附录1-新型自动气象(气候)站主、分采集器通信协议

新型自动气象（气候）站功能规格书附件1：新型自动气象（气候）站主、分采集器通信协议1概述新型自动气象（气候）站基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建，采用了国际标准并遵循标准、开放的技术路线进行设计。其核心是基于CAN（ControllerAreaNetwork，控制器区域网）总线技术和国际标准CANopen协议进行设计，涉及物理层、数据链路层和应用层的标准定义。主采集器和分采集器(或智能传感器，以下不再作区分)是CAN总线上的节点，它们之间的通信遵循CAN数据链路层协议和CANopen应用层协议。2数据链路层协议CAN总线标准已规定了数据链路层协议，目前的版本为V2.0。数据链路层协议由CAN控制器在硬件上实现，不需要设计人员再为此开发相关软件（Software）或固件（Firmware），可以缩减整个系统的开发周期。3应用层协议在CAN总线数据链路层协议的基础上，主采集器和分采集器之间采用应用层协议――CANopen协议进行通信，它实现了网络管理服务和报文传送协议。在CANopen协议中，对象字典是极为重要的部分。在本质上，对象字典是按预定义的方式，通过网络可访问的一组对象的集合。对象字典中的每一条，影响着应用程序对象、通信对象以及设备状态机的行为。CANopen中的每一个节点，根据其设备类型，都拥有一份相应的对象字典。3.1CANopen节点CANopen节点是挂接在CAN总线上的主采集器和分采集器，所有节点通过CAN总线构成一个本地网络。从网络管理的角度，CANopen节点可分为主节点和从节点，主节点实现CANopen网络管理（NMT）服务，从节点接受主节点的管理。网络中的每个从节点通过节点号来进行唯一识别，节点号的范围为1-127。主采集器在网络中作为主节点，分采集器为从节点。主采集器和附件1新型自动气象（气候）站主、分采集器通信协议各分采集器的节点号分配见表1。表1主采集器和各分采集器的节点号分配表采集器节点号说明主采集器1备份主采集器2与主采集器并行工作，同时监控主采集器的运行，主采集器故障时自动接管系统管理功能。气候观测分采集器3气温传感器（3支）；通风速度（3支）；称重降水量传感器（3弦）；风速传感器（1.5米）；红外地表温度传感器。辐射观测分采集器5总辐射传感器；直接辐射传感器；反射辐射传感器；散射辐射传感器；紫外辐射A传感器；紫外辐射B传感器；大气长波辐射传感器；大气长波辐射传感器腔件温度；光合有效辐射传感器；地球长波辐射传感器；地球长波辐射传感器腔件温度；日照。地温观测分采集器6地表温度（铂电阻）传感器；草面温度传感器；地温（5cm、10cm、15cm、20cm、40cm、80cm、160cm、320cm）传感器。土壤水分观测分采集器95cm、10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、100cm、180cm各层次海洋观测分采集器12海表温度；海水盐度；海表浪高；浪高周期；海表流速；海表流向；海水浊度；海水叶绿素浓度；浮标方向。智能观测分采集器14云量；云高；闪电频率；天气现象；雪压；雪深；积冰厚度；积冰密度；地下水位。温湿度智能传感器15气温；湿度。新型自动气象（气候）站功能规格书3.2通信波特率CAN通信的可用波特率和当前波特率由CANopen设备配置文件中的相关项目规定，主采集器应当支持以下波特率值的配置：50K、125K、250K。目前，规定主、分采集器以默认的50K波特率进行通信。3.3主采集器主采集器实现CANopen的主站协议，承担整个系统的调度和管理任务，主要有接入管理、运行方式管理、状态监控、时钟管理、配置管理等功能。a)接入管理：实现节点管理服务，实时监控分采集器的接入和脱离，动态加入的分采集器，能自动识别和主动纳入管理；b)运行方式管理：实现同步信号服务和时间戳服务，使所有的分采集器在同步信号和实时时钟的同步下进行工作；c)状态监控：通过节点管理服务，主采集器监控各分采集器的运行状态；d)时钟管理：通过时间戳服务，主采集器实现整个系统的时间管理，确保任何时刻分采集器与主采集器的时钟误差小于1s；e)配置管理功能：在硬件不变更的基础上，通过对主采集器和分采集器的对象字典进行配置，或嵌入式软件升级，能快速配置为各种需求的自动气象站模式。主采集器根据收到的数据帧的标识和对象字典的定义，从数据帧中分解出气象要素数据并进行处理。3.3.1与设备有关的对象定义3.3.1.1采样瞬时值在主采集器中，把每一个气象要素的采样瞬时值看作一个对象，这些对象具有数据类型、单位等属性。在主采集器的对象字典中，对所有的气象要素采样瞬时值进行了定义。把采样瞬时值的对象索引和子索引填到RPDO（接收PDO）的映射参数中，当接收到一个PDO时，便可根据映射参数解析出相应的气象要素采样瞬时值。主采集器中的气象要素采样瞬时值定义如表2。表2主采集器中采样瞬时值对象定义对象索引对象名称数据类型分类说明3020气压采样瞬时值uint16M单位为hPa，带1位小数。原值扩大10倍，用整数表示。附件1新型自动气象（气候）站主、分采集器通信协议3040相对湿度采样瞬时值uint16M单位为%RH3060风速采样瞬时值数组M0数量uint8值为2。110米风速uint16单位为m/s，带1位小数。原值扩大10倍后，用整数表示。从分采集器传上来的是频率值，单位为Hz带1位小数，扩大10倍后上传。这样便于支持两种风速传感器。21.5米风速uint163061风向采样瞬时值uint16M单位为°。30A0降水量采样瞬时值数组M0数量uint8M值为2。10.1mm翻斗uint16M单位为mm，带1位小数。原值扩大10倍后，用整数表示。从分采集器传上来的是脉冲数。这样便于支持两种不同的翻斗雨量传感器。20.5mm翻斗uint16M30E0能见度采样瞬时值uint16M单位为m。3100土壤体积含水量采样瞬时值数组M0数量uint8M值为8。15cmuint16M单位为%。210cmuint16M320cmuint16M430cmuint16M540cmuint16M650cmuint16M7100cmuint16M8180cmuint16M3120水位采样瞬时值uint16M单位为mm，带1位小数。原值扩大10倍后，用整数表示。31C1分钟天气现象uint16M31C3小时天气现象uint16M31D0称重弦频率采样瞬时值数组M0数量uint8M值为3。1弦1频率uint16M单位为Hz，带1位小数。原值扩大10倍后，用整数表示。2弦2频率uint16M3弦3频率uint16M31E0气温采样瞬时值数组M0数量uint8M值为4，支持4路气温。1气温0int16M单位为℃，带2位小数。原值扩大100倍后，用整数2气温1int16M3气温2int16M新型自动气象（气候）站功能规格书4气温3int16M表示。31F0通风转速采样瞬时值数组M0数量uint8M值为3，支持3路通风转速。1通风1转速uint16M单位为Hz，带1位小数。原值扩大10倍后，用整数表示。2通风2转速uint16M3通风3转速uint16M3200地温采样瞬时值数组M0数量uint8M值为8，支持8路地温。15cmint16M单位为℃，带1位小数。原值扩大10倍后，用整数表示。从分采集器传上来的采样值带2位小数，扩大100倍。210cmint16M315cmint16M420cmint16M540cmint16M680cmint16M7160cmint16M8320cmint16M3210草面温度采样瞬时值int16M单位为℃，带1位小数。原值扩大10倍后，用整数表示。从分采集器传上来的采样值带2位小数，扩大100倍。3220地表温度采样瞬时值int16M3230红外地表温采样瞬时值int16M3240总辐射采样瞬时值int16M单位为w/m2，用整数表示。从分采集器传上来的是电压值，单位为4uV。3250净辐射采样瞬时值int16M3260直辐射采样瞬时值int16M3270散辐射采样瞬时值int16M3280反辐射采样瞬时值int16M3290紫外辐射A采样瞬时值int16M32A0紫外辐射B采样瞬时值int16M32B0大气长波辐射采样瞬时值int16M32C0地球长波辐射采样瞬时值int16M32C1地球长波辐射腔件温度int16M单位为℃，带1位小数。原值扩大10倍后，用整数表示。32C2大气长波辐射腔件温度int16M32D0光合有效辐射采样瞬时值int16M32E0蒸发（水位）采样瞬时值int16M单位为mm，带1位小数。原值扩大10倍后，用整数表示。3300云高3310云量332015分钟天气现象3330小时天气现象附件1新型自动气象（气候）站主、分采集器通信协议3340闪电频次3350积雪深度uint16M单位为mm，带1位小数。原值扩大10倍后，用整数表示。3360雪压3370电线积冰厚度3380电线积冰密度33A0浮标方位33B0海表温度int16M单位为℃，带1位小数。原值扩大10倍后，用整数表示。33C0海水盐度33D0海水电导率33E0有效浪高33F0有效浪高周期3400海洋面流速3410海洋面波向3420海水浊度3430海水叶绿素浓度3.3.1.2传感器通道识别为了在主采集器中识别分采集器的每一个传感器通道，在主采集器中需要建立一个传感器通道的列表。主采集器把这个列表中的每一个条目作为一个对象，列表条目的值是传感器通道的标识值，指示该传感器通道对应分采集器的通道，列表条目的对象索引和子索引组成相应传感器通道的逻辑编号。传感器通道标识值用一个32位值表示，其结构定义见表3。表3传感器通道标识结构索引号子索引保留节点号3116158760索引号部分与CiADS-401中的输入对象一致。如：0x64010205表示第5节点的第2个16位模拟通道。对象索引0x3700-0x3705用于定义传感器通道标识，如表4。表4传感器通道标识的对象索引对象索引对象名称数据类型分类说明3700传感器通道标识数组M数组中的每一项是一个传感器通道标识值。0数量uint8其值根据实际情况确定，最大255。超过255时，使用对象索引0x3701继续定义余下通道，最多可定义到0x3705。1某传感器通道uint32某传感器通道标识值…新型自动气象（气候）站功能规格书3701-3705其余可用的对象索引。3.3.1.3监控数据在主采集器和分采集器中，每一个监控数据为一个对象，这些对象具有数据类型、单位等属性。主采集器的对象字典中，对每一类监控数据都定义了需要监控的分采集器节点号。通过这些节点号，以及相应的对每个节点的SDO服务的定义，利用分采集器提供的SDO服务，主采集器可以随时查询分采集器的监控数据。监控数据的类型及对象索引分配见表5。表5监控数据类型及对象索引分配对象索引监控数据对象说明3800-3805传感器状态传感器状态是一个列表，列表中的每一项，与传感器通道标识列表的每一项相对应。38101.8V电压值每种电压监控类型数据都有一个列表，列表中的每一项与0x3901-0x3907对应。38112.5V电压值38123.3V电压值38135V电压值381412V电压值381524V电压值3816蓄电池电压值3817节点状态节点状态是一个列表，列表中的每一项与心跳监控列表0x1016的每一项相对应。3.3.1.3.1传感器状态传感器状态的类型及对象索引分配见表6。表6传感器状态类型及对象索引分配对象索引对象名称数据类型分类说明3800传感器状态数组M数组中的每一项是一个传感器状态,与传感器通道标识列表的每一项相对应。0数量uint8其值根据实际情况确定，最大255。超过255时，使用对象索引0x3801继续定义余下通道，最多可定义到0x3805。1某传感器状态uint8某传感器状态。取值如下：00：正常01：禁用02：超过上限附件1新型自动气象（气候）站主、分采集器通信协议03：低于下限04：维护05：其他状态…3801-3805其余可用的对象索