DZN2型自动土壤水分观测仪的组成及故障维修实例

何 涛

承德市气象局，河北承德 067000

土壤水分又称土壤湿度，是保持在土壤孔隙中的水分，是植物生长必不可少的因素，主要来源于大气降水和灌溉水。河北是农业大省，是我国重要的粮棉产区，适合小麦、玉米、谷子、水稻、高粱、豆类、棉花、花生等多种农作物生长。干旱是河北省发生最频繁、影响最大的农业气象灾害，加强对旱灾的防御，是提高河北省农业防灾减灾能力的重要任务。

根据中国气象局的总体安排，结合河北干旱成片性特点、区域代表性和农业发展布局现状，到目前为止，河北省共建设完成自动土壤水分观测站点178个，其中，171个站点已经正式投入业务化运行，为提高农业气象监测水平和发展河北现代农业提供重要的科学数据。然而，随着自动设备的大量使用，仪器故障率也随之上升，如何保证自动设备的正常运转也就成了当前亟需解决的问题。近年来，有多名学者对自动土壤水分观测仪的原理、维护及故障分析作了较为详细的说明。例如，陈海波[1]的《DZN2型自动土壤水分观测仪常见问题分析》；包伟智等[2]的《DZN2土壤水分观测仪故障诊断》；刘晓英[3]的《DZN2(GStar-I)C型自动土壤水分观测仪常见故障分析及处理》。笔者详细介绍了DZN2型自动土壤水分观测仪的组成部分，并结合实际工作中遇到的典型案例对仪器运行中常见故障进行了分析和解决。

1 组成部分

DZN2型自动土壤水分观测仪由供电部分、探测部分、采集部分和通讯部分组成（图1）。

图1 DZN2型自动土壤水分观测仪组成部分

1.1 供电部分

主要由太阳能控制器、太阳能板和蓄电池组成。太阳能控制器使用了单片机和专用软件，实现了智能控制，具有过充、过放、电子短路、过载保护和独特的防反接保护等全自动控制，确保不损坏任何部件、不烧保险；并采用了串联式PWM（脉宽调制）充电主电路，充电效率较非PWM高3%～6%，增加了用电时间。太阳能板白天接收太阳能并转化成电能，给整个系统供电并对蓄电池进行充电；夜晚由蓄电池负责为系统供电。

1.2 探测部分

由探测器和传感器组成。基于电容传感器和嵌入式单片机技术设计的传感器，其中的检测电容是敏感器件。传感器周围水分的变化引起圆环电容的介质变化，电容值的改变引起LC振荡器的振荡频率变化，传感器将高频信号变换后输出到单片机，单片机根据建立的数学模型和当地土壤相关系数，进行计数、转换、修正等处理，计算出水分；探测器上嵌着处理板、多组传感器电路板和电极，通过RS485与采集主板连接实现数据传输[4]。

1.3 采集部分

数据采集主板是基于ARM技术设计，通过大容量存储器扩展技术，具有数据存储量大、安全可靠和易于安装维护等特点，可实时和定时对水分传感器发送指令，采集土壤水分数据进行存储。采集主板对外具有RS485、RS232和无线通讯接口，完成对传感器、后台管理软件的数据交换工作。

1.4 通讯部分

由通讯模块通过无线网络与数据中心服务器实现通信，从而进行数据资料的传输。

2 故障维修实例

2.1 2012年7月份，围场作物地段（B3598）数据出现间断缺测

（1）故障分析。出现间断性缺测的原因可能是：太阳能控制器工作模式不正确；蓄电池电量储存过少；当地信号不好，导致数据传输过程中丢失；通讯模块版本低，导致通讯不畅。

（2）检测与排除。首先，检查太阳能控制器是否为正确模式“6”，此模式仅取消光控、时控功能、输出延时以及相关的功能，保留其他所有功能，该系统必须使用此模式；其次，检查蓄电池是否老化，当晚上无太阳能板充电时，储存的电量就会很快耗尽，这种情况下应及时更换蓄电池。再者就是检测当地信号状况。如果以上检查都没有问题，只能与厂家联系进行通讯模块版本升级。

（3）问题解决。维修人员依次检查太阳能控制器工作模式、蓄电池和当地信号状况，均未发现问题。由于该站点地处群山之间，可能会出现通讯不畅现象，经与厂家联系获得升级文件，到现场升级完成后，数据恢复正常。

2.2 2013年12月3日5:00至4日16:00，滦平作物地段（B3596）从监控软件上看，数据曲线出现跳变（图2）

图2 体积含水量数据跳变

（1）故障分析。数据曲线出现跳变的原因可能是：探测器套管进水；传感器出现故障。

（2）检测与排除。从监控软件上看土壤水分频率曲线，如果频率值正常，则是探测器套管内有些许的水滴或水蒸气；如果频率值为0，则说明传感器故障，需要更换。

（3）问题解决。维修人员通过观看频率值，发现频率都为0（图3），并由此判断传感器故障。到现场更换一根新的探测器后，数据曲线恢复正常。

图3 故障传感器土壤水分频率

2.3 2016年9月1日17:00至9月2日08:00，丰宁固定地段（54308）没有数据上传

（1）故障分析。数据没有上传原因可能是：电源故障，无法给系统供电，采集主板无法工作；通讯模块故障，数据无法传输；采集主板与探测器之间接线断路良；采集主板故障，无法采集数据；探测器故障。

（2）检测与排除。首先，查看采集器主机板上的红色电源指示灯是否常亮，如果不亮则需要检查电源。如果电源指示灯正常，说明电源没问题；看绿色通讯指示灯是否常亮，如果不亮，则需要检查SIM卡是否欠费，当地信号状况和通讯模块是否故障；再看黄色运行指示灯是否一秒一闪，如果不亮先检查采集主板与探测器感器间接线是否接好，如果接线没问题，则有可能是采集主板故障，需要连接电脑进行测试；以上检查都没问题，则需检查探测器是否故障。

（3）问题解决。维修人员到现场发现电源指示灯不亮，用万用表测量蓄电池电压已低于11 V，说明电源已无法给采集器供电，导致采集器无法正常工作。更换蓄电池后，采集器恢复正常工作，数据采集传输正常。

2.4 2019年3月20日11:00至3月21日16:00，承德县作物地段（B3594）没有数据上传

（1）故障分析。同2.3。

（2）检测与排除。同2.3。

（3）问题解决。维修人员到现场查看采集主板上电源指示红色灯常亮，用万用表测量蓄电池电压为12.5 V，设备供电正常；绿色通讯指示灯常亮，则通讯传输正常；运行指示黄色灯秒闪，用万用表通断档测量采集主板与探测器之间连线均连通且接线无松动，用电脑连接采集主板，打开Soil_Debug软件，电脑能够与采集主板正常通讯，则排除采集主板故障；在软件中进入数据监视界面（图4），查看各层传感器水分值均为0，判断为探测器处理板故障。更换探测器后，监视数据恢复正常，随后将探测器各层空气和水中频率数值发送给数据中心站进行参数更改后，观测数据恢复正常。

图4 数据监视界面

3 其他一些问题

3.1 传输过程中会出现数据丢失现象

一些台站值班人员在监控软件中看返回数据时，会发现某天的某一2个时段没有返回数据，而其余时段的数据正常，经现场查看设备硬件部分均无问题，就可能是数据在传输过程中丢失。出现这种问题，值班人员应尽快（最好在24 h之内）与数据中心站值班人员联系，说明情况，并请中心站人员通过远程指令补传一下数据，恢复缺失时段的数据。

3.2 安装操作不规范导致数据异常

安装时未使用专业工具和操作不规范，导致被测土层遇降水产生沉降，或者存在鼠洞等中空现象，使得传感器无法准确测量周边土壤环境，从而发生数据异常现象。

3.3 传感器安装环境被破坏会严重影响观测精度

有些台站担心仪器遭受破坏，对传感器采取了一定措施进行保护，如对传感器进行遮盖，当有降水时，周边农田水分含量较大，但传感器感应部分含水量却无较大变化，严重影响了传感器测量精度。

3.4 传感器周围异物影响数据观测

传感器周边土壤质地不均匀，含有石块、铁块等异物，会严重影响数据观测，造成观测值偏小。如果台站发现某些层次数据异常，在排除传感器自身故障后，可对传感器土层开挖检查是否有异物，但这种方法要谨慎操作，一旦开挖，传感器需重新进行安装。

3.5 冻土会造成数据异常偏低

北方大部分台站到了冬季各层的数据逐步降低，这种情况并非传感器出现故障，而是由于冻土影响造成的。由于FDR型传感器是通过测量土壤的介电常数来反演土壤水分，由于水的介电常数远远大于冰晶，当土壤中水分冻结时，会造成测量结果偏小（图5）。因此，冬季出现冻土时，测量值偏小属于正常现象。

图5 发生冻土时土壤水分的变化趋势

4 结语

笔者对DZN2型自动土壤水分观测仪的组成部分的详细介绍，有助于维护人员理解设备的工作原理、功能特点和结构作用；给出了典型案例的分析思路和解决方法，帮助维护人员积累维修经验、提高保障能力。仪器设备的正常运行，获得的观测数据才具有科学性、准确性和可靠性，才能更好地服务于农业生产，并为各级政府指挥抗旱救灾提供科学、有效的依据。