DZN1野外式自动土壤水分观测仪常见故障分析

DZN1野外式自动土壤水分观测仪常见故障分析
张朝昌;杜衍君;张斌
【摘要】DZN1 field type automatic observation instrument for soil moisture is composed by soil moisture sensor,data acquisition,wireless module and power supply system.The different variation of soil moisture was listed to judge the sensor fault or not.The common faults of sensor include installed properly,sensor itself is damaged,collector channel fault,wireless communication module instability,and the voltage of the battery is low,the line fault.The fault cases were analyzed according to working principle,constantly sum up experience,correctly judge the cause,location of fault,fault timely,ensure the soil moisture observation instrument data acquisition,upload stability,further improve the quality of work.%DZN1野外式自动土壤水分观测仪由土壤水分传感器、采集器、无线模块和电源系统4部分组成,列举不同的土壤水分变化情况来分析判断传感器故障与否,在工作中其常见故障有传感器安装不当、传感器本身损坏、采集器通道故障、无线模块通信不稳、蓄电池电压低、各部分连线故障等,分析常见故障案例,结合其工作原理,不断总结经验,正确判断故障具体位置、故障原因,及时排除故障,保证土壤水分观测仪数据采集、上传的稳定,进一步提高工作质量.
【期刊名称】《安徽农业科学》
【年(卷),期】2013(041)015
【总页数】3页(P7025-7027)
【关键词】土壤水分;传感器;故障案例;提高质量
【作者】张朝昌;杜衍君;张斌
【作者单位】山东省菏泽市气象局,山东菏泽274100;山东省菏泽市气象局,山东菏
泽274100;山东省菏泽市气象局,山东菏泽274100
【正文语种】中文
【中图分类】S152.7
DZN1野外式自动土壤水分观测仪由传感器、采集器、无线模块通信和系统电源4部分组成，各外站通过无线连接中心站，可显示实时和整点土壤相对湿度、体积含水量、重量含水率、贮水量等动态变化曲线并自动生成标准数据文件，中心站具有对网络内的所有监测站进行参数设置、数据接收和存储、运行状态监视、远程控制等功能［1－3］。

该仪器可广泛应用于气象、生态、农业、地质灾害等领域的探
测与研究。

为此，笔者通过对常见故障案例的分析，结合DZN1土壤水分观测仪
各部分原理的理解，总结经验，以便能正确判断故障原因，及时排除故障，提高工作质量。

1 土壤水分传感器
其工作原理是：采用频域反射(FDR)原理测量土壤介电常数。

土壤内水分变化导致介电常数变化，土壤的体积含水率与介电常数存在函数关系。

采用世界先进技术的FDR土壤湿度传感器，其精密、可靠，耐用，无放射性污染源。

传感器使用环保材料制成，全密封，可长期埋设在地下任意深度连续测量。

SWS-406土壤水分传感器应用FDR原理，可直接测量土壤体积含水量。

SWS-406土壤水分传感器由高频发射器、接收器、微处理、探针等组成。

高频发射器、
接收器、微处理密封在Ф40 mm、长130 mm防水室内，4个长60 mm不锈钢
探针与之固定相连。

不锈钢探针直接插入土壤。

传感器尾部的电缆线为传感器提供电源及输出模拟信号。

传感器个例故障案例分析如下。

1.1 故障案例1 图1中某站10 cm土壤相对湿度从2013年4月19日21：00的16%骤升到20日01：00的62%。

查其原因是该站19日14：00至夜里下雨，
总降水量12.5 mm，且该站土壤为沙性土壤，所以10 cm土壤体积含水量短时间内上升幅度较大，随后几天天气好转时，土壤湿度又会逐渐下降，由此不能判定
10 cm土壤水分传感器有故障。

1.2 故障案例2 图2中某站20 cm土壤相对湿度从2013年3月5日10：00～22：00骤降骤升。

在现场断掉电源，拔下20 cm所在第2通道插头，插入正常
10或30 cm传感器插头，显示结果正常;把20 cm传感器插头插入正常10 cm通道，显示结果不正常。

由此可以判定，20 cm土壤水分传感器安装不当或传感器
本身故障，检查20 cm传感器连线与安装情况，重新安装结果显示仍不正常，于
是更换传感器，故障排除。

1.3 故障案例3 某站100 cm体积含水量比上层80、60 cm体积含水量持续明显
偏低。

在现场断掉电源，拔下100 cm所在第8通道插头，插入正常80或60 cm 传感器插头，显示结果正常，把100 cm传感器插入正常80 cm通道，显示数据
仍然偏低，怀疑100 cm传感器有故障，遂挖开土层，查看100 cm传感器，发现100 cm传感器所安装土层为沙土，与上层80、60 cm传感器安装土层明显不同，选择与80 cm传感器安装土层相近的土层重新安装100 cm传感器，显示结果正常，100 cm传感器无故障，不需要更换。

2 土壤水分观测仪采集器
采集器是自动土壤水分测量系统的核心，其主要功能是完成各层土壤水分传感器的采样，对采样数据进行控制运算、数据计算处理、数据质量控制、数据记录存储，
实现数据通信和传输。

采集器能够具备自检、自诊断功能，包括以下内容：电源电压状态监测、传感器状态监测、通信状态监测。

数据采集器包括欢迎屏、菜单屏、数据屏、时钟对时屏4个界面。

正常工作状态，可通过按键在菜单屏、数据屏、时钟对时屏之间进行切换。

采集器面板上传感器端子：标注为CH1—CH8的8个通道分别连接需要测量的
1～8层土壤水分传感器，标注为CH9～CH12、风向、风速、雨量等通道用于系
统扩展，接入其他气象传感器。

图1 2013年4月19日20：00～20日06：00曹县南站土壤湿度实时变化曲线
图2 2013年3月5日09：00～23：00东明站土壤湿度实时变化曲线
故障案例：某站20 cm体积含水量比相邻层10、30 cm体积含水量持续明显偏低。

在现场断掉电源，拔下20 cm所在第2通道插头，插入正常10或30 cm传感器插头，显示结果不正常，把20 cm传感器插头插入正常10 cm通道，显示数据正常，由此可以判断20 cm传感器是正常的。

在保证采集器20 cm第2通道参数正确的情况下，应判断采集器20 cm第2通道故障，需维修或更换采集器。

断定采
集器20 cm第2通道参数是否正确，应联系中心站查询，必要时或更换采集器后
要及时通知中心站管理员重新设置该站各参数。

3 太阳能供电系统
野外式自动土壤水分观测仪采用太阳能充电的蓄电池供电系统，由太阳能电池、太阳能充电控制器、蓄电池组成。

主要工作方式：当有太阳能供电时，由充电控制器为系统供电，并为蓄电池充电;当无太阳能供电时，由蓄电池为系统供电，当太阳
能恢复供电时，充电控制器为蓄电池充电，直至充满，12 V直流电压是数据采集
器的基本工作电压。

连接蓄电池时要留意正确的极性，特别注意：如果蓄电池极性接反，负载端输出电压也将随之反向，仪器将有可能损坏;连接太阳能电池板时，
注意正确极性，防止火花产生，安装时要遮挡太阳能电池板，因为最大的短路电流
将大大超过控制器的额定电流;连接输出电压端子时，注意正确极性，防止火花产生，安装时关闭负载仪器。

故障案例：某站夜间蓄电池电压为11.9 V，低于数据采集器的基本工作电压，GPRS通讯中断，数据无法上传，查其原因是连续多日阴霾天气，太阳能供电不足，蓄电池充电不满，导致蓄电池性能下降，特别是夜间蓄电池电压较低，采集器停止工作。

解决方法是：购买12V20A电动车普通蓄电池一块进行更换，采集器工作
恢复正常。

4 GPRS通讯网络主要工作过程
4.1 固定IP地址的获取及设置由移动公司或电信部门提供网络专线，经过省气象
局局域网的路由器接入中心站控制计算机，同时得到该计算机的固定IP地址。

该
固定IP地址将设置到监测网各外站的无线传输模块内。

4.2 中心站参数设置中心站计算机的通讯调度软件中设置有每个外站的站名、站号、台站类型、通讯时间间隔、标识符等参数。

其中最重要的参数是每个外站内无线传输模块的标识符，该标识符为外站的唯一身份识别符号，每个外站都有自己的标识符，各不相同。

该标识符是指无线传输模块中所装的手机卡的SIM卡号的最
后6～10位非字母的连续数字。

4.3 无线连接的建立各外站的仪器安装完成，系统带电后，其内部的无线传输模
块将向其内部保存的固定IP地址(即中心站计算机地址)不停地发出连接请求。

中
心站计算机的通讯调度软件启动后，将进入侦听状态。

当侦听到某个外站的连接请求后，将与其建立连接。

由于各外站无线上网时得到的是动态IP地址，因此连接后，中心站无法识别外站身份，这时外站内的无线传输模块，会向中心站计算机发出它自己的标识符，中心站计算机根据保存在软件中的标识符就能够识别外站，这样整个连接过程完成。

每个外站上电或断掉连接后都会发出连接请求，有多少个连接请求，中心站就建立
多少个连接，这些连接同时存在，同时在线，保证中心站计算机同时与多个外站的通讯实时性。

由于整个网络使用APN身份验证，因此其他无线通讯设备包括手机，均无法进入本气象监测网络，不会干扰网络正常运行，也保证了数据的安全性。

4.4 数据传输及自动补要网络连接完成后，中心站计算机将根据设置好的各台站
通讯时间间隔定时地接收外站的实时数据。

为保证数据完整性，中心站每小时定时检查各外站当天数据是否完整，如不完整会自动补要该站数据;中心站每天自动对
各外站对时，保证系统时钟同步。

4.5 断网的处理如果外站或中心站出现故障，造成网络中断，外站的GPRS无线
模块会定时地不间断地向中心站发送连接请求，直到和中心站建立起连接为止。

网络正常时，外站的GPRS无线模块会定时向中心站发送心跳包，以监测连接是
否正常。

故障案例：某站蓄电池供电正常，采集器工作正常，但数据传输入库率较低，可以断定为当地无线信号较弱或GPRS无线模块工作不稳所致。

检查GPRS无线模块，确认DC12V电源连接正确;天线连接正确，检查SIM卡安装，重启无线模块，传
输模块上的指示灯亮为绿色，1～2 s后，变为红色闪烁2次，然后变为绿色。

连接网络：如果闪烁表示传输模块正常工作，正在寻找网络。

指示灯再次变为红亮，并常亮表示传输模块已经找到GPRS网络，并与中心站连接完成。

如运行中网络
断开，则指示灯变为绿色并闪烁，直到传输模块再次找到网络与中心站连接，指示灯再次变为红亮，并常亮。

如果检查当地无线信号强弱，可以使用手机放在无线模块天线处验证，若无线信号较弱，可与当地移动公司联系解决。

若更换无线模块，一定要用原来的SIM卡，若更换SIM卡，一定要联系中心站管理员，对GPRS无线模块重新设置，重新更换后一定要查看网络连接，数据传输
是否正常。

5 结语
该研究根据不同的土壤水分变化情况来分析判断传感器故障与否，在工作中其常见故障有传感器安装不当、传感器本身损坏、采集器通道故障、无线模块通信不稳，和蓄电池电压低、各部分连线故障等。

当出现故障时，应首先判断电源系统是否正常，再查看通信模块、传感器，最后检查采集器;电源故障一般多为蓄电池电压偏低，通信故障多是当地无线信号不稳，传感器故障多是安装不当，只有确定传感器安装、连线正常，故障又不能排除时，才考虑更换传感器，采集器故障多为采集器某路通道故障，通道故障时一般需要更换采集器，更换采集器时要及时通知中心站对采集器各参数重新设置。

针对DZN1野外式自动土壤水分观测仪的常见故障，不断总结经验，正确判断故障具体位置、故障原因，可以及时排除故障，保证土壤水分观测仪数据采集、上传的稳定，进一步提高工作质量。

参考文献
［1］上海长望气象科技有限公司.DZN1自动土壤水分观测仪硬件使用说明［Z］.2009.
［2］单欣伟，王国华，李洪，等.DZN1型自动土壤水分观测站传感器标定与日常维护［J］.现代农业科技，2012(17)：251.
［3］朱保美，周清.DZN1自动土壤水分观测仪及其维护与维修［J］.气象水文海洋仪器，2011(1)：124－128.。