韓艷君，王 闊，韓春賢

（1. 蠡縣氣象局，河北 蠡縣 071400；2. 天津冶金職業(yè)技術學院，天津 300400）

?

GStar-Ⅰ型自動土壤水分觀測儀故障處理與維護

韓艷君1，王 闊1，韓春賢2

（1. 蠡縣氣象局，河北 蠡縣 071400；2. 天津冶金職業(yè)技術學院，天津 300400）

摘要：自動土壤水分觀測儀的業(yè)務運行很大程度上提高了土壤含水量觀測的質量和效率，但同時也對設備的維護工作提出了更高的要求。以GStar-Ⅰ型設備為例，分別從傳感器、采集器、電源和通訊模塊4方面詳細介紹了工作原理和日常維護，通過自動土壤水分觀測儀監(jiān)控軟件能否接收數(shù)據(jù)及對數(shù)據(jù)異常的分析、采集器和電源控制器的指示燈閃爍是否正常等方法來判斷電池欠壓、通訊卡欠費、裝套管受潮或進水、各接線線序錯誤等常見故障并進行分析，以期對裝備保障人員有所借鑒。

關鍵詞：自動土壤水分觀測；工作原理；故障處理；日常維護

引言

自動土壤水分觀測儀取代傳統(tǒng)的烘干稱重法，不僅縮短了土壤水分的測定時間，減輕了業(yè)務人員的工作強度，最重要的是達到了定點觀測土壤水分的連續(xù)變化，對農業(yè)生產、干旱監(jiān)測預測和其他相關生態(tài)環(huán)境監(jiān)測預測服務及理論研究都具有重要意義，更加適應了當前氣象事業(yè)發(fā)展的需要。因此，為了提高土壤水分服務產品的質量，亟待加強臺站設備的日常維護和故障處理工作。

1 土壤水分傳感器工作原理

土壤水分探測器是基于電容傳感器和嵌入式單片機技術設計，利用電容原理測量土壤水分，通過調整安放在其上的探頭位置可分別測量土壤不同深度的土壤含水量。數(shù)據(jù)采集器基于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，采集土壤水份數(shù)據(jù)進行存儲。采集器對外具有RS485、RS232/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。

2 自動土壤水分觀測站組成

自動土壤水分觀測站主要由采集器、探測器、傳感器、供電（太陽能板、蓄電池）、通信等部分組成。

3 故障分析與處理

（1）監(jiān)控軟件夜間數(shù)據(jù)缺測，白天數(shù)據(jù)正常，且比較規(guī)律

監(jiān)控軟件監(jiān)測到夜間數(shù)據(jù)缺測（圖1），此情況一般考慮為蓄電池問題，檢查蓄電池是否性能下降，導致充放電過快，晚間無太陽光時，電池電壓過低，控制器保護，自動斷開負載輸出。而白天光照正常，太陽能正常供電。

處理方法：更換蓄電池。

圖1　監(jiān)控軟件顯示17日夜間數(shù)據(jù)缺測

（2）晚間且固定時間段有數(shù)據(jù)，白天無數(shù)據(jù)。

這種情況，一般為太陽能控制器模式錯誤，未能正確設置為6.模式，導致設備晚間無太陽時工作，白天有光照時不工作。

處理方法：重新設置太陽能控制器工作模式。

（3）未出現(xiàn)降水天氣現(xiàn)象時監(jiān)控軟件顯示數(shù)據(jù)發(fā)生無規(guī)律突變。

通過監(jiān)控軟件發(fā)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)記錄中，某個時次后數(shù)據(jù)突然變大或者變小（排除下雨的可能），應檢查探測器中是否進水或者有潮氣，如果有及時處理。

處理方法：傳感器進水或損壞。對PVC管重新進行密封，如果判斷是從底部進水，需要重新安裝密封塞。注意，發(fā)生突變時，頻率也應發(fā)生突變，如果頻率不發(fā)生變化，應該考慮是否為中心站重新標定導致數(shù)據(jù)變化。

（4）下雨時數(shù)據(jù)快速變大，雨停后數(shù)據(jù)快速變小。

表現(xiàn)為平時測值很小，有時接近0，但是遇到降水，曲線則陡升。降水過后，曲線迅速下降，這種情況，更換傳感器后故障仍然會存在。一般考慮為上層管壁與土壤間有裂縫。

處理方法：更換套管。

（5）數(shù)據(jù)嚴重偏小。

設備測量數(shù)據(jù)嚴重偏小，主要表現(xiàn)在表層，表層土壤如果發(fā)生嚴重干旱則會出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，尤其是粘土最容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象，如發(fā)生龜裂，則應及時處理，否則傳感器與土壤之間出現(xiàn)較大空隙，儀器觀測數(shù)據(jù)將會嚴重偏低，甚至達到零值。測量層土壤發(fā)生變化時，如離PVC管非常接近的空洞、石塊等也會使得數(shù)據(jù)偏小。

處理方法：將傳感器周圍20cm內的土壤挖開至未開裂的深度，然后在附近選取松散的潮濕土壤進行回填，并將回填土砸實，確保土壤與傳感器套管緊密接觸。如果存在空洞或石塊，應填補空洞，去除石塊。

（6）重量含水率數(shù)據(jù)出現(xiàn)負值。

傳感器安裝不到位造成的管壁與土壤間的縫隙；在冬季，土壤中的水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)冰，介質系數(shù)發(fā)生巨大的變化，引起儀器測量的水分值急劇下降；由于干旱引起粘性土壤龜裂，傳感器周圍長期不松土造成土壤板結；各層傳感器順序錯誤也會引起數(shù)據(jù)異?；驗樨撝担▓D2）。

處理方法：傳感器安裝時，探測管不能有較大晃動，確保探測管壁與土壤緊貼無縫隙；在冬季我們應當注意是否有凍土影響；觀測場內種植作物，表層即使非常干旱龜裂也較輕；灌溉及雨后圍欄內要及時淺鋤防止土壤板結。

圖2　部分土壤深度數(shù)據(jù)顯示異常

（7）采集器與探測器通信異常。

現(xiàn)場利用調試軟件，進行即時數(shù)據(jù)讀取，判斷采集器與探測器通信是否正常，讀取傳感器標定參數(shù)是否正常，如果無法采集數(shù)據(jù)，傳感器標定參數(shù)讀取異常，檢查采集器與探測器連線是否正常，線序是否正常。查看探測器內部插頭連線是否正常，目測處理板上器件是否有異?；驘龤?。

處理方法：緊固插頭，調整為正確線序，如果有器件異常或燒毀，需要更換相應部件。

4 日常維護

4.1 傳感器

正常情況下每年需要把傳感器從PVC管中取出，檢查管內是否潮濕進水，如有水滴，需要清除干凈；干燥劑每年要更換一次。日常維護中一般需經常檢查接線端子，檢查跳線帽是否脫落[1]，用手重新按壓各個傳感器和主機板與帶纜線的排線插針，確保各個連接器可靠連接；此外還需檢查銅環(huán)連接，查看傳感器電路板與兩個銅環(huán)之間的連接線是否脫落，如脫落，要用大功率烙鐵重新焊接。

4.2 電源

自動土壤水分觀測站電源供應一般有太陽能和蓄電池。每半年測量一次蓄電池電壓，如果連續(xù)7天沒有出現(xiàn)外接充電電源完全停止的情況下，電池電壓低于11V，則需要更換蓄電池。正常情況下蓄電池的壽命不低于3年。日常維護中要經常查看指示燈是否常亮，如果滅，檢查采集器主機板的電源端子是否連接松動，接線是否可靠，拔掉重新接線，插上電源端子，如果還不能啟動，用萬用表測量蓄電池電壓是否正常（12V～15V）。太陽能控制器指示燈如圖3。太陽能指示燈亮表示供電，不亮表示不供電；蓄電池指示燈黃色表示電壓偏低，紅色表示電量空，閃綠表示電充滿；負載指示燈橙色表示正常，向采集器供電；設置開關按鈕為模式“6.”[2]

圖3　為供電系統(tǒng)的正常指示狀態(tài)

4.3 采集器

正常情況下每月到現(xiàn)場檢查一次采集器，查看是否進水和沉積灰塵，如有則要清除干凈。

圖4為采集器板的正常顯示狀態(tài)。綠燈為GPRS通信指示燈，黃色為采集器運行指示燈，紅色為電源指示燈；一般狀態(tài)下剛開機紅燈和黃燈點亮，綠燈因為GPRS模塊要搜索網絡，正常情況下3分鐘以內會點亮，如綠燈一直不亮，則可檢測通信卡是否欠費，該地區(qū)GPRS網絡是否通暢。正常情況下，指示燈顯示如下：

電源指示（紅色）：常亮；

運行指示（黃色）：閃爍（亮滅各1秒）；

GPRS登錄指示（綠色）：登錄到服務器亮，退出時滅。

圖4　采集器正常工作狀態(tài)

4.4 通訊模塊

日常維護中通訊模塊的維護非常重要，若通訊模塊上指示燈異常（正常指示燈為TTS指示燈常亮，NET指示燈3秒鐘閃爍一次），首先查看，跳線是否正確，具體表現(xiàn)為：①TTS指示燈不亮（設備掉電復位可以解決故障，否則更換主板）；②NET指示燈不亮（設備掉電復位可解決故障，否則更換主板）；③NET指示燈快閃（800ms一次），檢查手機卡是否正常（是否存在欠費、損壞），建議采用替換法，更換手機卡測試。

5 小結

GStar-Ⅰ型自動土壤水分觀測是近年河北省氣象部門新增的自動測定土壤水分觀測項目。通過掌握對觀測儀業(yè)務監(jiān)控軟件快速診斷故障和解決問題的方法，對常見故障（如單個層次數(shù)據(jù)缺測，可能的原因是此層傳感器損壞或排線未插好；而全部缺測資料可能的原因為蓄電池虧電、手機卡欠費、采集器主板損壞、太陽能控制器未處于工作狀態(tài)不為“6.”、儀器被盜等；遇到頻率全為0，一般為傳感器已損壞。）要做到及時發(fā)現(xiàn)、迅速排除，并做好日常維護工作，有效降低數(shù)據(jù)缺報、誤報率。有效保證儀器采集準確、傳輸及時，以提供更好的自動化土壤水分觀測服務。

參考文獻：

[1] 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(huán)境科學，2011，34（B09）：178-181.

[2] 陳海波. DZN2型自動土壤水分觀測儀常見問題分析[J]. 氣象與環(huán)境科學，2013，36（3）：54-57.

作者簡介：韓艷君（1981—），女，河北蠡縣人，本科，工程師，主要從事綜合地面氣象測報預報和農業(yè)氣象工作。

收稿日期：2015-04-17

中圖分類號：P415.1

文獻標識碼：B

文章編號：1005–0582（2016）01–0065–04