GStar-Ⅰ型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀故障處理與維護(hù)

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(shù)學(xué)院，天津 300400）

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GStar-Ⅰ型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀故障處理與維護(hù)

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(shù)學(xué)院，天津 300400）

摘要：自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的業(yè)務(wù)運(yùn)行很大程度上提高了土壤含水量觀測(cè)的質(zhì)量和效率，但同時(shí)也對(duì)設(shè)備的維護(hù)工作提出了更高的要求。以GStar-Ⅰ型設(shè)備為例，分別從傳感器、采集器、電源和通訊模塊4方面詳細(xì)介紹了工作原理和日常維護(hù)，通過自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀監(jiān)控軟件能否接收數(shù)據(jù)及對(duì)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(fèi)、裝套管受潮或進(jìn)水、各接線線序錯(cuò)誤等常見故障并進(jìn)行分析，以期對(duì)裝備保障人員有所借鑒。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)土壤水分觀測(cè)；工作原理；故障處理；日常維護(hù)

引言

自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀取代傳統(tǒng)的烘干稱重法，不僅縮短了土壤水分的測(cè)定時(shí)間，減輕了業(yè)務(wù)人員的工作強(qiáng)度，最重要的是達(dá)到了定點(diǎn)觀測(cè)土壤水分的連續(xù)變化，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、干旱監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)和其他相關(guān)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)服務(wù)及理論研究都具有重要意義，更加適應(yīng)了當(dāng)前氣象事業(yè)發(fā)展的需要。因此，為了提高土壤水分服務(wù)產(chǎn)品的質(zhì)量，亟待加強(qiáng)臺(tái)站設(shè)備的日常維護(hù)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(cè)器是基于電容傳感器和嵌入式單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)，利用電容原理測(cè)量土壤水分，通過調(diào)整安放在其上的探頭位置可分別測(cè)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(shù)設(shè)計(jì)，通過大容量存儲(chǔ)器擴(kuò)展技術(shù)，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、安全可靠和易于安裝維護(hù)等特點(diǎn)，可實(shí)時(shí)和定時(shí)對(duì)水分傳感器發(fā)送指令，采集土壤水份數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。采集器對(duì)外具有RS485、RS232/無線通訊接口，完成對(duì)傳感器、后臺(tái)管理軟件的數(shù)據(jù)交換工作。

2 自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站組成

自動(dòng)土壤水分觀測(cè)站主要由采集器、探測(cè)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(cè)，白天數(shù)據(jù)正常，且比較規(guī)律

監(jiān)控軟件監(jiān)測(cè)到夜間數(shù)據(jù)缺測(cè)（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(dǎo)致充放電過快，晚間無太陽光時(shí)，電池電壓過低，控制器保護(hù)，自動(dòng)斷開負(fù)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(cè)

（2）晚間且固定時(shí)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(cuò)誤，未能正確設(shè)置為6.模式，導(dǎo)致設(shè)備晚間無太陽時(shí)工作，白天有光照時(shí)不工作。

處理方法：重新設(shè)置太陽能控制器工作模式。

（3）未出現(xiàn)降水天氣現(xiàn)象時(shí)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(gè)時(shí)次后數(shù)據(jù)突然變大或者變?。ㄅ懦掠甑目赡埽?，應(yīng)檢查探測(cè)器中是否進(jìn)水或者有潮氣，如果有及時(shí)處理。

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

（4）下雨時(shí)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(shí)測(cè)值很小，有時(shí)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(huì)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(yán)重偏小。

設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)嚴(yán)重偏小，主要表現(xiàn)在表層，表層土壤如果發(fā)生嚴(yán)重干旱則會(huì)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(yīng)及時(shí)處理，否則傳感器與土壤之間出現(xiàn)較大空隙，儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)將會(huì)嚴(yán)重偏低，甚至達(dá)到零值。測(cè)量層土壤發(fā)生變化時(shí)，如離PVC管非常接近的空洞、石塊等也會(huì)使得數(shù)據(jù)偏小。

處理方法：將傳感器周圍20cm內(nèi)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(jìn)行回填，并將回填土砸實(shí)，確保土壤與傳感器套管緊密接觸。如果存在空洞或石塊，應(yīng)填補(bǔ)空洞，去除石塊。

（6）重量含水率數(shù)據(jù)出現(xiàn)負(fù)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(zhì)系數(shù)發(fā)生巨大的變化，引起儀器測(cè)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(jié)；各層傳感器順序錯(cuò)誤也會(huì)引起數(shù)據(jù)異?；?yàn)樨?fù)值（圖2）。

處理方法：傳感器安裝時(shí)，探測(cè)管不能有較大晃動(dòng)，確保探測(cè)管壁與土壤緊貼無縫隙；在冬季我們應(yīng)當(dāng)注意是否有凍土影響；觀測(cè)場內(nèi)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(nèi)要及時(shí)淺鋤防止土壤板結(jié)。

圖2　部分土壤深度數(shù)據(jù)顯示異常

（7）采集器與探測(cè)器通信異常。

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

處理方法：緊固插頭，調(diào)整為正確線序，如果有器件異?；驘龤?，需要更換相應(yīng)部件。

4 日常維護(hù)

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(nèi)是否潮濕進(jìn)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(hù)中一般需經(jīng)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(gè)傳感器和主機(jī)板與帶纜線的排線插針，確保各個(gè)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(gè)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(dòng)土壤水分觀測(cè)站電源供應(yīng)一般有太陽能和蓄電池。每半年測(cè)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(hù)中要經(jīng)常查看指示燈是否常亮，如果滅，檢查采集器主機(jī)板的電源端子是否連接松動(dòng)，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(dòng)，用萬用表測(cè)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(fù)載指示燈橙色表示正常，向采集器供電；設(shè)置開關(guān)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(jìn)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(yùn)行指示燈，紅色為電源指示燈；一般狀態(tài)下剛開機(jī)紅燈和黃燈點(diǎn)亮，綠燈因?yàn)镚PRS模塊要搜索網(wǎng)絡(luò)，正常情況下3分鐘以內(nèi)會(huì)點(diǎn)亮，如綠燈一直不亮，則可檢測(cè)通信卡是否欠費(fèi)，該地區(qū)GPRS網(wǎng)絡(luò)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(yùn)行指示（黃色）：閃爍（亮滅各1秒）；

GPRS登錄指示（綠色）：登錄到服務(wù)器亮，退出時(shí)滅。

圖4　采集器正常工作狀態(tài)

4.4 通訊模塊

日常維護(hù)中通訊模塊的維護(hù)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(shè)備掉電復(fù)位可以解決故障，否則更換主板）；②NET指示燈不亮（設(shè)備掉電復(fù)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(jī)卡是否正常（是否存在欠費(fèi)、損壞），建議采用替換法，更換手機(jī)卡測(cè)試。

5 小結(jié)

GStar-Ⅰ型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)是近年河北省氣象部門新增的自動(dòng)測(cè)定土壤水分觀測(cè)項(xiàng)目。通過掌握對(duì)觀測(cè)儀業(yè)務(wù)監(jiān)控軟件快速診斷故障和解決問題的方法，對(duì)常見故障（如單個(gè)層次數(shù)據(jù)缺測(cè)，可能的原因是此層傳感器損壞或排線未插好；而全部缺測(cè)資料可能的原因?yàn)樾铍姵靥濍?、手機(jī)卡欠費(fèi)、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(shí)發(fā)現(xiàn)、迅速排除，并做好日常維護(hù)工作，有效降低數(shù)據(jù)缺報(bào)、誤報(bào)率。有效保證儀器采集準(zhǔn)確、傳輸及時(shí)，以提供更好的自動(dòng)化土壤水分觀測(cè)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳海波，冶林茂，薛龍琴，等. GStar-I（DZN2）型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀的維護(hù)方法及常見故障解析[J]. 氣象與環(huán)境科學(xué)，2011，34（B09）：178-181.

[2] 陳海波. DZN2型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀常見問題分析[J]. 氣象與環(huán)境科學(xué)，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(cè)報(bào)預(yù)報(bào)和農(nóng)業(yè)氣象工作。

收稿日期：2015-04-17

中圖分類號(hào)：P415.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1005–0582（2016）01–0065–04