DZN2型自動土壤水分觀測儀的組成及故障維修實例

何 濤

承德市氣象局，河北承德 067000

土壤水分又稱土壤濕度，是保持在土壤孔隙中的水分，是植物生長必不可少的因素，主要來源于大氣降水和灌溉水。河北是農業(yè)大省，是我國重要的糧棉產區(qū)，適合小麥、玉米、谷子、水稻、高粱、豆類、棉花、花生等多種農作物生長。干旱是河北省發(fā)生最頻繁、影響最大的農業(yè)氣象災害，加強對旱災的防御，是提高河北省農業(yè)防災減災能力的重要任務。

根據(jù)中國氣象局的總體安排，結合河北干旱成片性特點、區(qū)域代表性和農業(yè)發(fā)展布局現(xiàn)狀，到目前為止，河北省共建設完成自動土壤水分觀測站點178個，其中，171個站點已經正式投入業(yè)務化運行，為提高農業(yè)氣象監(jiān)測水平和發(fā)展河北現(xiàn)代農業(yè)提供重要的科學數(shù)據(jù)。然而，隨著自動設備的大量使用，儀器故障率也隨之上升，如何保證自動設備的正常運轉也就成了當前亟需解決的問題。近年來，有多名學者對自動土壤水分觀測儀的原理、維護及故障分析作了較為詳細的說明。例如，陳海波[1]的《DZN2型自動土壤水分觀測儀常見問題分析》；包偉智等[2]的《DZN2土壤水分觀測儀故障診斷》；劉曉英[3]的《DZN2(GStar-I)C型自動土壤水分觀測儀常見故障分析及處理》。筆者詳細介紹了DZN2型自動土壤水分觀測儀的組成部分，并結合實際工作中遇到的典型案例對儀器運行中常見故障進行了分析和解決。

1 組成部分

DZN2型自動土壤水分觀測儀由供電部分、探測部分、采集部分和通訊部分組成（圖1）。

圖1 DZN2型自動土壤水分觀測儀組成部分

1.1 供電部分

主要由太陽能控制器、太陽能板和蓄電池組成。太陽能控制器使用了單片機和專用軟件，實現(xiàn)了智能控制，具有過充、過放、電子短路、過載保護和獨特的防反接保護等全自動控制，確保不損壞任何部件、不燒保險；并采用了串聯(lián)式PWM（脈寬調制）充電主電路，充電效率較非PWM高3%～6%，增加了用電時間。太陽能板白天接收太陽能并轉化成電能，給整個系統(tǒng)供電并對蓄電池進行充電；夜晚由蓄電池負責為系統(tǒng)供電。

1.2 探測部分

由探測器和傳感器組成?；陔娙輦鞲衅骱颓度胧絾纹瑱C技術設計的傳感器，其中的檢測電容是敏感器件。傳感器周圍水分的變化引起圓環(huán)電容的介質變化，電容值的改變引起LC振蕩器的振蕩頻率變化，傳感器將高頻信號變換后輸出到單片機，單片機根據(jù)建立的數(shù)學模型和當?shù)赝寥老嚓P系數(shù)，進行計數(shù)、轉換、修正等處理，計算出水分；探測器上嵌著處理板、多組傳感器電路板和電極，通過RS485與采集主板連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[4]。

1.3 采集部分

數(shù)據(jù)采集主板是基于ARM技術設計，通過大容量存儲器擴展技術，具有數(shù)據(jù)存儲量大、安全可靠和易于安裝維護等特點，可實時和定時對水分傳感器發(fā)送指令，采集土壤水分數(shù)據(jù)進行存儲。采集主板對外具有RS485、RS232和無線通訊接口，完成對傳感器、后臺管理軟件的數(shù)據(jù)交換工作。

1.4 通訊部分

由通訊模塊通過無線網絡與數(shù)據(jù)中心服務器實現(xiàn)通信，從而進行數(shù)據(jù)資料的傳輸。

2 故障維修實例

2.1 2012年7月份，圍場作物地段（B3598）數(shù)據(jù)出現(xiàn)間斷缺測

（1）故障分析。出現(xiàn)間斷性缺測的原因可能是：太陽能控制器工作模式不正確；蓄電池電量儲存過少；當?shù)匦盘柌缓茫瑢е聰?shù)據(jù)傳輸過程中丟失；通訊模塊版本低，導致通訊不暢。

（2）檢測與排除。首先，檢查太陽能控制器是否為正確模式“6”，此模式僅取消光控、時控功能、輸出延時以及相關的功能，保留其他所有功能，該系統(tǒng)必須使用此模式；其次，檢查蓄電池是否老化，當晚上無太陽能板充電時，儲存的電量就會很快耗盡，這種情況下應及時更換蓄電池。再者就是檢測當?shù)匦盘枲顩r。如果以上檢查都沒有問題，只能與廠家聯(lián)系進行通訊模塊版本升級。

（3）問題解決。維修人員依次檢查太陽能控制器工作模式、蓄電池和當?shù)匦盘枲顩r，均未發(fā)現(xiàn)問題。由于該站點地處群山之間，可能會出現(xiàn)通訊不暢現(xiàn)象，經與廠家聯(lián)系獲得升級文件，到現(xiàn)場升級完成后，數(shù)據(jù)恢復正常。

2.2 2013年12月3日5:00至4日16:00，灤平作物地段（B3596）從監(jiān)控軟件上看，數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)跳變（圖2）

圖2 體積含水量數(shù)據(jù)跳變

（1）故障分析。數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)跳變的原因可能是：探測器套管進水；傳感器出現(xiàn)故障。

（2）檢測與排除。從監(jiān)控軟件上看土壤水分頻率曲線，如果頻率值正常，則是探測器套管內有些許的水滴或水蒸氣；如果頻率值為0，則說明傳感器故障，需要更換。

（3）問題解決。維修人員通過觀看頻率值，發(fā)現(xiàn)頻率都為0（圖3），并由此判斷傳感器故障。到現(xiàn)場更換一根新的探測器后，數(shù)據(jù)曲線恢復正常。

圖3 故障傳感器土壤水分頻率

2.3 2016年9月1日17:00至9月2日08:00，豐寧固定地段（54308）沒有數(shù)據(jù)上傳

（1）故障分析。數(shù)據(jù)沒有上傳原因可能是：電源故障，無法給系統(tǒng)供電，采集主板無法工作；通訊模塊故障，數(shù)據(jù)無法傳輸；采集主板與探測器之間接線斷路良；采集主板故障，無法采集數(shù)據(jù)；探測器故障。

（2）檢測與排除。首先，查看采集器主機板上的紅色電源指示燈是否常亮，如果不亮則需要檢查電源。如果電源指示燈正常，說明電源沒問題；看綠色通訊指示燈是否常亮，如果不亮，則需要檢查SIM卡是否欠費，當?shù)匦盘枲顩r和通訊模塊是否故障；再看黃色運行指示燈是否一秒一閃，如果不亮先檢查采集主板與探測器感器間接線是否接好，如果接線沒問題，則有可能是采集主板故障，需要連接電腦進行測試；以上檢查都沒問題，則需檢查探測器是否故障。

（3）問題解決。維修人員到現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)電源指示燈不亮，用萬用表測量蓄電池電壓已低于11 V，說明電源已無法給采集器供電，導致采集器無法正常工作。更換蓄電池后，采集器恢復正常工作，數(shù)據(jù)采集傳輸正常。

2.4 2019年3月20日11:00至3月21日16:00，承德縣作物地段（B3594）沒有數(shù)據(jù)上傳

（1）故障分析。同2.3。

（2）檢測與排除。同2.3。

（3）問題解決。維修人員到現(xiàn)場查看采集主板上電源指示紅色燈常亮，用萬用表測量蓄電池電壓為12.5 V，設備供電正常；綠色通訊指示燈常亮，則通訊傳輸正常；運行指示黃色燈秒閃，用萬用表通斷檔測量采集主板與探測器之間連線均連通且接線無松動，用電腦連接采集主板，打開Soil_Debug軟件，電腦能夠與采集主板正常通訊，則排除采集主板故障；在軟件中進入數(shù)據(jù)監(jiān)視界面（圖4），查看各層傳感器水分值均為0，判斷為探測器處理板故障。更換探測器后，監(jiān)視數(shù)據(jù)恢復正常，隨后將探測器各層空氣和水中頻率數(shù)值發(fā)送給數(shù)據(jù)中心站進行參數(shù)更改后，觀測數(shù)據(jù)恢復正常。

圖4 數(shù)據(jù)監(jiān)視界面

3 其他一些問題

3.1 傳輸過程中會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象

一些臺站值班人員在監(jiān)控軟件中看返回數(shù)據(jù)時，會發(fā)現(xiàn)某天的某一2個時段沒有返回數(shù)據(jù)，而其余時段的數(shù)據(jù)正常，經現(xiàn)場查看設備硬件部分均無問題，就可能是數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟失。出現(xiàn)這種問題，值班人員應盡快（最好在24 h之內）與數(shù)據(jù)中心站值班人員聯(lián)系，說明情況，并請中心站人員通過遠程指令補傳一下數(shù)據(jù)，恢復缺失時段的數(shù)據(jù)。

3.2 安裝操作不規(guī)范導致數(shù)據(jù)異常

安裝時未使用專業(yè)工具和操作不規(guī)范，導致被測土層遇降水產生沉降，或者存在鼠洞等中空現(xiàn)象，使得傳感器無法準確測量周邊土壤環(huán)境，從而發(fā)生數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象。

3.3 傳感器安裝環(huán)境被破壞會嚴重影響觀測精度

有些臺站擔心儀器遭受破壞，對傳感器采取了一定措施進行保護，如對傳感器進行遮蓋，當有降水時，周邊農田水分含量較大，但傳感器感應部分含水量卻無較大變化，嚴重影響了傳感器測量精度。

3.4 傳感器周圍異物影響數(shù)據(jù)觀測

傳感器周邊土壤質地不均勻，含有石塊、鐵塊等異物，會嚴重影響數(shù)據(jù)觀測，造成觀測值偏小。如果臺站發(fā)現(xiàn)某些層次數(shù)據(jù)異常，在排除傳感器自身故障后，可對傳感器土層開挖檢查是否有異物，但這種方法要謹慎操作，一旦開挖，傳感器需重新進行安裝。

3.5 凍土會造成數(shù)據(jù)異常偏低

北方大部分臺站到了冬季各層的數(shù)據(jù)逐步降低，這種情況并非傳感器出現(xiàn)故障，而是由于凍土影響造成的。由于FDR型傳感器是通過測量土壤的介電常數(shù)來反演土壤水分，由于水的介電常數(shù)遠遠大于冰晶，當土壤中水分凍結時，會造成測量結果偏?。▓D5）。因此，冬季出現(xiàn)凍土時，測量值偏小屬于正常現(xiàn)象。

圖5 發(fā)生凍土時土壤水分的變化趨勢

4 結語

筆者對DZN2型自動土壤水分觀測儀的組成部分的詳細介紹，有助于維護人員理解設備的工作原理、功能特點和結構作用；給出了典型案例的分析思路和解決方法，幫助維護人員積累維修經驗、提高保障能力。儀器設備的正常運行，獲得的觀測數(shù)據(jù)才具有科學性、準確性和可靠性，才能更好地服務于農業(yè)生產，并為各級政府指揮抗旱救災提供科學、有效的依據(jù)。