈沖群抗擾度&

15、#177;2kV 5kHz±1kV 5kHz±1kV 5kHz0.15 80MHz0.15 80MHz0.15 80MHz射頻電磁場輻射抗擾度3V/m3V/m3V/m80% AMk( 1kHz)80% AMk( 1kHz)80% AMk( 1kHz)靜電放電抗擾度接觸放電：土 4kV接觸放電：土 4kV接觸放電：土 4kV空氣放電：土 8kV空氣放電：土 8kV空氣放電：土 8kV4.3可靠性指標(biāo)應(yīng)進(jìn)行可靠性設(shè)計、試驗和驗證工作平均無故障工作時間（MTBF大于8000h4.4可維護(hù)性指標(biāo)(1) 整個系統(tǒng)易于擴(kuò)展和維修。(2) 各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)充分考慮維修方便性、快捷性和不

16、易誤操作性。(3) 接線標(biāo)志清晰不易混淆，應(yīng)采取充分的措施保證即使非專業(yè)人員操作 也不易產(chǎn)生誤操作。(4) 平均維修時間(MTTR要求：w 40min。4.5功耗要求應(yīng)盡量降低整體功耗，采集器功耗w 2W4.6設(shè)備壽命在規(guī)定的使用環(huán)境和正常維護(hù)的條件下，凍土自動觀測儀使用壽命應(yīng)不小 于8年。5安裝與場地要求凍土自動觀測儀Ocm測量單元與外套管0線刻度要平齊，并與地表在同一 水平面上，其他安裝要求和方法均同深層地溫傳感器。根據(jù)當(dāng)?shù)乜赡艹霈F(xiàn)的最 大凍土深度，可采取集成式或分段式方法安裝。場地環(huán)境及集成式安裝方法需符合相關(guān)規(guī)定。為便于安裝與維護(hù)，超過150cm凍結(jié)層的地區(qū)可采取分段式方法安裝，安 裝

17、示意圖如圖6.1400cm觀測深層地溫的臺站，凍土自動觀測儀安裝在 320cm地溫外套管南側(cè)，間 距50cm南北成列、東西成行、自西向東、由深到淺。不觀測深層地溫的臺站， 安裝在深層地溫觀測場，南北成列、東西成行、自西向東，由深到淺，間距50cm 距離電纜溝50cm以上。6結(jié)構(gòu)和外觀要求6.1機(jī)械結(jié)構(gòu)要求（1）結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝配、調(diào)試、檢驗、包裝、運輸、安裝及維護(hù)等。（2）各零部件應(yīng)安裝正確、牢固，無機(jī)械變形、斷裂、彎曲等，操作部分 不應(yīng)有遲滯、卡死、松脫等。（3）安裝支架結(jié)構(gòu)堅固、造型美觀，便于傳感器安裝和維護(hù)，傳感器安裝后無晃動，能滿足凍土自動觀測儀觀測需求。6.2機(jī)械強(qiáng)度要求凍土觀測儀的各部

18、件應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和防腐蝕能力，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?qū)е聶C(jī)械強(qiáng)度下降而引起危險。6.3材料與涂覆要求(1) 材料要求應(yīng)選用耐老化、抗腐蝕、具有良好的電氣絕緣性能的材料，禁止使用不符 合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的劣質(zhì)材料。(2) 涂覆要求各零部件表面應(yīng)有涂、敷、鍍等工藝措施，以保證其耐潮、防霉、防鹽霧。6.4外觀要求凍土自動觀測儀外觀應(yīng)整潔，無損傷和形變，表面涂層無氣泡、開裂、脫 落等現(xiàn)象。銘牌、標(biāo)識和標(biāo)志應(yīng)字跡清晰、完整、醒目。7供電要求7.1主電源供電要求(1) 交流供電 AC220V(+ 10%- 15%)。(2) 直流 12V。(3) 后備蓄電池，可保證

19、凍土自動觀測儀在無交流電源下7天正常工作7.2備選電源供電要求當(dāng)安裝地點沒有交流電源或電源不理想時，可選擇太陽能、風(fēng)力等其他方 式供電。8安全要求8.1電氣安全要求標(biāo)記符合GB 4793.1-2007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：（1）交流電源接入端口設(shè)“當(dāng)心電擊危險”安全標(biāo)記。（2） 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。（3） 電源開關(guān)標(biāo)明電源“通”、“斷”位置。（4）標(biāo)明電源熔斷器額定電流值。8.2防雷要求凍土自動觀測儀應(yīng)具備防直接雷擊和雷擊電磁脈沖的措施，防雷安全要求和設(shè)計應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) QX4-2015氣象臺（

20、站）防雷技術(shù)規(guī)范和 QX3-2000 氣象信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)規(guī)范的要求。附錄A凍土自動觀測儀采集算法流程附錄B要素編碼與數(shù)據(jù)格式B.1凍土自動觀測要素及其編碼觀測要素名稱定義準(zhǔn)確，對應(yīng)的變量名唯一、明確。觀測要素變量名的編碼結(jié)構(gòu)層次清楚，可擴(kuò)展性強(qiáng)。觀測要素名稱對應(yīng)的變量值是將原值乘以10的n次幕(n為比例因子，取值大于等于0)變?yōu)檎麛?shù)并以ASCII字符顯示的數(shù) 字字符串。每個觀測要素值單獨固定字節(jié)長度，高位不足補(bǔ)0。觀測要素編碼表中明確各觀測要素的單位、比例因子、輸出字節(jié)長度，個別觀測要素給以備 注，以便數(shù)據(jù)使用方更好地理解觀測數(shù)據(jù)含義。表1凍土自動觀測儀要素及其編碼觀測要素 編碼觀測

21、要素名稱單位比例因子(n)字節(jié)長度備注ARHa凍土第一層上限cm03整數(shù)輸出ARHc凍土第一層下限cm03整數(shù)輸出ARIa凍土第二層上限cm03整數(shù)輸出ARIc凍土第二層下限cm03整數(shù)輸出ARJa凍土第三層上限cm03整數(shù)輸出ARJc凍土第三層下限cm03整數(shù)輸出ARKa凍土第四層上限cm03整數(shù)輸出ARKc凍土第四層下限cm03整數(shù)輸出ARLa凍土第五層上限cm03整數(shù)輸出ARLc凍土第五層下限cm03整數(shù)輸出ARMa凍土第八層上限cm03整數(shù)輸出ARMc凍土第八層下限cm03整數(shù)輸出ARNa凍土第七層上限cm03整數(shù)輸出ARNc凍土第七層下限cm03整數(shù)輸出AROa凍土第八層上限cm03

22、整數(shù)輸出AROc凍土第八層下限cm03整數(shù)輸出B.2設(shè)備狀態(tài)要素編碼B.2.1設(shè)備自檢狀態(tài)變量名編碼設(shè)備狀態(tài)要素名稱單位字節(jié) 長度取值范圍z設(shè)備自檢狀態(tài)代碼表10或1B.2.2傳感器工作狀態(tài)變量名編碼設(shè)備狀態(tài)要素名稱單位字節(jié) 長度取值范圍y_ARB凍土傳感器的工作狀態(tài)代碼表10、1 或 2B.2.3電源狀態(tài)變量名編碼設(shè)備狀態(tài)要素名稱單位字節(jié) 長度取值范圍xA外接電源（獨立設(shè)備或采集 器不需要后綴）代碼表16、7 或 8xB設(shè)備/采集器主板電壓狀態(tài)代碼表10、3 或 4xD蓄電池電壓狀態(tài)代碼表10、3、4 或 5B.2.4工作溫度類狀態(tài)變量名編碼設(shè)備狀態(tài)要素名稱單位字節(jié) 長度取值范圍wA設(shè)備/采

23、集器主板環(huán)境溫度狀態(tài)代碼表10、3 或 4B.2.5加熱部件工作狀態(tài)變量名編碼設(shè)備狀態(tài)要素名稱單位字節(jié) 長度取值范圍vA設(shè)備加熱代碼表10、2、3 或 4B.2.6通信工作狀態(tài)變量名編碼設(shè)備狀態(tài)要素名稱單位字節(jié) 長度取值范圍tA設(shè)備（采集器）到綜合集成 硬件控制器或終端計算機(jī)的 通信狀態(tài)代碼表10、1 或 2tCRS232/485/422 狀態(tài)代碼表10、1 或 2注：（1）設(shè)備自檢狀態(tài)變量為必輸出項，當(dāng)設(shè)備自檢通過時只輸出自檢狀態(tài)變量，即狀態(tài)變量數(shù)為1（2）當(dāng)設(shè)備某些屬性狀態(tài)不正常時，除輸出自檢狀態(tài)變量外，還需輸出所有狀態(tài)不正常的狀態(tài)變量名。B.3數(shù)據(jù)幀格式B.3.1幀格式0段：起始標(biāo)識1段

24、：數(shù)據(jù)包頭2段：數(shù)據(jù)主體3段：校驗碼4段：結(jié)束標(biāo)識說明：（1）一個完整數(shù)據(jù)幀分為5部分信息段，其中0、1、3和4段數(shù)據(jù)定長， 2段數(shù)據(jù)主體包含觀測要素信息、觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制信息和狀態(tài)要素信息三部分，不定長。（2）數(shù)據(jù)幀傳輸采用ASCII字符（8Bit ）。（3） 數(shù)據(jù)幀各信息段由一個或多個字段表示，字段間以英文半角字符“,” 分割。（4） 字段是指由一組指定的ASCII字符（大小寫英文字母、0-9數(shù)字字符 以及下劃線字符“ _”）構(gòu)成的字符串，用于描述幀起始與結(jié)束標(biāo)識、數(shù)據(jù)包頭 信息、要素變量名以及要素變量值等信息。B.3.2幀格式說明B.3.2.10段起始標(biāo)識，固定長度，2個字母，以“ BG

25、表示。B.3.2.21段一一數(shù)據(jù)包頭，固定長度，包含 8個字段，每個字段亦固定長度。B.3.2.2.1區(qū)站號（5位字符），保持現(xiàn)有臺站區(qū)站號不變，在觀測司發(fā)布新臺站號時 另行更新。B.3.2.2.2服務(wù)類型（2位數(shù)字），以00代表基準(zhǔn)站，01代表基本站，02代表一般站， 03代表區(qū)域氣象站，04交通氣象站，05電力氣象站，06農(nóng)業(yè)氣象站，07旅游 氣象站，08海洋氣象站，09風(fēng)能氣象站，10太陽能氣象站，11生態(tài)氣象站， 12輻射氣象站，13便攜站，14自動氣候站。注：根據(jù)業(yè)務(wù)需要，地面氣象數(shù)據(jù)對象字典規(guī)定的服務(wù)類型需做調(diào)整時， 凍土自動觀測儀中的服務(wù)類型同步調(diào)整。B.3.2.2.3設(shè)備標(biāo)識位

26、（4位字母），凍土自動觀測儀設(shè)備標(biāo)識符為 YSFSB.3.2.2.4設(shè)備ID（3位數(shù)字），用于區(qū)分同一個區(qū)站號臺站中同類設(shè)備，從000開始順序編號，如某站有兩個凍土自動觀測儀，則ID順序標(biāo)號為000、001。有多個設(shè)備時，服務(wù)數(shù)據(jù)以ID為000的設(shè)備觀測為準(zhǔn)，當(dāng)000出現(xiàn)故障時， 則使用001設(shè)備的數(shù)據(jù)。B.3.2.2.5觀測時間（14位數(shù)字），采用北京時。格式年月曰時分秒（YYYYMMDDHHmmSS如 20180206132500B.3.2.2.6幀標(biāo)識（3位數(shù)字），用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類型和觀測時間間隔，由DT兩部分組成。其中：D為1位數(shù)字，用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類型：0代表實時數(shù)據(jù)，1代表定時數(shù)據(jù)，29

27、預(yù)留。T表示一個2位十進(jìn)制數(shù)值，代表觀測時間間隔：00代表秒，0159依次 代表159分鐘間隔，6083依次代表124小時間隔。如：分鐘實時數(shù)據(jù)用 001表示，整點定時數(shù)據(jù)用160表示。B.3.2.2.7觀測要素變量數(shù)(3位數(shù)字)，取值000999,表示觀測要素數(shù)量。說明：(1) 觀測要素變量數(shù)為實際觀測到的要素數(shù)。 若設(shè)備的觀測要素是不連續(xù) 的，則不輸出未探測到的觀測要素。當(dāng)設(shè)備故障未探測到任何觀測要素時，該類設(shè)備輸出觀測要素變量數(shù)為 0，并在狀態(tài)信息中輸出故障信息。(2) 設(shè)備或傳感器故障時，對應(yīng)的觀測要素輸出缺測，對應(yīng)要素值用“/ ” 字符填充。B.3.2.2.8設(shè)備狀態(tài)變量數(shù)(2位數(shù)字

28、)，取值0199，表示狀態(tài)變量數(shù)量。說明：(1) 設(shè)備自檢狀態(tài)變量為必輸出項，當(dāng)設(shè)備自檢通過時只輸出自檢狀態(tài)變 量，即狀態(tài)變量數(shù)為1。(2) 當(dāng)設(shè)備某些屬性狀態(tài)不正常時，除輸出自檢狀態(tài)變量外，還需輸出所 有狀態(tài)不正常的狀態(tài)變量名。B.3.2.32段數(shù)據(jù)主體，不定長，包含觀測數(shù)據(jù)、觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和狀態(tài)數(shù) 據(jù)三部分。B.3.2.3.1觀測數(shù)據(jù)，由一系列觀測要素數(shù)據(jù)對組成，數(shù)據(jù)對中觀測要素變量名與變量值一一對應(yīng)。觀測要素變量名以及變量值的描述（數(shù)據(jù)單位、比例因子、字節(jié)長度等）在觀測要素編碼表中定義說明。數(shù)據(jù)對的個數(shù)與B.3.2.2.7觀測要素變量數(shù)一致。觀測要素名按字母先后順序輸出。B.3.2.3

29、.2質(zhì)量控制，由一系列質(zhì)量控制碼組成，字符數(shù)量與B.3.2.2.7觀測要素變量數(shù)一致，一個字符代表一個數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制碼，與B.3.2.3.1觀測數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)對對應(yīng)。質(zhì)量控制碼定義與氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（QX/T118-2010 ）中地面氣象觀測資料質(zhì)量控制一致，如表 2所示。表2質(zhì)量控制碼表質(zhì)控碼含義0正確1可疑2錯誤3訂正數(shù)據(jù)4修改數(shù)據(jù)5預(yù)留6預(yù)留7預(yù)留8缺測9未做質(zhì)量控制說明：（1）若有數(shù)據(jù)質(zhì)量控制判斷為錯誤時，在設(shè)備終端數(shù)據(jù)輸出時，其值仍給 出，相應(yīng)質(zhì)量控制標(biāo)識為“ 2”，但錯誤的數(shù)據(jù)不參加后續(xù)相關(guān)計算或統(tǒng)計。（2）對于瞬時氣象值，若為采集器或通信原因引起數(shù)據(jù)缺測， 在設(shè)備終端 數(shù)據(jù)輸出時直接給

30、出缺測，相應(yīng)質(zhì)量控制標(biāo)識為“ 8”。（3） 當(dāng)終端計算機(jī)業(yè)務(wù)軟件將設(shè)備置為維護(hù)或停用狀態(tài)時，自動上傳維護(hù) 日志，同時將上傳數(shù)據(jù)文件對應(yīng)要素置為缺測。凍土自動觀測儀設(shè)備端質(zhì)量控制對象為氣象要素的瞬時值，質(zhì)控方法主要 包括以下2個方面。（1）對瞬時值極限范圍檢查，檢查瞬時值是否在傳感器的測量范圍內(nèi)， 如 果未通過檢查，則該值被丟棄，不能用于進(jìn)一步計算。（2）對瞬時值變化速率檢查，當(dāng)前的瞬時值與前一個瞬時值作比較。 如果 差值大于給定的界限，則當(dāng)前瞬時值被標(biāo)記為不可信，不能用于進(jìn)一步計算，但仍用于檢查瞬時值變化速率檢查。表3“正確”的瞬時值的判斷條件序號氣象變量上限下限存疑的變化速率錯誤的變化速率1

31、凍土0cm450cm根據(jù)本地氣候變化特點確定閾值B.3.2.3.3狀態(tài)數(shù)據(jù)，由一系列設(shè)備狀態(tài)要素數(shù)據(jù)對組成，狀態(tài)要素變量名與狀態(tài)值 一一對應(yīng)。設(shè)備狀態(tài)變量名在設(shè)備狀態(tài)編碼表中定義說明，第一個狀態(tài)變量名 必須為設(shè)備自檢狀態(tài)，其他狀態(tài)變量輸出順序不做明確要求。狀態(tài)值采用一個 字符編碼表示，狀態(tài)值含義如表 4所示。表4設(shè)備狀態(tài)碼表狀態(tài)碼狀態(tài)描述0“正?！保O(shè)備狀態(tài)節(jié)點檢測且判斷正常1“異?！?，設(shè)備狀態(tài)節(jié)點能工作，但檢測值判斷超出正常范圍2“故障”，設(shè)備狀態(tài)節(jié)點處于故障狀態(tài)3“偏高”，設(shè)備狀態(tài)節(jié)點檢測值高于正常范圍4“偏低”，設(shè)備狀態(tài)節(jié)點檢測值低于正常范圍5“停止”，設(shè)備節(jié)點工作處于停止?fàn)顟B(tài)6“輕微”

32、或“交流”，設(shè)備污染判斷為輕微；或設(shè)備供電為交流方式7“一般”或“直流”，設(shè)備污染判斷為一般；或設(shè)備供電為直流方式8“重度” 或“未接外部電源”，設(shè)備污染判斷為重度；或設(shè)備供電未接外部電源說明:（1）設(shè)備所有狀態(tài)均不輸出具體的數(shù)值， 而是輸出狀態(tài)碼，以更直觀地指導(dǎo)維護(hù)保障工作。(2) 本表只給出設(shè)備狀態(tài)碼的簡單含義描述，設(shè)備需根據(jù)每個狀態(tài)檢測數(shù) 值制定狀態(tài)判斷依據(jù)，輸出與狀態(tài)符合的狀態(tài)碼。(3) 如果觀測要素非設(shè)備觀測數(shù)據(jù)而是運算量，則不用輸出狀態(tài)要素。上 位機(jī)軟件在質(zhì)控的時候，通過設(shè)備配置文件對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行質(zhì)控。B.3.2.43段一一校驗碼定長，4位數(shù)字。采用校驗和方式，從“ BG開始一直到

33、校驗段前，包括 分隔符“,”號在內(nèi)以ASCII碼全部累加。累加值以10進(jìn)制編碼，高位在前， 若高位溢出，則取低四位。B.3.2.54段一一結(jié)束標(biāo)識固定長度，2個字母，以“ ED'表示。B.3.3幀格式示例表5完整數(shù)據(jù)幀格式起始標(biāo)識數(shù)據(jù)包頭區(qū)站號服務(wù)類型設(shè)備標(biāo)識位設(shè)備IDBG5位字符2位數(shù)字4位字母3位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)包頭觀測時間幀標(biāo)識觀測要素變量數(shù)設(shè)備狀態(tài)變量數(shù)14位數(shù)字3位數(shù)字3位數(shù)字2位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)主體觀測數(shù)據(jù)和質(zhì)量控制狀態(tài)信息觀測要觀測要觀測要觀測要狀態(tài)狀態(tài)狀態(tài)狀態(tài)素變量素變量素變量素變量質(zhì)量控制位變量變量變量變量名1值1名m值m名1值1名n值n校驗碼結(jié)束標(biāo)識4位數(shù)字ED凍土自動觀測儀輸出數(shù)

34、據(jù)示例如下:表6凍土自動觀測儀輸出數(shù)據(jù)示例完整數(shù)據(jù)BG,12345,00,YSFS,000,20180206080000,001,002,01,ARHa,110,ARHc,120,00,z,0,3973,ED起始標(biāo)識BG數(shù)據(jù)包頭12345,00,YSFS,000, 20180206080000,001,002,01數(shù)據(jù)主體ARHa,110, ARHc,120,00, z,0校驗碼3973結(jié)束標(biāo)識ED區(qū)站號為12345的基準(zhǔn)站、設(shè)備編號為000的凍土自動觀測儀在北京時間 2018年2月6日08時00分觀測的實時分鐘數(shù)據(jù)，輸出2個觀測要素及對應(yīng)的 質(zhì)量控制碼和1個狀態(tài)要素。附錄C通信命令C.1終端

35、命令的分類終端操作命令為設(shè)備和終端計算機(jī)之間進(jìn)行通訊的命令，以實現(xiàn)對設(shè)備各 種參數(shù)的傳遞和設(shè)置，從設(shè)備讀取各種數(shù)據(jù)、設(shè)置讀取各類參數(shù)，并對設(shè)備進(jìn) 行校時。C.2格式一般說明(1) 各種終端命令由命令符和相應(yīng)參數(shù)組成，命令符由若干英文字母組成，參數(shù)可以沒有，或由一個或多個組成，命令符與參數(shù)、參數(shù)與參數(shù)之間用1個半角逗號分隔。(2) 鍵入終端命令后，應(yīng)鍵入回車/換行鍵，本格式用“/”表示。(3) 返回值的結(jié)束符均為回車/換行，本格式中返回值用“ <>/”給出。(4) 命令非法時，返回出錯提示信息“ BADCOMMAND(5) 若無特殊說明，本部分中使用YYYY-MM-DD,HH:mm：

36、SS示日期、時間 格式。C.3握手機(jī)制C.3.1數(shù)據(jù)傳輸握手機(jī)制每臺設(shè)備須自帶時鐘和存儲器。數(shù)據(jù)傳輸握手機(jī)制同時具備主動發(fā)送和被動讀取兩種方式，默認(rèn)為被動讀取方式。被動讀取的方法為：由終端計算機(jī)發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令(READDATA)讀取 存儲器中距當(dāng)前時刻最近的數(shù)據(jù)，如果最近時刻數(shù)據(jù)與當(dāng)前時刻時間差超過一 幀則返回錯誤信息；主動發(fā)送的方法為：由設(shè)備端按照幀標(biāo)識類型主動向終端 計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。無論采用哪種方式，數(shù)據(jù)必須遵循“ BG,ED ”標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式要求。C.3.2時間校正握手機(jī)制上位機(jī)可通過定時發(fā)送DATETIME寸設(shè)備修改日期和時間，也可分別發(fā)送日 期（DATE和時間（TIM日命令設(shè)置設(shè)備日

37、期、時間。注：上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)授時服務(wù)器校時，業(yè)務(wù)軟件利用上位機(jī)時間對設(shè)備授時；設(shè)備具有掉電時鐘保護(hù)功能。C.3.3設(shè)備響應(yīng)命令時間接收到終端命令后，設(shè)備端應(yīng)及時響應(yīng)，響應(yīng)時間不應(yīng)超過3秒。若超過3秒，上位機(jī)將視為超時錯誤。C.4監(jiān)控操作命令C.4.1設(shè)置或讀取設(shè)備的通訊參數(shù)（SETCQM命令符：SETCOM參數(shù)：波特率數(shù)據(jù)位奇偶校驗停止位默認(rèn)值波特率為9600bps，數(shù)據(jù)位為8,奇偶校驗為無，停止位為1。示例：（1）若設(shè)備的波特率為9600 bps，數(shù)據(jù)位為8,奇偶校驗為無，停止位為1,若對設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，鍵入命令為：SETC0M,9600,8,N,1/返回值：<F>/表示設(shè)置失敗，

38、<T>/表示設(shè)置成功。（2）若讀取設(shè)備塊通訊參數(shù)，直接鍵入命令：SETCOJM正確返回值為<9600,8,N,1> /。注：（1）波特率修改范圍為：1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600,115200,非特殊情況下無需對設(shè)備波特率進(jìn)行修改（2）波特率修改前，應(yīng)先檢查當(dāng)前設(shè)置再修改波特率。（3）設(shè)備修改波特率后，需保存設(shè)置。C.4.2 設(shè)備自檢（AUTOCHECK命令符：AUTOCHECK返回的內(nèi)容包括設(shè)備日期、時間，通訊端口的通訊參數(shù)，設(shè)備狀態(tài)信息（廠 家可自行定義格式），終端軟件只對其進(jìn)行顯示，不做處理。返回值：vT/F

39、,設(shè)備輸出信息/T表示自檢成功,F表示自檢失敗。C.4.3幫助命令命令符：HELP返回值：返回終端命令清單，各命令之間用半角逗號分隔。C.4.4設(shè)置或讀取設(shè)備的區(qū)站號（QZ命令符：QZ參數(shù)：設(shè)備區(qū)站號（5位數(shù)字）示例：（1）若所屬氣象觀測站的區(qū)站號為 57494,則鍵入命令為：QZ,57494/返回值：F/表示設(shè)置失敗，T/表示設(shè)置成功。（2）若設(shè)備的區(qū)站號為57494,直接鍵入命令：QZZ正確返回值為57494/。C.4.5設(shè)置或讀取設(shè)備的服務(wù)類型（ST）命令符：ST參數(shù)：服務(wù)類型（2位數(shù)字）示例:(1) 若設(shè)備用于基準(zhǔn)站，則鍵入命令為：ST,OO/返回值：<F>/表示設(shè)置失敗，

40、<T>/表示設(shè)置成功。(2) 若設(shè)備服務(wù)類型為00,直接鍵入命令：ST/正確返回值為<00>/。注：設(shè)備端需要對設(shè)備服務(wù)類型進(jìn)行存儲。C.4.6讀取設(shè)備標(biāo)識位(DI)命令符：DI示例：讀取凍土自動觀測儀標(biāo)識位，直接鍵入命令：DI /正確返回值為：<YSFS>/。C.4.7設(shè)置或讀取設(shè)備ID (ID)命令符：ID參數(shù)：3位數(shù)字示例：(1) 若為凍土自動觀測儀ID為：000,對設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，鍵入命令為:ID,000 /返回值：<F>/表示設(shè)置失敗，<T>/表示設(shè)置成功。(2) 若為讀取設(shè)備ID參數(shù)，直接鍵入命令：ID /正確返回值為:&l

41、t;000> /。C.4.8設(shè)置或讀取凍土自動觀測儀的緯度（LAT）命令符：LAT參數(shù)：DD.MM.S&DD為度，MM為分,SS為秒）示例：（1）若所屬凍土自動觀測儀的緯度為 32° 14' 20，則鍵入命令為：LAT,32.14.20 /返回值： 卩表示設(shè)置失敗，丁表示設(shè)置成功。（2） 若數(shù)據(jù)采集器中的緯度為42° 06' 00，直接鍵入命令：LAT/正確返回值為42.06.00。C.4.9設(shè)置或讀取凍土自動觀測儀的經(jīng)度（LONG命令符：LONG參數(shù)：DDD.MM.SSDDD為度，MM為分，SS為秒）示例：（1） 若所屬凍土自動觀測儀的經(jīng)度為

42、 116° 34' 18，則鍵入命令為:LONG,116.34.18/返回值： 卩表示設(shè)置失敗，丁表示設(shè)置成功。（2）若數(shù)據(jù)采集器中的經(jīng)度為108° 32' 03，直接鍵入命令：LON3正確返回值為108.32.03。C.4.10設(shè)置或讀取凍土自動觀測儀日期（DATE命令符：DATE參數(shù)：YYYY-MM-DDYYYY為年，MM為月，DD為日）示例:(1) 若對凍土自動觀測儀設(shè)置的日期為 2018年12月3日，鍵入命令為：DATE,2018-12-03/返回值：F/表示設(shè)置失敗，T/表示設(shè)置成功。(2) 若設(shè)備的日期為2018年12月4日，讀取設(shè)備日期，直接鍵

43、入命令：DAT玄正確返回值為：2018-12-04/。C.4.11設(shè)置或讀取凍土自動觀測儀時間(TIME)命令符：TIME參數(shù)：HH:mm:S(HH為時，mm為分，SS為秒)示例：(1) 若對凍土自動觀測儀設(shè)置的時間為 12時34分00秒，鍵入命令為：TIME,12:34:00 /返回值：F/表示設(shè)置失敗，T/表示設(shè)置成功。(2) 若凍土自動觀測儀的時間為12時35分00秒，讀取凍土自動觀測儀 時間，直接鍵入命令：TIME/正確返回值為：12:35:00/。C.4.12設(shè)置或讀取凍土自動觀測儀日期與時間(DATETIME命令符：DATETIME參數(shù)：YYYY-MM-DD,HH:mm：S&

44、;YYY為年，MM為月，DD為日,HH 為時，mm 為分，SS為秒)示例：(1)若設(shè)置凍土自動觀測儀日期為 2018年2月27日12時34分00秒， 鍵入命令為：DATETIME,2018-02-27,12:34:00 /返回值：F/表示設(shè)置失敗，T/表示設(shè)置成功。（2）若凍土自動觀測儀的日期為 2018年2月27日，12時34分00秒， 讀取設(shè)備日期時間，直接鍵入命令：DATETIME正確返回值為：2018-02-27,12:34:00/。C.4.13設(shè)置或讀取設(shè)備主動模式下的發(fā)送時間間隔（FTD命令符：FTD參數(shù)：FI , mmC（ FI代表幀標(biāo)識，定義見B.3.2.2.6 數(shù)據(jù)類型；mm

45、（表示時 間間隔，其中C代表時間單位：用H表示小時，M表示分鐘，S表示秒。當(dāng)C 為“ H', mmfS在（0124）之間；當(dāng)C為“M', mmB在（0159）之間；當(dāng)C 為“S'，mmfS在（0059）之間，當(dāng)mm為00，即mm為“00S”時，表示主動 模式下取消自動發(fā)送FI類型的數(shù)據(jù)包。）設(shè)置的時間間隔不能小于幀標(biāo)識中的 時間間隔。示例：（1） 若設(shè)置設(shè)備主動發(fā)送實時分鐘數(shù)據(jù)的時間間隔為5分鐘，鍵入命令：FTD,001,05ME返回值：F/表示設(shè)置失敗，T/表示設(shè)置成功。（2） 若設(shè)置設(shè)備主動發(fā)送整點小時定時數(shù)據(jù)的時間間隔為1小時，鍵入命令：FTD,160,01H/返

46、回值：F/表示設(shè)置失敗，T/表示設(shè)置成功。不帶參數(shù)時用于查詢主動模式下設(shè)備支持的所有幀數(shù)據(jù)的發(fā)送間隔。若設(shè) 備具有實時分鐘數(shù)據(jù)和小時定時數(shù)據(jù)兩種數(shù)據(jù)包格式，但只主動發(fā)送定時數(shù)據(jù)，發(fā)送時間間隔為1小時，鍵入查詢命令,FTD/正確返回值為：<001,00S,160,01H> /。C.4.14歷史數(shù)據(jù)下載(DOWN命令符：DOWN參數(shù)為：開始日期，開始時間，結(jié)束日期，結(jié)束時間，幀標(biāo)識。下載指定時間范圍內(nèi)對應(yīng)幀類型的觀測記錄數(shù)據(jù)。開始/結(jié)束日期的格式：YYYY-MM-DD開始結(jié)束/時間的格式：HH:mm:SS 幀標(biāo)識定義見B.3.2.2.6，當(dāng)幀標(biāo)識為001實時分鐘幀標(biāo)識時，必須缺省 幀標(biāo)識參數(shù)。示例：(1) 若獲取設(shè)備中2018年2月21日20時0分0秒至2018年2月24日 20時0分0秒的分鐘數(shù)據(jù)，鍵入命令為：DOVVN2018-02-21,20:00:00,2018-02-24,20:00:00/返回值：<F>/表示讀取失敗，<T>/表示正確返回：實時分鐘歷史數(shù)據(jù)， 每條數(shù)據(jù)末尾附回車換行。(2) 若獲取設(shè)備中2018年2月21日20時0分0秒至2018年2月24日 20時0分0秒的整點小時定時數(shù)據(jù)，鍵入命令