忻州市土壤水分站安装维护及运行问题浅析

（山西省原平市气象局，忻州 034100）

0 引言

忻州市位于山西省北中部，西高东低山川较多，自古以来就有农业生产活动，素有小杂粮之都美誉。而作物产量增减的涉及多种气象要素，土壤水分的观测是其中重要的一项，土壤含水量的变化在作物生长期极为重要。及时掌握土壤水分变化情况，可以为农业部门及种植大户提供预报预警服务，对增产增收以及生态环境保护具有重要意义。2018年初，保德、宁武、神池完成最后一批次设备安装，共布设15套DZN2型自动土壤水分观测仪，包括14套作物地段和1套固定地段，预示着忻州市实现了土壤水分要素实时监测的全境覆盖。文章以DZN2型水分观测仪为研究对象，通过分析该型设备在近年来安装调试和运行维护情况，从供电系统、通讯模块、传感器、采集器、业务软件及异常数据分析等模块分析汇总出现的故障现象、原因以及排除方法，为台站人员在值班和日常维护中能快速辨别问题所在，从而提高数据的稳定性、可靠性，能起到为农服务的作用。

1 自动土壤水分观测站工作原理

1.1 FDR传感器工作原理

1.2 DZN2型自动土壤水分站运行流程

自动土壤水分观测站是由土壤水分传感器、探测器、采集器、供电系统、通讯模块、采集软件和业务软件等部分组成。忻州市自动土壤水分观测仪单站数据，由采集器通过RS-485信道与探测器通讯，即时获取电容传感器采集的水分值，通过GPRS通讯模块传输至省级气象部门中心站服务器，中心站对自动土壤水分数据进行接收和处理，从而实现土壤水分数据采集和传输[2]。DZN2型土壤水分站传输原理如图1所示。

图1 DZN2型土壤水分站传输原理

2 自动土壤水分站运行问题分析

2.1 供电系统

供电系统故障是最为常见故障之一。当值班员监控到数据缺报时，到现场首先要排查电源控制器。观察电源控制器面板（如图2所示），从左往右依次是太阳能供电状态灯、电池供电指示灯和电源开关指示灯。若为绿色，表示电压正常。中间指示灯，若为黄色则欠压，红色表示无法工作，基本判断为太阳能无法充电或蓄电池老化；右侧指示灯，橙色表示电路板电源正常，如果电源开关没有打开或控制器没有上电则指示灯会熄灭。正常情况下，控制器自动充电，电池电压达到正常值（＞12.6 V）后，控制器会自动上电。若电池电压达到12.6 V以上，出现负载指示灯熄灭，中间指示灯显示红色的情况，可以断开接线端子，尝试重新连接，来恢复正常工作。

查看供电模式设置。通过长按控制器指示键，直至闪烁，再次调节按钮使模式出现厂家设计正确的模式“6．”，系统即可正常工作。太阳能电池板指示灯不亮，检查太阳能电池板连线是否正常，测试连线之间的电压，有光照时应该在17 V以上，最高可达22 V。如果电压不正常，查看接线正负极是否正确，接线是否牢靠，还应检查太阳能电池板接线柱是否有异常。

根据观察电源控制器的指示灯状态，采用更换老旧蓄电池、重新启动、牢固接线端等方法，可排除大部分供电故障。所有土壤水分站均为无人值守全程监控的方式，电源无外接模式，只通过太阳能板来进行充电，遇到雨雪天气或者有尘土覆盖影响到太阳光照射不足时，会引起电池欠压导致数据连续性中断，因此建议值班人员按照规范执行，定期清洁太阳能板。在安装设备时，要注意将太阳能板调整到最佳照射角度，通常朝向为朝南偏西方位。

图2 电源控制器

2.2 数据采集器

值班员通过浏览软件监控到数据传输中断的情况时，需要进一步区分为数据全部缺失和数据部分缺失。当数据全部缺失时，可按以下步骤。①供电检查。通过上述供电系统排查，若电压一切正常，则说明采集板可能出现故障无法启动，需更换采集板。②查看中间RUN指示灯黄色闪烁状态（如图3所示），如不闪烁或熄灭，则需更换采集板。③串口通讯检查。使用多功能调试软件与采集器通讯（USB口转接R232口要选择直连线），通信连接成功后，点击“采集器对时”中的“读时钟”，文本中会出现当前时钟数据，若误差较大，点击“对时”，再次读时钟查看修改结果。如连续读取失败无法修改，可能串口通讯故障。④查看通讯模块版本，2G版本设置单通道，4G版本设置多通道选1。设置完成后，GPRS指示灯正常状态是绿色长亮，若不亮，查看IP地址、端口设置是否正常，查看SIM卡缴费状态以及信号强度，若一切正常，仍无法登陆服务器，需与省局信息管理员联系。当数据部分缺失时，可采用替代法，将备份传感器或其他正常通道的传感器更换到故障通道进行排除，查看数据是否恢复正常。

图3 数据采集器

2.3 FDR传感器

值班员通过浏览软件监控到数据异常跳变、呈直线走势或超出正常观测范围等情况，需要进行如下排查。①外观检查。检查前应先关闭电源，再拔开485线序端子（如图4所示），取出观测杆，观察传感器内是否有水珠附着，若发现套管内有进水现象，进一步确认是套管开裂或外部原因。应进行更换干燥剂、封胶等防水处理，若开裂要更换套管或传感器。②接线端子检查。所有站均为八层探测环，分别是10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、80 cm、100 cm。要查看故障层跳线、排线插针连接是否牢靠，铜环极板与传感器内部电路板的连接线在操作时要格外注意脱落折损。③软件调试。如数据出现奇异值或走势异常。若发现某层的水分值异常，工作人员可使用多功能调试软件读取该层的传感器频率值，探测环均标注出厂工作频率，正常范围应在30～80 kHz，超出此范围或频率值为0即可判定传感器故障，需更换该层传感器[3]。

图4 485线序

2.4 深层水分数据异常变化问题

通常蒸发和降水引起的土壤水分变化最为显著，其变化规律是由浅层到深层逐层发生变化，当台站值班员监控到数据发生剧烈升高或降低的异常情况时，需进一步排查。通过实地调查后发现，主要有两类原因，一是由于安装时操作不当，底层土壤未夯实，造成数据异常，需重新按规范安装。另一种情况是套管附近土壤出现龟裂（如图5所示），当有灌溉或降水时，水直接沿套管壁流入，引起土壤水分观测值突变。

图5 土壤龟裂

2.5 冻土引起的数据异常问题

忻州地区冬季严寒，部分县冻土层可持续半年之久。当气温下降冻土发生时，土壤中含有水分会发生由液态冻结为固态的过程，而水的介电常数远大于冰晶，因此监控到的土壤水分观测数据会偏小，走势明显下滑，在使用数据过程中，此类观测数据偏低现象属于正常，应注意综合考量加以判别。到春季解冻时，水分含量变化曲线会发生剧烈变化，台站人员应及时监测，保证仪器正常运行。曲线变化如图6所示。

图6 曲线变化

2.6 设备日常维护注意事项

设备目前两年进行一次返厂标定，正常运行过程中，应遵照规范内容定期进行维护，加强现场巡查。①定期对采集器箱内部进行除尘，及时清除太阳能面板上的灰尘、积雪、鸟粪等杂物，避免影响电池充电。②每半年将传感器取出检查，查看安装套管是否有受潮迹象，并将传感器内放置的干燥剂进行更换，应用密封胶对进线口、螺丝口、管壁与保护帽的接口等处进行防水加固处理。③每天通过浏览软件查看本站数据，如发现走势异常或数据缺失要及时查找原因。

3 结束语

截止2018年，忻州市形成了覆盖广泛、初见成效的土壤水分自动观测网络，各台站安装了数据浏览软件，值班员不间断值守，可随时浏览查询土壤数据，提供便捷的农业气象服务。文章通过分析近年来故障问题产生的原因，并结合保障规范，对问题依次给出了解决办法。该型仪器具有及时获得土壤水分连续曲线，测量精度高的优点，同时，常见问题是仪器自身故障，人员维护不到位造成的。保障人员要对运行问题及时排除，可提高数据到报质量，及时规范的维护工作可保证数据正常传输，提高数据观测的连续性。