唐山市土壤水分觀測(cè)站電壓監(jiān)控系統(tǒng)研究

司方坤++甄樹勇++劉光河

摘要 京津冀地區(qū)逐漸增多的霧霾天數(shù)及雨雪天氣導(dǎo)致由太陽能供電的自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀無法正常工作，造成土壤水分觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺測(cè)。唐山土壤水分觀測(cè)站電壓監(jiān)控系統(tǒng)利用上傳到省局中心站數(shù)據(jù)庫(kù)的狀態(tài)信息（即蓄電池電壓值），對(duì)設(shè)備蓄電池電壓變化趨勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在電壓達(dá)到停機(jī)臨界值時(shí)給裝備保障人員和臺(tái)站觀測(cè)人員發(fā)送報(bào)警信息，提示其做好蓄電池的維護(hù)保養(yǎng)工作，保障設(shè)備連續(xù)正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞 GStar-I（DZN2）；土壤水分；觀測(cè)站；電壓監(jiān)控；河北唐山

中圖分類號(hào) S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）07-0199-02

Voltage Monitoring System of Soil Moisture Observation Station in Tangshan City

SI Fang-kun 1 ZHEN Shu-yong 2 LIU Guang-he 1

（1 Tangshan Meteorological Bureau in Hebei Province，Tangshan Hebei 063000； 2 Meteorological Bureau of Hebei Province）

Abstract Caused by the gradual increasing weather of fog，haze，rain and snow，the automatic soil moisture observatory powered by solar energy does not work properly，which results in soil moisture observation data missing. Using the status information（the battery voltage value）uploaded to the center station database of provincial bureau，Tangshan Soil Moisture Observation Station Voltage Monitoring System could conduct real-time monitoring on battery voltage change trends of equipment，send alarm information to the equipment support personnel and observation station personnel when voltage reached a machine halt critical value，and indicated the personnel to prepared for the battery maintenance，in order to ensure the continuous work of equipment.

Key words GStar-I（DZN2）；soil moisture；observation station；voltage monitoring；Tangshan Hebei

土壤水分是一項(xiàng)重要的土壤物理參數(shù)，是聯(lián)系地表水與地下水的紐帶，在水資源的形成、轉(zhuǎn)化及消耗過程中有重要作用，是土壤內(nèi)部化學(xué)、生物和物理過程不可缺少的介質(zhì)，是土壤肥力的重要因素。因此，掌握土壤水分變化規(guī)律，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)時(shí)服務(wù)和理論研究都具有重要意義[1]。目前，我國(guó)氣象部門在各省級(jí)部門都建設(shè)了自動(dòng)土壤水分觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，能提供實(shí)時(shí)土壤水分觀測(cè)服務(wù)，其中GStar-I（DZN2）型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀布設(shè)2 000余套，多數(shù)儀器通過數(shù)據(jù)驗(yàn)收，投入業(yè)務(wù)運(yùn)行[2]。自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀使用以來，較之原來的稱重烘干的測(cè)定方法，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，達(dá)到了定點(diǎn)觀測(cè)土壤水分的連續(xù)變化，滿足了生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和氣象業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。

近年來，京津冀地區(qū)霧霾天數(shù)逐漸增多，加之雨雪天氣等原因，寡照日數(shù)逐漸增多。由于GStar-I（DZN2）型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀采用太陽能充電蓄電池作為電源，受連續(xù)出現(xiàn)的霧霾、雨雪天氣的影響，蓄電池?zé)o法正常充電[3-4]，導(dǎo)致蓄電池虧電、設(shè)備無法正常工作的情況發(fā)生。自動(dòng)土壤水分觀測(cè)系統(tǒng)客戶端軟件SoilMoisture沒有提供設(shè)備電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，只有在設(shè)備蓄電池發(fā)生虧電停機(jī)之后才能發(fā)現(xiàn)故障，臺(tái)站觀測(cè)人員在得到省局實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備故障通知后前去維修，往往造成數(shù)據(jù)缺測(cè)數(shù)小時(shí)。為解決此問題，開發(fā)了唐山土壤水分觀測(cè)站電壓監(jiān)控系統(tǒng)，利用上傳到中心站的狀態(tài)信息（即蓄電池電壓值）對(duì)設(shè)備蓄電池電壓變化趨勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在電壓達(dá)到停機(jī)臨界值時(shí)給裝備保障人員和臺(tái)站觀測(cè)人員發(fā)送報(bào)警信息，提示其做好蓄電池的維護(hù)保養(yǎng)工作，保障設(shè)備連續(xù)正常運(yùn)行。

1 土壤水分站工作原理

土壤水分監(jiān)測(cè)儀是集電容傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體的智能儀器。土壤水分監(jiān)測(cè)儀由探測(cè)器、采集器和計(jì)算機(jī)管理3個(gè)部分組成[5]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于FDR（frequency domain reflectometry）頻域反射原理的土壤水分觀測(cè)儀即利用LC電路的振蕩，根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中振蕩頻率的變化來測(cè)定介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，進(jìn)而通過一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系反演土壤水分狀況。FDR土壤水分傳感器由上、下2個(gè)圓環(huán)狀極板構(gòu)成一個(gè)LC振蕩回路（圖2），傳感器工作時(shí)可產(chǎn)生高頻振蕩電場(chǎng)，土壤含水量的變化引起圓環(huán)電容周圍介質(zhì)的介電特性變化，圓環(huán)電容傳感器感應(yīng)的土壤電容值就會(huì)改變，從而引起LC振蕩器的振蕩頻率變化，傳感器把測(cè)得的高頻信號(hào)變換后即可得到土壤含水量[6]。GStar-I（DZN2）型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀即利用FDR原理，以電容式傳感器為基礎(chǔ)，由數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示等部分構(gòu)成，測(cè)量時(shí)傳感器的電容振蕩頻率信號(hào)由數(shù)據(jù)處理軟件經(jīng)過一定的算法反演出土壤含水量。

GStar-I（DZN2）型自動(dòng)土壤水分觀測(cè)儀是以省為單位進(jìn)行組網(wǎng)建設(shè)，單個(gè)土壤水分觀測(cè)站的數(shù)據(jù)通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)傳輸，在省級(jí)氣象部門建設(shè)土壤水分中心站服務(wù)器，負(fù)責(zé)全省土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的接收和處理，并將土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)文定時(shí)向國(guó)家級(jí)數(shù)據(jù)中心上傳。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

唐山土壤水分觀測(cè)站電壓監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)獲取、業(yè)務(wù)邏輯和監(jiān)控顯示3個(gè)部分[7-8]。首先提取被監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的基本信息，然后按站點(diǎn)逐一提取過去24個(gè)整點(diǎn)時(shí)次的設(shè)備電壓值，將時(shí)間和電壓信息填入對(duì)應(yīng)已初始化好的數(shù)組，其中電壓初始化為負(fù)值，最后對(duì)電壓值進(jìn)行判斷，負(fù)值表示缺測(cè)，正常電壓和低電壓分別以綠色和紅色進(jìn)行顯示，并對(duì)用戶進(jìn)行提醒。系統(tǒng)流程如圖3所示。

2.2 中心站數(shù)據(jù)庫(kù)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源為中心站數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用微軟公司的SQL Server 2008數(shù)據(jù)管理開發(fā)平臺(tái)，它是一種廣泛使用的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理能力[9-10]。數(shù)據(jù)庫(kù)庫(kù)名為SoilMoisture，采用的是一站一表的形式，區(qū)站號(hào)即為表名，存儲(chǔ)各土壤站實(shí)時(shí)上傳的整點(diǎn)數(shù)據(jù)。提取出2個(gè)字段分別是ObservTime和Voltage（表1）。

2.3 數(shù)據(jù)的提取

按照預(yù)設(shè)的土壤水分站監(jiān)測(cè)列表，讀取在給定時(shí)段范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。以下為單站數(shù)據(jù)提取程序代碼：

with ADOQuery1 do

begin

Close；

Sql.Clear；

//從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取單站數(shù)據(jù)

Sql.Text：= ′SELECT ObservTime，Voltage FROM ′′′+gSoilInfo.ID+′′′′+

′WHERE ObservTime BETWEEN ′′′+

FormatDateTime（′yyyy-mm-dd hh：00：00′，Now）+′′′ AND ′′′+

FormatDateTime（′yyyy-mm-dd hh：00：00′，Now-1）+′′′ ORDER BY ObservTime′；

end；

2.4 業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計(jì)

首先初始化預(yù)設(shè)數(shù)組，填充數(shù)據(jù)時(shí)間，并將電壓值預(yù)設(shè)為負(fù)值。將從數(shù)據(jù)庫(kù)查詢出數(shù)據(jù)的時(shí)間與預(yù)填充時(shí)間進(jìn)行比較，時(shí)間一致時(shí)將電壓值填入對(duì)應(yīng)數(shù)組，否則電壓保持為負(fù)值。

for i：=0 to 23 do with gSoilInfo.Voltages[i] do

begin

ObservTime：= Now-23+i；

Voltage：= -1；

end；

with ADOQuery1 do

begin

WrongNum：= 24-RecordCount；//計(jì)算缺報(bào)時(shí)次

//將電壓數(shù)據(jù)按照時(shí)次填入數(shù)組

for i：=0 to 23 do

begin

if FormatDateTime（′yyyymmddhh′，gSoilInfo.Voltages[i].ObservTime）=

FormatDateTime（′yyyymmddhh′，F(xiàn)ieldByName（′ObservTime′）.AsDateTime）then

begin

gSoilInfo.Voltages[i].Voltage：= FieldByName（′Voltage′）.AsFloat；

Next；

end；

end；

end；

2.5 監(jiān)控顯示設(shè)計(jì)

程序界面以柱形圖的形式顯示過去24 h內(nèi)的設(shè)備電壓情況，每1 h 1個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)電壓低于安全電壓時(shí)，柱形圖顯示為紅色；電壓高于安全電壓時(shí)，柱形圖顯示為綠色。

//將電壓數(shù)據(jù)顯示出來

for i：=0 to 23 do

begin

if gSoilInfo.Voltages[i].Voltage<12 then //低于12V電壓顯示為紅色

c：= clRed

else

c：= clGreen； //正常電壓顯示為綠色

Chart1.Series[0].AddXY（i，gSoilInfo.Voltages[i].Voltage，（下轉(zhuǎn)第203頁(yè)）

（上接第200頁(yè)）

inttostr（23-i），c）；

end；

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 電壓監(jiān)控

系統(tǒng)運(yùn)行后將以柱形圖的方式顯示預(yù)設(shè)區(qū)站號(hào)過去24 h的電壓變化趨勢(shì)，并可實(shí)時(shí)刷新。單站用戶可修改默認(rèn)臺(tái)站，運(yùn)行后直接顯示本站數(shù)據(jù)。市級(jí)用戶可用下拉選擇站點(diǎn)更改要查詢的站點(diǎn)數(shù)據(jù)情況。綠色柱形為正常，紅色柱形表示該小時(shí)值已低于12.0 V安全電壓，如短時(shí)間內(nèi)太陽能供電情況得不到改善，電池電壓仍持續(xù)下降，應(yīng)及時(shí)前往觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)更換備份電池。如正常電壓下突然無數(shù)據(jù)，也可能為設(shè)備損壞或丟失，也應(yīng)立即查看。電壓監(jiān)控界面如圖4所示。

3.2 數(shù)據(jù)缺測(cè)報(bào)警

當(dāng)土壤水分站電壓低于12.0 V安全電壓或過去24 h內(nèi)本站缺報(bào)，則系統(tǒng)彈出報(bào)警對(duì)話框，同時(shí)計(jì)算機(jī)發(fā)出警報(bào)聲音，提醒用戶及時(shí)處理；另外，通過COM端口調(diào)用手機(jī)模塊向發(fā)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的臺(tái)站值班人員發(fā)送1條手機(jī)提醒短信。SMS短信發(fā)送的是通過AT指令控制短信模塊來實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

唐山土壤水分觀測(cè)站電壓監(jiān)控系統(tǒng)解決了土壤自動(dòng)站電壓運(yùn)行監(jiān)控問題，對(duì)蓄電池電壓的連續(xù)變化趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可對(duì)蓄電池電壓低于臨界值、土壤站數(shù)據(jù)缺測(cè)情況進(jìn)行平臺(tái)及短信報(bào)警。FusionCharts插件的運(yùn)用使用戶界面更加直觀，并且由于其生成的是HTML頁(yè)面，為本系統(tǒng)升級(jí)為網(wǎng)絡(luò)版本提供了擴(kuò)展空間。本系統(tǒng)的使用，幫助唐山市裝備保障人員及臺(tái)站值班員對(duì)多起因連續(xù)霧霾天氣、雨雪天氣引起的蓄電池充電不足、蓄電池電量即將耗盡情況進(jìn)行及時(shí)處置，可避免設(shè)備故障的發(fā)生，并保障自動(dòng)土壤水分自動(dòng)站設(shè)備的連續(xù)正常運(yùn)行。

5 參考文獻(xiàn)

[1] 成林，楊光仙，陳海波，等.烘干稱重法測(cè)定土壤水分取樣誤差分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2009，32（2）：33-36.

[2] 陳海波，冶林茂.土質(zhì)對(duì)FDR水分傳感器擬合參數(shù)影響的試驗(yàn)研究[J].氣象科技，2014，42（5）：888-891.

[3] 余興國(guó)，行鴻彥，季鑫源.自動(dòng)氣象站光伏控制器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（8）：188-191.

[4] 郝華麗，劉文富.太陽能電池效率的影響因素分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（12）：156-158.

[5] 冶林茂，吳志剛，牛素軍，等.GStar-I型電容式土壤水分監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2008，31（3）：82-85.

[6] 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（增刊1）：178-181.

[7] 黨永剛，張偉.光纖陀螺供電電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（14）：152-155.

[8] 劉彥磊，梁紅杰，吉紅，等.基于ARM的無人值守地震臺(tái)站蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（4）：129-131.

[9] 于楠，胡金炎，鄒岸，等.一種母嬰安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2013，30（5）：200-202.

[10] 崔娜.面向數(shù)據(jù)庫(kù)性能的SQL語句解析與翻譯[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（11）：99-102.