自動土壤水分觀測儀故障診斷分析

張東明 葛永華 汪章維

摘要 詳細介紹了自動土壤水分觀測儀的模塊結構及其工作原理。針對浙江省28個土壤水分站從2015到2017年數據及故障情況進行了歸納分析，將所有的故障情況進行分類分析，分析了田間標定出現的故障，并提出了故障解析。通過大量數據分析總結出土壤水分觀測儀故障的判斷方法及日常維護應注意事項，并且提出了通過數據判斷傳感器故障準確定位。

關鍵詞 自動土壤水分觀測儀；工作原理；標定分析；故障分析；故障判斷

中圖分類號 TP212 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）22-0182-03

Abstract The module structure and working principle of the automatic soil moisture meter were introduced in details. The data and fault situation of 28 soil moisture stations from 2015 to 2016 were summarized and analyzed， and all the faults were classified and analyzed. The faults in field calibration were analyzed， and the fault analysis was put forward. Based on a lot of data analysis， we summarized the methods of fault diagnosis and daily maintenance matters needing attention for the soil moisture observing instrument， and proposed the accurate location of sensor faults through data.

Key words Automatic soil moisture observatory；Working principle；Calibration analysis；Fault analysis；Fault diagnosis

土壤水分變化的實時監測是農業氣象監測的重要部分[1]，熟悉農業土壤水分變化規律，對農業生產及土壤干旱預測研究都具有重要的意義[2]。土壤水分可以通過直接測量土壤的重量含水率和容積含水量得到，如烘干稱重法、中子儀法等；另一類是測量土壤的基質勢，例如電阻塊法、干濕計法等。自動土壤水分觀測儀具有快速、方便、不擾動土壤的優點。自動土壤水分觀測業務化之前我國的農業氣象觀測主要是以人工觀測及舊器械觀測為主。隨著科學技術的不斷推進，自動土壤水分觀測逐步業務化，減輕了業務人員的工作強度。

在自動土壤水分觀測網運行過程中，為了更好地利用自

動土壤水分觀測儀器，使其在業務工作中具有高穩定性、準

確性、及時性，通過日常的故障診斷分析及巡檢逐步發現了

一些問題，如數據異常、缺失等，有安裝問題，也有儀器自身的故障，最主要的還是有很多日常維護的問題。由于部分臺站對儀器測量原理理解不太深，未能及早發現、解決這些問題。筆者通過大量的數據分析總結浙江省近年來的土壤水分監測設備故障數據、土壤水分可疑曲線等，并做出分析，查找原因，提出解決方法，逐步完善。

1 土壤水分探測器原理

DZN3自動土壤水分觀測儀通信方式豐富。土壤水分探測器配電也是包括市電供給及太陽能等多種方式；土壤水分探測器具有數據采集、存儲、傳輸等功能[3]（圖1）。傳感器配制靈活、測量精度高、性能穩定。

頻域反射測量技術是通過放置在土壤中的2個電極之間的電容形成的振蕩回路所產生的頻率來測量土壤介電常數的技術，而土壤介電常數與土壤水分是密切相關的。傳感器周圍水分的變化會引起圓環電容的變化，電容值的改變引起LC振蕩器（L為電感、C為電容）的振蕩頻率變化，傳感器把高頻信號變換后根據建立的數學模型，進行計數、轉換、修正等處理，計算出土壤水分。

頻域反射（FDR）用SF參數建立與土壤含水量（θv） 間的指數關系（圖2），振蕩回路會產生頻率信號，頻率的大小隨土壤介電常數而改變，通過測量頻率信號從而測量出土壤水分，運算公式如下：

土壤電導率主要取決于土壤孔隙的數量及大小、土壤水電導率（或孔隙水電導率）和土壤顆粒[4]。針對不同的土壤情況，由于電導率的影響，特別是土壤的酸堿度影響，不能使用通用的校準公式，需要對具體的土壤類型進行標定，來獲取正確的土壤水分含量。

2 土壤水分觀測儀故障統計

統計期間，土壤水分站共34次故障，根據維護維修情況統計分析，夏季故障較多，分析可能是夏季溫濕度高、多降水及多雷電等情況導致的自動觀測設備通信、傳感器及采集器等模塊受潮嚴重。還有部分臺站因放置傳感器套接管不密封，出現傳感器套接管內出現滿水或積水現象，導致傳感器及采集板發生故障。2016年故障頻率較低，其中一個原因可能是因為管理維護人員解決故障能力及提前預防能力的提升。維護維修過程中會遇到各模塊指示燈正常顯示，而某些整點不傳輸數據或數據傳輸滯后，一般情況下采取斷開電源重啟的方式使其恢復正常，此類故障多數是因為運營商網絡出現問題。

出現故障頻率次高的有232-485串口轉換器模塊故障，占34.2%。此類故障2015年6—8月高發于新建的一批站點。宏電模塊故障占15.3%，電壓過低引起的故障占8.1%，GPRS信號異常故障占7.4%。若多次觀察到“暫時性故障”，工作人員可與當地通信運行商協商排除，保險絲損壞、采集器模塊、傳感器損壞發生比例各占5.6%，接口控制故障占2.5%（圖3）。

3 自動土壤水分觀測儀田間標定問題

3.1 土壤標定參數有誤引起的土壤相對濕度問題

當土壤相對濕度值超出100%的情況。6月21日23：00至6月22日00：00由64.1%突越至145.0%又在01：00降至62.3%，6月23日12：00至13：00由67.9%突越至116.0%又回落至66.9%，6月25日17：00—18：00從563%突越到111.4%又回落到56.9%再到53.6%，6月29日13：00—14：00由527%突越到111.4%再回到49.4%。圖4展示了10～100 cm范圍內的8個土層土壤相對濕度的變化情況。

3.2 傳感器不穩定引起的土壤相對濕度問題

從圖5、6可以看出，60 cm深度，9月3日11：00（相對濕度96%降為76%）、9月3日14：00（89%至19%）、9月3日17：00（89%至15%）、9月4日03：00（95%至72%）、9月4日05：00（92%至11%）；9月8日和9月20日至9月23日依次有大幅度下降現象。

突降幅度大（突增有可能，突降就存在著問題），這種土壤水分相對濕度隨時間發生的變化是一種傳感器不穩定現象，選用穩定的傳感器對其進行更換。

3.3 標定參數不準引起的土壤相對濕度問題

從圖7中可以看出來，20 cm數據可疑，長期處于飽和狀態，其他土層變化曲線均正常。

3.4 外界干擾引起的土壤相對濕度問題

從圖8中可以看出，7月14日15：00—7月15日13：00時間段所有層的數據突然降低，甚至有的層出現降低到0，其他層土壤水分相對濕度大幅度驟減，驟減趨勢一致，甚至有的相對濕度降低到底線。

4 自動土壤水分觀測儀田間標定解決途徑

4.1 土壤標定參數有誤解決途徑

此種土壤相對濕度超出100%的情況，一般都是土壤水文參數或標定參數有誤引發的原因，此種情況需要重新對設備進行土壤水文進行標校，使其土壤相對濕度隨時間變化曲線變化在合理范圍。

4.2 傳感器不穩定的解決途徑

土壤相對濕度幅度突降（突增有可能，突降就存在著問題），這種土壤水分相對濕度隨時間發生的變化是一種傳感器不穩定現象，選用穩定的傳感器對其進行更換，取回不穩定土壤水分傳感器查找原因。

4.3 標定參數不準的解決途徑

長期處于飽和狀態，可能已超出100%，為避免超出，限制最高100%。此種情況需要檢查站點土壤濕度是否真的能達到如此高，特別在雨季要查看是否有大量雨水浸泡的狀況，排除這些原因之后考慮是否標定參數不對，需要對標定參數重新進行標定。

4.4 外界干擾的解決途徑

所有土壤水分相對濕度隨時間驟降，多是因為標定受到外界的干擾，導致多層土壤水分相對濕度同時大幅度下降，此種情況下一般選擇查找干擾原因，當出現不可抗拒的原因情況下選擇遷站。

5 DZN3土壤水分觀測儀維護維修

5.1 設備維護

（1）對DZN3自動土壤水分觀測儀采集箱及太陽能板進行清理工作，及時消除潛在的不安全隱患。

（2）定期將安裝管中的干燥劑取出烘干并放回原處進行密封（尤其是夏季），保證套管良好的密封性，最好涂抹PVC膠[5]。

（3）間隔3 d打開采集器箱，觀察設備空開是否已啟動保護而斷開，如果發現此類問題，立即將空開合上。

5.2 故障判斷

5.2.1 通過設備指示燈判斷故障。

DZN3的太陽能充放電控制器具有INFO、紅、黃、綠4種指示燈。其中，INFO指示燈正常顯示綠色，當其顯示黃色意味著電量不足，當其顯示紅色時意味著電量嚴重不足，最嚴重的情況下紅色指示燈會出現規律的閃爍現象。充放電控制器右側分別排列成弓形的3個指示燈，紅色、黃色、綠色分別代表了電池狀態虧空、電壓不足及電量充足的3種情形。

RS232-RS485轉換模塊PWR燈亮時表示該模塊工作正常，RXD、TXD會出現每分鐘交替閃爍的現象；當TXD、RXD均不閃爍時，說明轉換模塊出現故障；當TXD與RXD有一個出現不亮現象時，說明DZN3的接口板模塊出現故障。

通訊模塊正常工作狀態下，狀態燈（電源指示燈，數據指示燈，網絡指示燈）運行狀態閃爍頻率分別為：1次每8 s，1次每1 min，常亮。依據這3個狀態燈的運行情況判斷DZN3是否正常運行的依據。數據采集器正常工作狀態為測量燈閃爍間隔為1次/s；通訊狀態燈4次/min。

5.2.2 通過軟件判斷故障。

軟件站點為紅色（不在線）的判斷方法：①通信模塊問題，檢查通訊模塊狀態燈判斷其運行情況。②網絡問題，聯系網絡管理員解決。③通訊模塊參數、系統中心站參數配置問題[6]。④放置宏電中的電話卡欠費，臺站維護人員應該保證通訊卡有余額。

當DZN3設備出現晚上無數據，白天正常工作的情況一般是蓄電池電壓不足造成的。

當計算機通過串口接收數據顯示個別層數據為“-2”時，說明此層傳感器數據超標，此層傳感器需要再次標校。當各層全部為“-2”時說明土壤水分傳感器與接口板連接有問題。

當部分層數據為“-1”說明那些層傳感器故障，用標定好的傳感器進行替換且需要重新配置。

數據顯示“-3”的可能情況：數據線虛接、設備接口板模塊故障[7]。

出現省級ASOM無數據現象，經過硬件的檢查沒有問題，此種情況應該聯系市局值班人員，發現是否有數據，如果市局有數據，一般情況是需要聯系廠家服務器平臺，多數原因是服務器接收與發送時間不統一等原因。

5.3 維修方法

當自動土壤水分觀測儀出現故障時，選用倒推方法依次排除故障[6]。首先根據上位機軟件顯示的設備狀態判斷故障類型，再檢查空氣開關是否斷開及各部件的電壓是否供電正常，最后依據具體問題對具體模塊進行故障診斷，通過串口及IPConfig Utility進行讀取及標定。

6 展望

土壤水分自動觀測對農業氣象具有關鍵作用。日后會通過長時間對設備的保障經驗及資料分析，通過技術研發，使儀器本身（傳感器、參數轉換模型等）得到進一步發展，提高精密度和準確度[8]。密切關注和解決易出現問題的方面，自動水分觀測儀減少誤差，使觀測值更接近真實值，為農業生產提供技術支撐。定期定時地對儀器進行維護檢定。通過大量的數據分析提出針對當地的土壤參數標定系數及標定方法。同時通過對觀測人員進行適當的培訓，培養其判斷故障的能力，提高土壤水分的觀測質量。

參考文獻

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[2]荀麗波，杜海香.自動土壤水分觀測站及其常見故障診斷[J].現代化農業，2011（6）：44-46.

[3]何連，秦其明，任華忠，等.利用多時相 Sentinel-1 SAR 數據反演農田地表土壤水分[J].農業工程學報，2016，32（3）：142-148.

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[5]李玉春，王澤明，侯方.DZN3自動土壤水分觀測儀的維護和維修[J].農業與技術，2014（2）：191.

[6]陳海波，冶林茂，薛龍琴，等.GStar-I（DZN2）型自動土壤水分觀測儀的維護方法及常見故障解析[J].氣象與環境科學，2011，34（S1）：178-181.

[7]韓貴香，宋敏，相峰.一次DZN1型自動土壤水分觀測儀故障的判斷與處理[J].安徽農業科學，2016，44（26）：173-174.

[8]馬芳，周宏，楊衛潔.DZN3型自動土壤水分觀測站故障分析及維護[J].北京農業，2014（21）：211，234.