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。河北是農業大省，是我國重要的糧棉產區，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。干旱是河北省發生最頻繁、影響最大的農業氣象災害，加強對旱災的防御，是提高河北省農業防災減災能力的重要任務。

根據中國氣象局的總體安排，結合河北干旱成片性特點、區域代表性和農業發展布局現狀，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務化運行，為提高農業氣象監測水平和發展河北現代農業提供重要的科學數據。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，給整個系統供電并對蓄電池進行充電；夜晚由蓄電池負責為系統供電。

1.2 探測部分

由探測器和傳感器組成。基于電容傳感器和嵌入式單片機技術設計的傳感器，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，單片機根據建立的數學模型和當地土壤相關系數，進行計數、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數據傳輸[4]。

1.3 采集部分

數據采集主板是基于ARM技術設計，通過大容量存儲器擴展技術，具有數據存儲量大、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送指令，采集土壤水分數據進行存儲。采集主板對外具有RS485、RS232和無線通訊接口，完成對傳感器、后臺管理軟件的數據交換工作。

1.4 通訊部分

由通訊模塊通過無線網絡與數據中心服務器實現通信，從而進行數據資料的傳輸。

2 故障維修實例

2.1 2012年7月份，圍場作物地段（B3598）數據出現間斷缺測

（1）故障分析。出現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；當地信號不好，導致數據傳輸過程中丟失；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。再者就是檢測當地信號狀況。如果以上檢查都沒有問題，只能與廠家聯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、蓄電池和當地信號狀況，均未發現問題。由于該站點地處群山之間，可能會出現通訊不暢現象，經與廠家聯系獲得升級文件，到現場升級完成后，數據恢復正常。

2.2 2013年12月3日5:00至4日16:00，灤平作物地段（B3596）從監控軟件上看，數據曲線出現跳變（圖2）

圖2 體積含水量數據跳變

（1）故障分析。數據曲線出現跳變的原因可能是：探測器套管進水；傳感器出現故障。

（2）檢測與排除。從監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，發現頻率都為0（圖3），并由此判斷傳感器故障。到現場更換一根新的探測器后，數據曲線恢復正常。

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）沒有數據上傳

（1）故障分析。數據沒有上傳原因可能是：電源故障，無法給系統供電，采集主板無法工作；通訊模塊故障，數據無法傳輸；采集主板與探測器之間接線斷路良；采集主板故障，無法采集數據；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，當地信號狀況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。維修人員到現場發現電源指示燈不亮，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，數據采集傳輸正常。

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）沒有數據上傳

（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；在軟件中進入數據監視界面（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，監視數據恢復正常，隨后將探測器各層空氣和水中頻率數值發送給數據中心站進行參數更改后，觀測數據恢復正常。

圖4 數據監視界面

3 其他一些問題

3.1 傳輸過程中會出現數據丟失現象

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

3.2 安裝操作不規范導致數據異常

安裝時未使用專業工具和操作不規范，導致被測土層遇降水產生沉降，或者存在鼠洞等中空現象，使得傳感器無法準確測量周邊土壤環境，從而發生數據異常現象。

3.3 傳感器安裝環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據觀測

傳感器周邊土壤質地不均勻，含有石塊、鐵塊等異物，會嚴重影響數據觀測，造成觀測值偏小。如果臺站發現某些層次數據異常，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 凍土會造成數據異常偏低

北方大部分臺站到了冬季各層的數據逐步降低，這種情況并非傳感器出現故障，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來反演土壤水分，由于水的介電常數遠遠大于冰晶，當土壤中水分凍結時，會造成測量結果偏小（圖5）。因此，冬季出現凍土時，測量值偏小屬于正常現象。

圖5 發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，獲得的觀測數據才具有科學性、準確性和可靠性，才能更好地服務于農業生產，并為各級政府指揮抗旱救災提供科學、有效的依據。