忻州市土壤水分站安裝維護及運行問題淺析

（山西省原平市氣象局，忻州 034100）

0 引言

忻州市位于山西省北中部，西高東低山川較多，自古以來就有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，素有小雜糧之都美譽。而作物產(chǎn)量增減的涉及多種氣象要素，土壤水分的觀測是其中重要的一項，土壤含水量的變化在作物生長期極為重要。及時掌握土壤水分變化情況，可以為農(nóng)業(yè)部門及種植大戶提供預(yù)報預(yù)警服務(wù)，對增產(chǎn)增收以及生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。2018年初，保德、寧武、神池完成最后一批次設(shè)備安裝，共布設(shè)15套DZN2型自動土壤水分觀測儀，包括14套作物地段和1套固定地段，預(yù)示著忻州市實現(xiàn)了土壤水分要素實時監(jiān)測的全境覆蓋。文章以DZN2型水分觀測儀為研究對象，通過分析該型設(shè)備在近年來安裝調(diào)試和運行維護情況，從供電系統(tǒng)、通訊模塊、傳感器、采集器、業(yè)務(wù)軟件及異常數(shù)據(jù)分析等模塊分析匯總出現(xiàn)的故障現(xiàn)象、原因以及排除方法，為臺站人員在值班和日常維護中能快速辨別問題所在，從而提高數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、可靠性，能起到為農(nóng)服務(wù)的作用。

1 自動土壤水分觀測站工作原理

1.1 FDR傳感器工作原理

1.2 DZN2型自動土壤水分站運行流程

自動土壤水分觀測站是由土壤水分傳感器、探測器、采集器、供電系統(tǒng)、通訊模塊、采集軟件和業(yè)務(wù)軟件等部分組成。忻州市自動土壤水分觀測儀單站數(shù)據(jù)，由采集器通過RS-485信道與探測器通訊，即時獲取電容傳感器采集的水分值，通過GPRS通訊模塊傳輸至省級氣象部門中心站服務(wù)器，中心站對自動土壤水分數(shù)據(jù)進行接收和處理，從而實現(xiàn)土壤水分數(shù)據(jù)采集和傳輸[2]。DZN2型土壤水分站傳輸原理如圖1所示。

圖1 DZN2型土壤水分站傳輸原理

2 自動土壤水分站運行問題分析

2.1 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)故障是最為常見故障之一。當值班員監(jiān)控到數(shù)據(jù)缺報時，到現(xiàn)場首先要排查電源控制器。觀察電源控制器面板（如圖2所示），從左往右依次是太陽能供電狀態(tài)燈、電池供電指示燈和電源開關(guān)指示燈。若為綠色，表示電壓正常。中間指示燈，若為黃色則欠壓，紅色表示無法工作，基本判斷為太陽能無法充電或蓄電池老化；右側(cè)指示燈，橙色表示電路板電源正常，如果電源開關(guān)沒有打開或控制器沒有上電則指示燈會熄滅。正常情況下，控制器自動充電，電池電壓達到正常值（＞12.6 V）后，控制器會自動上電。若電池電壓達到12.6 V以上，出現(xiàn)負載指示燈熄滅，中間指示燈顯示紅色的情況，可以斷開接線端子，嘗試重新連接，來恢復(fù)正常工作。

查看供電模式設(shè)置。通過長按控制器指示鍵，直至閃爍，再次調(diào)節(jié)按鈕使模式出現(xiàn)廠家設(shè)計正確的模式“6．”，系統(tǒng)即可正常工作。太陽能電池板指示燈不亮，檢查太陽能電池板連線是否正常，測試連線之間的電壓，有光照時應(yīng)該在17 V以上，最高可達22 V。如果電壓不正常，查看接線正負極是否正確，接線是否牢靠，還應(yīng)檢查太陽能電池板接線柱是否有異常。

根據(jù)觀察電源控制器的指示燈狀態(tài)，采用更換老舊蓄電池、重新啟動、牢固接線端等方法，可排除大部分供電故障。所有土壤水分站均為無人值守全程監(jiān)控的方式，電源無外接模式，只通過太陽能板來進行充電，遇到雨雪天氣或者有塵土覆蓋影響到太陽光照射不足時，會引起電池欠壓導(dǎo)致數(shù)據(jù)連續(xù)性中斷，因此建議值班人員按照規(guī)范執(zhí)行，定期清潔太陽能板。在安裝設(shè)備時，要注意將太陽能板調(diào)整到最佳照射角度，通常朝向為朝南偏西方位。

圖2 電源控制器

2.2 數(shù)據(jù)采集器

值班員通過瀏覽軟件監(jiān)控到數(shù)據(jù)傳輸中斷的情況時，需要進一步區(qū)分為數(shù)據(jù)全部缺失和數(shù)據(jù)部分缺失。當數(shù)據(jù)全部缺失時，可按以下步驟。①供電檢查。通過上述供電系統(tǒng)排查，若電壓一切正常，則說明采集板可能出現(xiàn)故障無法啟動，需更換采集板。②查看中間RUN指示燈黃色閃爍狀態(tài)（如圖3所示），如不閃爍或熄滅，則需更換采集板。③串口通訊檢查。使用多功能調(diào)試軟件與采集器通訊（USB口轉(zhuǎn)接R232口要選擇直連線），通信連接成功后，點擊“采集器對時”中的“讀時鐘”，文本中會出現(xiàn)當前時鐘數(shù)據(jù)，若誤差較大，點擊“對時”，再次讀時鐘查看修改結(jié)果。如連續(xù)讀取失敗無法修改，可能串口通訊故障。④查看通訊模塊版本，2G版本設(shè)置單通道，4G版本設(shè)置多通道選1。設(shè)置完成后，GPRS指示燈正常狀態(tài)是綠色長亮，若不亮，查看IP地址、端口設(shè)置是否正常，查看SIM卡繳費狀態(tài)以及信號強度，若一切正常，仍無法登陸服務(wù)器，需與省局信息管理員聯(lián)系。當數(shù)據(jù)部分缺失時，可采用替代法，將備份傳感器或其他正常通道的傳感器更換到故障通道進行排除，查看數(shù)據(jù)是否恢復(fù)正常。

圖3 數(shù)據(jù)采集器

2.3 FDR傳感器

值班員通過瀏覽軟件監(jiān)控到數(shù)據(jù)異常跳變、呈直線走勢或超出正常觀測范圍等情況，需要進行如下排查。①外觀檢查。檢查前應(yīng)先關(guān)閉電源，再拔開485線序端子（如圖4所示），取出觀測桿，觀察傳感器內(nèi)是否有水珠附著，若發(fā)現(xiàn)套管內(nèi)有進水現(xiàn)象，進一步確認是套管開裂或外部原因。應(yīng)進行更換干燥劑、封膠等防水處理，若開裂要更換套管或傳感器。②接線端子檢查。所有站均為八層探測環(huán)，分別是10 cm、20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、80 cm、100 cm。要查看故障層跳線、排線插針連接是否牢靠，銅環(huán)極板與傳感器內(nèi)部電路板的連接線在操作時要格外注意脫落折損。③軟件調(diào)試。如數(shù)據(jù)出現(xiàn)奇異值或走勢異常。若發(fā)現(xiàn)某層的水分值異常，工作人員可使用多功能調(diào)試軟件讀取該層的傳感器頻率值，探測環(huán)均標注出廠工作頻率，正常范圍應(yīng)在30～80 kHz，超出此范圍或頻率值為0即可判定傳感器故障，需更換該層傳感器[3]。

圖4 485線序

2.4 深層水分數(shù)據(jù)異常變化問題

通常蒸發(fā)和降水引起的土壤水分變化最為顯著，其變化規(guī)律是由淺層到深層逐層發(fā)生變化，當臺站值班員監(jiān)控到數(shù)據(jù)發(fā)生劇烈升高或降低的異常情況時，需進一步排查。通過實地調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，主要有兩類原因，一是由于安裝時操作不當，底層土壤未夯實，造成數(shù)據(jù)異常，需重新按規(guī)范安裝。另一種情況是套管附近土壤出現(xiàn)龜裂（如圖5所示），當有灌溉或降水時，水直接沿套管壁流入，引起土壤水分觀測值突變。

圖5 土壤龜裂

2.5 凍土引起的數(shù)據(jù)異常問題

忻州地區(qū)冬季嚴寒，部分縣凍土層可持續(xù)半年之久。當氣溫下降凍土發(fā)生時，土壤中含有水分會發(fā)生由液態(tài)凍結(jié)為固態(tài)的過程，而水的介電常數(shù)遠大于冰晶，因此監(jiān)控到的土壤水分觀測數(shù)據(jù)會偏小，走勢明顯下滑，在使用數(shù)據(jù)過程中，此類觀測數(shù)據(jù)偏低現(xiàn)象屬于正常，應(yīng)注意綜合考量加以判別。到春季解凍時，水分含量變化曲線會發(fā)生劇烈變化，臺站人員應(yīng)及時監(jiān)測，保證儀器正常運行。曲線變化如圖6所示。

圖6 曲線變化

2.6 設(shè)備日常維護注意事項

設(shè)備目前兩年進行一次返廠標定，正常運行過程中，應(yīng)遵照規(guī)范內(nèi)容定期進行維護，加強現(xiàn)場巡查。①定期對采集器箱內(nèi)部進行除塵，及時清除太陽能面板上的灰塵、積雪、鳥糞等雜物，避免影響電池充電。②每半年將傳感器取出檢查，查看安裝套管是否有受潮跡象，并將傳感器內(nèi)放置的干燥劑進行更換，應(yīng)用密封膠對進線口、螺絲口、管壁與保護帽的接口等處進行防水加固處理。③每天通過瀏覽軟件查看本站數(shù)據(jù)，如發(fā)現(xiàn)走勢異?；驍?shù)據(jù)缺失要及時查找原因。

3 結(jié)束語

截止2018年，忻州市形成了覆蓋廣泛、初見成效的土壤水分自動觀測網(wǎng)絡(luò)，各臺站安裝了數(shù)據(jù)瀏覽軟件，值班員不間斷值守，可隨時瀏覽查詢土壤數(shù)據(jù)，提供便捷的農(nóng)業(yè)氣象服務(wù)。文章通過分析近年來故障問題產(chǎn)生的原因，并結(jié)合保障規(guī)范，對問題依次給出了解決辦法。該型儀器具有及時獲得土壤水分連續(xù)曲線，測量精度高的優(yōu)點，同時，常見問題是儀器自身故障，人員維護不到位造成的。保障人員要對運行問題及時排除，可提高數(shù)據(jù)到報質(zhì)量，及時規(guī)范的維護工作可保證數(shù)據(jù)正常傳輸，提高數(shù)據(jù)觀測的連續(xù)性。