附录1新型自动气象气候站主分采集器通信协议.docx
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附录1新型自动气象气候站主分采集器通信协议
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
9
5cm、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。
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
uint16
M
单位为hPa,带1位小数。
原值扩大10倍,用整数表示。
3040
相对湿度采样瞬时值
uint16
M
单位为%RH
3060
风速采样瞬时值
数组
M
0
数量
uint8
值为2。
1
10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。
2
1.5米风速
uint16
3061
风向采样瞬时值
uint16
M
单位为°。
30A0
降水量采样瞬时值
数组
M
0
数量
uint8
M
值为2。
1
0.1mm翻斗
uint16
M
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。
2
0.5mm翻斗
uint16
M
30E0
能见度采样瞬时值
uint16
M
单位为m。
3100
土壤体积含水量采样瞬时值
数组
M
0
数量
uint8
M
值为8。
1
5cm
uint16
M
单位为%。
2
10cm
uint16
M
3
20cm
uint16
M
4
30cm
uint16
M
5
40cm
uint16
M
6
50cm
uint16
M
7
100cm
uint16
M
8
180cm
uint16
M
3120
水位采样瞬时值
uint16
M
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
uint16
M
31C3
小时天气现象
uint16
M
31D0
称重弦频率采样瞬时值
数组
M
0
数量
uint8
M
值为3。
1
弦1频率
uint16
M
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
uint16
M
3
弦3频率
uint16
M
31E0
气温采样瞬时值
数组
M
0
数量
uint8
M
值为4,支持4路气温。
1
气温0
int16
M
单位为℃,带2位小数。
原值扩大100倍后,用整数表示。
2
气温1
int16
M
3
气温2
int16
M
4
气温3
int16
M
31F0
通风转速采样瞬时值
数组
M
0
数量
uint8
M
值为3,支持3路通风转速。
1
通风1转速
uint16
M
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
uint16
M
3
通风3转速
uint16
M
3200
地温采样瞬时值
数组
M
0
数量
uint8
M
值为8,支持8路地温。
1
5cm
int16
M
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。
2
10cm
int16
M
3
15cm
int16
M
4
20cm
int16
M
5
40cm
int16
M
6
80cm
int16
M
7
160cm
int16
M
8
320cm
int16
M
3210
草面温度采样瞬时值
int16
M
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
int16
M
3230
红外地表温采样瞬时值
int16
M
3240
总辐射采样瞬时值
int16
M
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
int16
M
3260
直辐射采样瞬时值
int16
M
3270
散辐射采样瞬时值
int16
M
3280
反辐射采样瞬时值
int16
M
3290
紫外辐射A采样瞬时值
int16
M
32A0
紫外辐射B采样瞬时值
int16
M
32B0
大气长波辐射采样瞬时值
int16
M
32C0
地球长波辐射采样瞬时值
int16
M
32C1
地球长波辐射腔件温度
int16
M
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
int16
M
32D0
光合有效辐射采样瞬时值
int16
M
32E0
蒸发(水位)采样瞬时值
int16
M
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
3320
15分钟天气现象
3330
小时天气现象
3340
闪电频次
3350
积雪深度
uint16
M
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
int16
M
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
31
16
15
8
7
6
0
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
…
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。
3810
1.8V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。
3811
2.5V电压值
3812
3.3V电压值
3813
5V电压值
3814
12V电压值
3815
24V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
03:
低于下限
04:
维护
05:
其他状态
…
3801-3805
其余可用的对象索引。
3.3.1.3.2电压状态
电压状态的类型及对象索引分配见表7。
表7电压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
3810
1.8V电压值
数组
C
0
数量
uint8
1
某节点1.8V电压
uint16
单位为V,带1位小数。
原值扩大10倍后,用整数表示。
…
3811-3816
其他电压值,含义同上。
3.3.1.3.3节点状态
节点状态的类型及对象索引分配见表8。
表8节点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
3817
节点状态
数组
C
0
数量
uint8
1
某节点状态
uint8
…
3.3.1.4用于监控数据的SDO对象
主采集器通过SDO服务取得分采集器的监控数据。
对于不同分采集器的监控数据,需要通过该分采集器提供的SDO服务取得。
作为SDO的客户端,主采集器的对象字典中定义了所有可用的CSDO参数。
同时,建立了监控数据与CSDO的对应关系,每一种监控数据都建立了一个CSDO的列表。
列表中的每一个条目都作为一个对象,条目的值为CSDO的序号。
对象索引0x3900-0x3907用于定义监控数据的CSDO见表9。
表9监控数据的CSDO对象索引分配
对象索引
监控数据类型
说明
3900
传感器状态
用于进行传感器状态监控的CSDO列表
3901
1.8V电压值
用于进行电压监控的CSDO列表
3902
2.5V电压值
3903
3.3V电压值
3904
5V电压值
3905
12V电压值
3906
24V电压值
3907
蓄电池电压值
3.3.2对象字典
按照CiADS-301应用层和通信协议的规定,在对象字典中对设备类型、同步信号、时间戳、PDO通信对象、SDO通信对象等进行了定义。
3.3.2.1传感器通道标识
传感器通道标识分配见表10。
表10传感器通道标识分配
对象索引
子
索引
对象名称
R/W
值
说明
3700
传感器通道号定义
1
数量
R
46
2
总辐射
R
0x64010105
辐射分采集器的第1个模拟通道
3
净辐射
R
0x64010205
辐射分采集器的第2个模拟通道
4
直接辐射
R
0x64010305
辐射分采集器的第3个模拟通道
5
散射辐射
R
0x64010405
辐射分采集器的第4个模拟通道
6
反射辐射
R
0x64010505
辐射分采集器的第5个模拟通道
7
紫外A辐射
R
0x64010605
辐射分采集器的第6个模拟通道
8
紫外B辐射
R
0x64010705
辐射分采集器的第7个模拟通道
9
大气长波辐射
R
0x64010805
辐射分采集器的第8个模拟通道
10
地面长波辐射
R
0x64010905
辐射分采集器的第9个模拟通道
11
光合有效辐射
R
0x64010A05
辐射分采集器的第10个模拟通道
12
大气长波腔件温度
R
0x64010B05
辐射分采集器的第11个模拟通道
13
地面长波腔湿度
R
0x64010C05
辐射分采集器的第12个模拟通道
14
草面温度
R
0x64010106
地温分采集器的第1个模拟通道
15
地表温度
R
0x64010206
地温分采集器的第2个模拟通道
16
5cm地温
R
0x64010306
地温分采集器的第3个模拟通道
17
10cm地温
R
0x64010406
地温分采集器的第4个模拟通道
18
15cm地温
R
0x64010506
地温分采集器的第5个模拟通道
19
20cm地温
R
0x64010606
地温分采集器的第6个模拟通道
20
40cm地温
R
0x64010706
地温分采集器的第7个模拟通道
21
80cm地温
R
0x64010806
地温分采集器的第8个模拟通道
22
160cm地温
R
0x64010906
地温分采集器的第9个模拟通道
23
320cm地温
R
0x64010A06
地温分采集器的第10个模拟通道
24
5cm土壤水分
R
0x64010109
土壤水分分采集器第1个模拟通道
25
10cm土壤水分
R
0x64010209
土壤水分分采集器第2个模拟通道
26
20cm土壤水分
R
0x64010309
土壤水分分采集器第3个模拟通道
27
30cm土壤水分
R
0x64010409
土壤水分分采集器第4个模拟通道
28
40cm土壤水分
R
0x64010509
土壤水分分采集器第5个模拟通道
29
50cm土壤水分
R
0x64010609
土壤水分分采集器第6个模拟通道
30
100cm土壤水分
R
0x64010709
土壤水分分采集器第7个模拟通道
31
180cm土壤水分
R
0x64010809
土壤水分分采集器第8个模拟通道
32
通风罩气温1
R
0x64010103
气候分采集器第1个模拟通道
33
通风罩气温2
R
0x64010203
气候分采集器第2个模拟通道
34
通风罩气温3
R
0x64010303
气候分采集器第3个模拟通道
35
铂电阻地表温或辅助温度
R
0x64010403
气候分采集器第4个模拟通道
36
红外地表温度
R
0x64010703
气候分采集器第7个模拟通道
(5、6通道的计算结果)
37
0.5mm翻斗雨量
R
0x64010903
气候分采集器第9个模拟通道
38
1.5m风速
R
0x64010A03
气候分采集器第10个模拟通道
39
通风速度1
R
0x64010B03
气候分采集器第11个模拟通道
40
通风速度2
R
0x64010C03
气候分采集器第12个模拟通道
41
通风速度3
R
0x64010D03
气候分采集器第13个模拟通道
42
称重弦1
R
0x64010E03
气候分采集器第14个模拟通道
43
称重弦2
R
0x64010F03
气候分采集器第15个模拟通道
44
称重弦3
R
0x64011003
气候分采集器第16个模拟通道
45
百叶箱气温
R
0x6401010F
温湿度智能传感器第1个模拟通道
46
百叶箱湿度
R
0x6401020F
温湿度智能传感器第2个模拟通道
3.3.2.2监控数据的CSDO列表
主采集器中监控数据所要使用的SDO服务对象在对象字典中的CSDO定义见表11。
表11主采集器监控数据SDO服务对象在对象字典中的CSDO分配
对象索引
子
索引
对象名称
R/W
值
说明
3900
具有1.8V电压的节点
0
数量
R
7
可监控7个节点的1.8V电压
1
气候观测节点CSDO
R
1
使用第1个CSDO取得气候观测节点的1.8V电压状态
2
辐射节点CSDO
R
2
使用第2个CSDO取得辐射观测节点的1.8V电压状态
3
地温节点CSDO
R
3
使用第3个CSDO取得地温观测节点的1.8V电压状态
4
土壤水分节点CSDO
R
4
使用第4个CSDO取得土壤水分观测节点的1.8V电压状态
5
海洋节点CSDO
R
5
使用第5个CSDO取得海洋观测节点的1.8V电压状态
6
智能节点CSDO
R
6
使用第6个CSDO取得智能观测节点的1.8V电压状态
7
温湿度节点CSDO
R
7
使用第7个CSDO取得温湿度观测节点的1.8V电压状态
3901
具有2.5V电压的节点
0
数量
R
6
可监控6个节点的2.5V电压
1
气候观测节点CSDO
R
1
使用第1个CSDO取得气候观测节点的2.5V电压状态
2
辐射节点CSDO
R
2
使用第2个CSDO取得辐射观测节点的2.5V电压状态
3
地温节点CSDO
R
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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- 关 键 词:
- 附录 新型 自动 气象 气候 站主分 采集 通信协议