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[摘 要]通过对我省自动土壤水分观测仪构成组成与工作原理进行分析，结合实际工作中对常见故障进行的统计，通过对通讯模块指示灯的运行情况，总结出针对我省DZN3型自动土壤水分观测仪运行中常见故障的确定与对应处理方法，并提出了日常维护的主要内容与故障排查的方法，大大提高了维护维修时效，同时也为我省自动土壤水分观测站的正常业务运行提供了有力保障。
[关键词]土壤水分；频域反射；数据采集；通讯模块
中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）15-0118-01
0 引言
土壤水分状况是水分在土壤中的移动、各层中数量的变化以及土壤和其他自然体（大气、生物、岩石等）间的水分交换现象的总称土壤水分贮存量（或土壤湿度）及其变化规律的监测，是农业气象、生态环境及水文环境监测的基础性工作之一掌握土壤水分变化规律[1]，对农业生产、干旱监测预测和其他相关生态环境监测预测服务和理论研究，都具有重要意义。
自动土壤水分观测仪取代传统的烘干称重法，不仅缩短了土壤水分的测定时间，减轻了业务人员的工作强度，最重要的是達到了定点观测土壤水分的连续变化，更加适应了当前气象事业发展的需要。目前大多数自动土壤水分观测仪都安装在郊区野外，这就大大地增加了维护维修的难度[2]。如何做好自动土壤水分观测仪的维护和维修工作，本文做了下述探讨，以期对有关业务人员有所借鉴。
目前黑龙江省共建成土壤水分自动观测站73个，都是中国化云公司生产的DZN3型号土壤水分观测仪。所建成的73个自動土壤水分观测站在2012年通过业务化验收，投入业务运行。
1 自动土壤水分观测仪的结构和工作原理
1.1 结构
DZN3型自动土壤水分观测仪主要由传感器、RS232-RS485转换模块、数据采集器、通讯模块及供电系统组成[3]。
（1）传感器主要包括电容式传感器、处理电路、护套管等组成，首先将传感器以并联方式安装在护管中，然后将护管垂直插在土壤预先打好深度的孔中，传感器通过护套管与土壤隔离。
（2）RS232-RS485转换模块的作用是将传感器将通过串口转换器采集到的土壤水分数据由RS485信号格式转换为RS232信号格式输出，并将数据发送至采集器。
（3）数据采集器分为输入端和输出端，接线端子TXO、RXO、GND作为输入端，接收来自RS232-RS485转换模块发送的土壤水分数据；接线端子TX1、RX1、GND作为输出端，将数据发送至下一级通讯模块进行处理；数据采集器的主要功能是完成数据采样、数据处理、质量控制、数据存储、数据通讯等。
（4）通讯模块采用移动网络GPRS（G网）的无线传输方式，将上一级发送的土壤水分信息编辑为特定格式的文件，并通过短信息的形式传至中心站服务器。
（5）供电系统主要包括太阳能板、充放电控制模块、蓄电池组成。其作用是保证土壤水分观测仪的传感器、采集器及传输模块正常运行，从而确保数据的及时、准确、稳定的传输。
1.2 工作原理
DZN3型自动土壤水分观测仪是利用频域反射法原理（FDR）来测定土壤体积含水量[4]，利用传感器发出的归一化频率SF建立土壤水分含量之间的指数关系（其中a，b为参数），从而得到频率与土壤水分含量的对应关系。由于水的介电常数比其他物质的介电常数都要大，从而水分含量的变化会导致土壤介电常数的变化，电容式传感器电容两端的电压值也会发生改变，被数据采集器采集并发送至中央处理单元（CPU），经过采集器中央处理单元线性与量化处理计算得出土壤中水分含量，将结果存储在采集器的寄存器中，通过GPRS网络传输至中心站服务器，从而完成土壤水分含量数据的采集、处理、存储及传输的工作流程。
2 常见故障统计分析
通过统计，2015年1月至2015年12月全省土壤水分观测站共出现故障44站次，其中传感器故障38次，电源故障4站次，通信系统故障2站次。根据现场维护和维修情况分析，传感器故障较多主要是因为夏秋两季温度高，降水多导致空气湿度大，个别站点因放置传感器的套管密封不严，而出现管壁内水汽集结为水滴，水滴附着在某层传感器或接口控制器上而发生故障。由于黑龙江省土壤水分站多数通电系统已经使用四年多，有些电池老化不能正常工作，造成仪器停运，需要及时更换。
3 日常维护及故障排查
3.1 日常维护
土壤水分观测仪的日常维护工作主要检查供电系统工作情况，其中太阳能板为维护重点，日常维护中要保证太阳能板的安装倾角无改变，受光板面清洁无遮挡，从而保证太阳能板能够为蓄电池提供持续稳定的供电。同时对观测仪系统的备件及关键组件要组织专门人员保管，存放地点要符合设备储存的环境条件要求，以保证系统设备完好，同时注意各部件不要超期超检使用，以保证系统正常、准确、可靠的运行。
在保证日常维护工作的同时，还要对土壤水分观测仪进行每月一次的重要部件现场检查，主要包括传感器、采集器和整机的进行现场检查。现场检查进行时，主要检查护套管密封是否良好，管内是否有水，如发现密封不严，护套管进水等情况应及时进行维护。现场检查时，还要将预先放置在护套管中连接控制单元处的干燥剂取出，用烘干箱将干燥剂烘干后重新安放于原位。如有观测仪建在某些低洼易受潮地点，干燥剂维护周期应缩短。
3.2 故障排查
土壤水分观测仪的故障排查主要依靠的是各组成部分的运行状态灯来进行的，下面对各部分的状态灯工作情况及常见故障进行一下介绍。
太阳能充放电控制器有四个指示灯，由左至右分别为INFO灯、红色、黄色、绿色状态灯。其中，INFO状态灯为绿色时表示系统供电充足，当变为黄色时代表电量不足，当变为红色时为电量严重不足的报警信号，当红色灯一秒一闪则代表电池电量已亏空。右侧排列成弧形的三个指示灯从左往右分别为红色、黄色、绿色，分别代表了电池状态为亏空、电压不足和满电情况。
RS232-RS485转换模块PWR灯为常亮时表示模块正常运行，此时RXD与TXD每分钟交替闪烁；当TXD与RXD均不闪烁时，表示转换模块发生故障；当TXD与RXD只有一个亮时，表示观测仪接口面板部分存在问题。
通讯模块正常工作状态下，状态灯（“PWR”电源，“DATA”数据，“NET”网络）运行状态闪烁频率分别为：1次/8秒，1次/分钟，常亮。以这三个状态灯的运行情况作为判断设备是否正常运行的依据。数据采集器正常工作状态为测量灯闪烁间隔为1次/秒；通讯状态灯4次/分钟。
4 结语
作为观测土壤水含量的重要设备，自动土壤水分观测仪的维护维修需要注意几点：（1）观测仪掩埋在土壤中的部分不便于检查，装备保障人员需熟悉掌握这部分的结构和工作原理以及常用维修维护方法；（2）观测仪部分设备更换后，需要对其运行参数进行重新设置或现场标定。
总之，作为新型土壤水分含量观测设备，装备保障人员需对日常故障情况进行总结和归纳整理，通过不断的交流学习积累经验，这样才能为自动土壤水分观测仪的正常运行提供保障。
参考文献
[1] 何连，秦其明，任华忠，都骏，孟晋杰，杜宸.利用多时相 Sentinel-1 SAR 数据反演农田地表土壤水分，农业工程学报.2016.
[2] 迎春.土壤水分监测方法综述. 自然科学.2016.
[3] 黄文海，谢仁忠，黄汝红，李会玲，莫丽阳.DZN3型自动土壤水分观测仪及维护维修，气象研究与应用.2014.
[4] 李玉春，姜楠，徐淑华.DZN3自动土壤水分观测仪的误差分析， 黑龙江气象.2015.
[关键词]土壤水分；频域反射；数据采集；通讯模块
中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）15-0118-01
0 引言
土壤水分状况是水分在土壤中的移动、各层中数量的变化以及土壤和其他自然体（大气、生物、岩石等）间的水分交换现象的总称土壤水分贮存量（或土壤湿度）及其变化规律的监测，是农业气象、生态环境及水文环境监测的基础性工作之一掌握土壤水分变化规律[1]，对农业生产、干旱监测预测和其他相关生态环境监测预测服务和理论研究，都具有重要意义。
自动土壤水分观测仪取代传统的烘干称重法，不仅缩短了土壤水分的测定时间，减轻了业务人员的工作强度，最重要的是達到了定点观测土壤水分的连续变化，更加适应了当前气象事业发展的需要。目前大多数自动土壤水分观测仪都安装在郊区野外，这就大大地增加了维护维修的难度[2]。如何做好自动土壤水分观测仪的维护和维修工作，本文做了下述探讨，以期对有关业务人员有所借鉴。
目前黑龙江省共建成土壤水分自动观测站73个，都是中国化云公司生产的DZN3型号土壤水分观测仪。所建成的73个自動土壤水分观测站在2012年通过业务化验收，投入业务运行。
1 自动土壤水分观测仪的结构和工作原理
1.1 结构
DZN3型自动土壤水分观测仪主要由传感器、RS232-RS485转换模块、数据采集器、通讯模块及供电系统组成[3]。
（1）传感器主要包括电容式传感器、处理电路、护套管等组成，首先将传感器以并联方式安装在护管中，然后将护管垂直插在土壤预先打好深度的孔中，传感器通过护套管与土壤隔离。
（2）RS232-RS485转换模块的作用是将传感器将通过串口转换器采集到的土壤水分数据由RS485信号格式转换为RS232信号格式输出，并将数据发送至采集器。
（3）数据采集器分为输入端和输出端，接线端子TXO、RXO、GND作为输入端，接收来自RS232-RS485转换模块发送的土壤水分数据；接线端子TX1、RX1、GND作为输出端，将数据发送至下一级通讯模块进行处理；数据采集器的主要功能是完成数据采样、数据处理、质量控制、数据存储、数据通讯等。
（4）通讯模块采用移动网络GPRS（G网）的无线传输方式，将上一级发送的土壤水分信息编辑为特定格式的文件，并通过短信息的形式传至中心站服务器。
（5）供电系统主要包括太阳能板、充放电控制模块、蓄电池组成。其作用是保证土壤水分观测仪的传感器、采集器及传输模块正常运行，从而确保数据的及时、准确、稳定的传输。
1.2 工作原理
DZN3型自动土壤水分观测仪是利用频域反射法原理（FDR）来测定土壤体积含水量[4]，利用传感器发出的归一化频率SF建立土壤水分含量之间的指数关系（其中a，b为参数），从而得到频率与土壤水分含量的对应关系。由于水的介电常数比其他物质的介电常数都要大，从而水分含量的变化会导致土壤介电常数的变化，电容式传感器电容两端的电压值也会发生改变，被数据采集器采集并发送至中央处理单元（CPU），经过采集器中央处理单元线性与量化处理计算得出土壤中水分含量，将结果存储在采集器的寄存器中，通过GPRS网络传输至中心站服务器，从而完成土壤水分含量数据的采集、处理、存储及传输的工作流程。
2 常见故障统计分析
通过统计，2015年1月至2015年12月全省土壤水分观测站共出现故障44站次，其中传感器故障38次，电源故障4站次，通信系统故障2站次。根据现场维护和维修情况分析，传感器故障较多主要是因为夏秋两季温度高，降水多导致空气湿度大，个别站点因放置传感器的套管密封不严，而出现管壁内水汽集结为水滴，水滴附着在某层传感器或接口控制器上而发生故障。由于黑龙江省土壤水分站多数通电系统已经使用四年多，有些电池老化不能正常工作，造成仪器停运，需要及时更换。
3 日常维护及故障排查
3.1 日常维护
土壤水分观测仪的日常维护工作主要检查供电系统工作情况，其中太阳能板为维护重点，日常维护中要保证太阳能板的安装倾角无改变，受光板面清洁无遮挡，从而保证太阳能板能够为蓄电池提供持续稳定的供电。同时对观测仪系统的备件及关键组件要组织专门人员保管，存放地点要符合设备储存的环境条件要求，以保证系统设备完好，同时注意各部件不要超期超检使用，以保证系统正常、准确、可靠的运行。
在保证日常维护工作的同时，还要对土壤水分观测仪进行每月一次的重要部件现场检查，主要包括传感器、采集器和整机的进行现场检查。现场检查进行时，主要检查护套管密封是否良好，管内是否有水，如发现密封不严，护套管进水等情况应及时进行维护。现场检查时，还要将预先放置在护套管中连接控制单元处的干燥剂取出，用烘干箱将干燥剂烘干后重新安放于原位。如有观测仪建在某些低洼易受潮地点，干燥剂维护周期应缩短。
3.2 故障排查
土壤水分观测仪的故障排查主要依靠的是各组成部分的运行状态灯来进行的，下面对各部分的状态灯工作情况及常见故障进行一下介绍。
太阳能充放电控制器有四个指示灯，由左至右分别为INFO灯、红色、黄色、绿色状态灯。其中，INFO状态灯为绿色时表示系统供电充足，当变为黄色时代表电量不足，当变为红色时为电量严重不足的报警信号，当红色灯一秒一闪则代表电池电量已亏空。右侧排列成弧形的三个指示灯从左往右分别为红色、黄色、绿色，分别代表了电池状态为亏空、电压不足和满电情况。
RS232-RS485转换模块PWR灯为常亮时表示模块正常运行，此时RXD与TXD每分钟交替闪烁；当TXD与RXD均不闪烁时，表示转换模块发生故障；当TXD与RXD只有一个亮时，表示观测仪接口面板部分存在问题。
通讯模块正常工作状态下，状态灯（“PWR”电源，“DATA”数据，“NET”网络）运行状态闪烁频率分别为：1次/8秒，1次/分钟，常亮。以这三个状态灯的运行情况作为判断设备是否正常运行的依据。数据采集器正常工作状态为测量灯闪烁间隔为1次/秒；通讯状态灯4次/分钟。
4 结语
作为观测土壤水含量的重要设备，自动土壤水分观测仪的维护维修需要注意几点：（1）观测仪掩埋在土壤中的部分不便于检查，装备保障人员需熟悉掌握这部分的结构和工作原理以及常用维修维护方法；（2）观测仪部分设备更换后，需要对其运行参数进行重新设置或现场标定。
总之，作为新型土壤水分含量观测设备，装备保障人员需对日常故障情况进行总结和归纳整理，通过不断的交流学习积累经验，这样才能为自动土壤水分观测仪的正常运行提供保障。
参考文献
[1] 何连，秦其明，任华忠，都骏，孟晋杰，杜宸.利用多时相 Sentinel-1 SAR 数据反演农田地表土壤水分，农业工程学报.2016.
[2] 迎春.土壤水分监测方法综述. 自然科学.2016.
[3] 黄文海，谢仁忠，黄汝红，李会玲，莫丽阳.DZN3型自动土壤水分观测仪及维护维修，气象研究与应用.2014.
[4] 李玉春，姜楠，徐淑华.DZN3自动土壤水分观测仪的误差分析， 黑龙江气象.2015.