土壤水分含量及其變化規(guī)律的監(jiān)測是農(nóng)業(yè)氣象生態(tài)環(huán)境及水文環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)性工作之一， 土壤水分反映土壤的濕潤狀況，是農(nóng)業(yè)氣象、生態(tài)環(huán)境以及水文監(jiān)測的基礎(chǔ)性工作，也是農(nóng)田干旱、情報預報的重要依據(jù)，掌握土壤水分變化規(guī)律，對農(nóng)業(yè)灌溉、土壤墑情與農(nóng)業(yè)干旱的監(jiān)測預測及相關(guān)理論研究具有重要意義。農(nóng)業(yè)氣象觀測是一個基礎(chǔ)性的氣象觀測項目。長期以來，我國的農(nóng)業(yè)氣象觀測主要是以人工目測和簡單器測為主，基本無自動化觀測手段，遠落后于一般地面氣象要素觀測，目前，廣大臺站普遍采取的方法是稱重烘干法。因此，在實際工作中具有省時、省力、準確監(jiān)測土壤水分的器具，具有十分重要的現(xiàn)實意義。
　　土壤水分記錄儀是中國氣象局大氣監(jiān)測自動化系統(tǒng)項目一期工程中的一項內(nèi)容，山東省土壤水分記錄儀，正是根據(jù)中國氣象局大氣監(jiān)測自動化系統(tǒng)項目一期工程有關(guān)安排，自 2005 年 4 月起建設(shè)土壤水分自動監(jiān)測系統(tǒng)。自動土壤水分采集系統(tǒng)在廣大臺站使用以來，簡化了原有的稱重烘干的測定方法，使土壤水分的測定時間縮短，人工強度減小，最重要的是達到了定點觀測土壤水分的連續(xù)變化 ，更加適應(yīng)了當前氣象事業(yè)發(fā)展的需要。
　　農(nóng)業(yè)氣象觀測對象多是分散在自然狀態(tài)下，數(shù)據(jù)采樣點具有分散、周期差別大、市電供應(yīng)困難 、設(shè)備安裝維護要求高、安全防范要求嚴等特點，為了使開展土壤水分自動觀測與人工觀測對比和評估達到農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范的要求，使土壤水分自動觀測資料更為客觀準確，并與目前通用的土壤水分人工觀測資料相銜接，具有連續(xù)行、可比性和業(yè)務(wù)服務(wù)適用性，從而更好地發(fā)揮土壤水分自動觀測資料的應(yīng)用價值和社會經(jīng)濟效益，農(nóng)業(yè)氣象自動觀測站的維護與維修更加重要。以下以 DZN1 自動土壤水分觀測儀為例，主要介紹農(nóng)業(yè)自動觀測站的系統(tǒng)組成、主要功能和日常維護與維修需要注意的問題。
　　1 概述DZN1
　　自動土壤水分觀測儀是應(yīng)用 FDR 原理的土壤水分測量傳感器和總線式數(shù)據(jù)采集技術(shù)于一體的土壤水分自動化測量系統(tǒng)，其技術(shù)指標符合中國氣象局土壤水分觀測儀的設(shè)計要求。該系統(tǒng)由傳感器、采集器、通信接口和系統(tǒng)電源四部分組成，根據(jù)業(yè)務(wù)需要可配備微機，可顯示實時和整點土壤相對濕度、體積含水量、重量含水率、貯水量等動態(tài)變化曲線并自動生成標準數(shù)據(jù)文件。根據(jù)用戶需要，系統(tǒng)可進行擴展，數(shù)據(jù)采集器可擴展接入：風向、風速、溫度、濕度、氣壓、雨量、地溫等氣象傳感器。
　　該儀器可廣泛用應(yīng)于氣象、生態(tài)、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)災(zāi)害等領(lǐng)域的探測與研究。該儀器按照實際安裝地點可分為：固定地段型（臺站式）、作物地段型（野外式）、輔助地段（便攜式）等三種。
　　2 系統(tǒng)組成
　　自動土壤水分觀測儀由硬件和軟件組成。
　　硬件包括：傳感器、采集器和外圍設(shè)備等三部分。軟件包括采集軟件和計算機軟件二種。其中：臺站式土壤水分觀測儀的計算機軟件安裝在觀測室的計算機內(nèi)；野外式土壤水分觀測儀需在中心站安裝中心站監(jiān)控軟件。設(shè)備組成見下圖：

　　2.1、 土壤水分傳感器
　　采用世界先進技術(shù)的頻域反射（FDR）土壤濕度傳感器，精密、可靠，耐用，無放射性污染源。傳感器使用環(huán)保材料制成，全密封，可長期埋設(shè)在地下任意深度連續(xù)測量。
　　SWS-406 土壤水分傳感器應(yīng)用 FDR 原理，可直接測量土壤體積含水量。
　　SWS-406 土壤水分傳感器由高頻發(fā)射器、接收器，微處理、探針等組成。高頻發(fā)射器、接收器、微處理密封在Ф40mm 長 130mm 防水室內(nèi)，4 個長 60mm 不銹鋼探針與之固定相連。
　　不銹鋼探針直接插入土壤。傳感器尾部的電纜線用于為傳感器提供電源及輸出模擬信號。
　　其工作原理是：采用 FDR 原理測量土壤介電常數(shù)。土壤內(nèi)水分變化導致介電常數(shù)變化，土壤的體積含水率與介電常數(shù)存在函數(shù)關(guān)系。
　　2.2、 MDT-30 氣象數(shù)據(jù)采集器
　　MDT-30 氣象數(shù)據(jù)采集器以高速微處理器作 CPU，外圍包括精確的時鐘器件、16 位 A/D轉(zhuǎn)換器件、128MB 標準 CF 卡、耐低溫液晶顯示器和信號防雷接口等。具有 RS-232/RS-485兩個標準通訊口。存儲 60 天的整點數(shù)據(jù)。
　　采集器是自動土壤水分測量系統(tǒng)的核心。其主要功能是完成各層土壤水分傳感器的采樣，對采樣數(shù)據(jù)進行控制運算、數(shù)據(jù)計算處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)記錄存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和傳輸。采集器能夠具備自檢、自診斷功能，包括以下內(nèi)容：電源電壓狀態(tài)監(jiān)測；傳感器狀態(tài)監(jiān)測；通信狀態(tài)監(jiān)測等。
　　2.3、外圍設(shè)備
　　2.3.1 電源電源系統(tǒng)主要分為兩類：蓄電池為后備的市電供電系統(tǒng)和太陽能輔助充電的蓄電池供電系統(tǒng)。分別用于有市電和無市電的環(huán)境。
　　12 伏直流電壓是數(shù)據(jù)采集器的基本工作電壓，采集器中其他直流工作電壓由此轉(zhuǎn)換而成。
　　2.3.2 計算機即微型計算機，用作臺站式的終端，實現(xiàn)對采集器的監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理和存儲，按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》要求完成土壤水分觀測業(yè)務(wù)。
　　2.3.3 GPRS 無線傳輸模塊用于野外式自動土壤水分觀測儀的無線數(shù)據(jù)傳輸。
　　2.4 軟件
　　2.4.1 采集軟件采集軟件支持采集器的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸功能。
　　2.4.2 臺站業(yè)務(wù)軟件業(yè)務(wù)軟件處理土壤水分觀測業(yè)務(wù)，是安裝在與土壤水分觀測儀相連接的微機中的應(yīng)用軟件。
　　2.4.3 GPRS 中心站軟件中心站軟件安裝省氣象臺或者信息中心，用于基于 GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)的野外式臺站的數(shù)據(jù)收集、監(jiān)控、管理、查詢等功能。
　　3 主要功能
　　3.1、數(shù)據(jù)采集該觀測儀實時自動采集土壤水分數(shù)據(jù)，每隔 1 分鐘讀取測量結(jié)果，每 10 個測量數(shù)據(jù)的算數(shù)平均作為該10分鐘的觀測值，每6個10分鐘觀測值的算術(shù)平均作為該小時觀測平均值。
　　3.2、數(shù)據(jù)處理以測量的土壤水分體積含水量為基礎(chǔ)，根據(jù)預先輸入的被測土壤參數(shù)，按照相關(guān)公式計算出土壤重量含水率、相對濕度、土壤水分有效貯存量。
　　3.3、數(shù)據(jù)存儲內(nèi)有標準 CF 卡（128M），存儲 60 天整點的測量數(shù)據(jù)和平均數(shù)據(jù)，以備隨時查詢。
　　3.4、顯示及鍵控從顯示器上可以直接讀取當前采集數(shù)據(jù)，可通過顯示面板設(shè)置或修改日期和時鐘。
　　3.5、數(shù)據(jù)通訊觀測儀可通過串行通訊口接到上位終端機上，按照既定的通訊協(xié)議，上位機可以讀出觀測儀的測量數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)；設(shè)置觀測儀所需的參數(shù)；設(shè)置觀測儀的通訊方式和自動發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔；為觀測儀對時等。
　　4 日常維護
　　1、每日在 08 時或沙塵暴、強雷暴、大風、暴雨等惡劣天氣后巡視儀器，檢查儀器（設(shè)備和計算機）供電是否正常、傳感器工作是否正常、通訊是否正常。
　　2、每天定時通過自動土壤水分觀測儀計算機終端檢查前一天采集數(shù)據(jù)是否完整，如有缺測及時手動補要。
　　3、定期檢查電纜與傳感器及采集器連接是否有松動現(xiàn)象；每年定期檢查電纜是否損傷、老化。
　　4、建立專用值班工作日記，每日填寫，認真記錄上述檢查處理的情況。
　　5、當發(fā)現(xiàn)儀器故障時，應(yīng)在值班日記詳細記錄，根據(jù)故障情況及時通知生產(chǎn)廠家進行必要的處理。
　　5 故障判斷及維修
　　5.1 計算機終端故障
　　5.1.1、軟件故障
　　1、 現(xiàn)象：系統(tǒng)無法正常啟動檢查操作系統(tǒng)，如果操作系統(tǒng)故障，請重新安裝操作系統(tǒng)。
　　2、 現(xiàn)象：終端業(yè)務(wù)軟件死機首先，重新啟動計算機，檢查終端業(yè)務(wù)軟件是否正常，如果不正常，請重新安裝業(yè)務(wù)軟件。
　　5.1.2、硬件故障
　　1、現(xiàn)象：開機后電源指示燈不亮。
　　檢查電源插頭是否接觸牢固。
　　2、 現(xiàn)象：終端計算機無數(shù)據(jù)或通訊狀態(tài)異常。
　　檢查及處理步驟：
　　1） 檢查終端計算機是否死機，檢查終端計算機通訊端口上連接的通訊模塊是否脫落，通訊模塊上連接的通訊電纜是否脫落。
　　2） 通過數(shù)據(jù)采集器上的顯示器檢查采集器時間是否正常、各層土壤觀測數(shù)據(jù)是否正常。檢查數(shù)據(jù)采集器上的通訊電纜是否連接正常。
　　3） 檢查終端計算機至數(shù)據(jù)采集器之間的通訊電纜是否正常。
　　4） 更換終端計算機通訊端口上連接的通訊模塊。
　　5） 如以上均正常，請與廠家聯(lián)系。
　　5.2 數(shù)據(jù)采集器故障現(xiàn)象：數(shù)據(jù)采集器顯示器不顯示或顯示數(shù)據(jù)故障。
　　檢查及處理步驟：
　　1、檢查數(shù)據(jù)采集器供電。拔下數(shù)據(jù)采集器上的電源輸入端子，使用萬用表直流電壓檔測量該電源輸入端子的直流電壓是否正常， 正常電壓范圍 10－15 伏。如果為 0，可判斷故障出現(xiàn)在電源部件，按照 4.4 的有關(guān)步驟檢查電源系統(tǒng)。
　　2、檢查數(shù)據(jù)采集器。關(guān)閉數(shù)據(jù)采集器上的電源開關(guān)，將數(shù)據(jù)采集器上的接線端子除電源外全部拔下，然后打開電源開關(guān)，檢查數(shù)據(jù)采集器是否恢復正常。如不正常，則可判斷數(shù)據(jù)采集器故障，更換。
　　3、其他部件損壞如果電壓不正常，可以從數(shù)據(jù)采集器的接口板上，將各傳感器端子、通訊電纜端子等接線端子逐個拔下，使用萬用表監(jiān)視直流電源電壓，看電壓是否恢復正常，如果恢復正常，則最近被拔下的外部部件（傳感器等）損壞，需更換。
　　5.3 傳感器故障檢查（帶電測量）
　　1、在采集器上找到相應(yīng)的傳感器，將傳感器接線端子中的+腳與-腳自采集器接線端子上擰下。
　　2、用萬用表 DC電壓 2V 檔測量電纜接線端子+腳與-腳之間電壓應(yīng)在 0－1.2 伏之間， 根據(jù)環(huán)境判定傳感器是否正常。
　　3、檢查傳感器接線端子是否松脫。
　　4、如果傳感器故障，更換傳感器。
　　5.4 供電系統(tǒng)故障現(xiàn)象：終端業(yè)務(wù)軟件顯示電源電壓過低，低于 9V 或數(shù)據(jù)采集器無電壓。
　　檢查及處理步驟：
　　1、 檢查空氣開關(guān)。數(shù)據(jù)采集器的交流空氣開關(guān)是否閉合，如閉合，請打開。
　　2、 檢查交流輸入。數(shù)據(jù)采集器的交流輸入電纜是否連接正常。如連接正常，可使用萬用表交流檔或電筆測量是否有交流輸入。
　　3、 檢查電源變換器。如交流輸入正常，請將蓄電池正負極的接線叉子取下，然后使用萬用表直流電壓檔測量數(shù)據(jù)采集器的直流輸入端電壓，是否正常。如果無電壓輸出，則可判斷電源變化器故障，更換。
　　4、 檢查蓄電池。將蓄電池正負極的接線叉子取下，然后使用萬用表直流電壓檔測量蓄電池兩端的直流電壓，是否正常（10V 以上）。如果電壓偏小，連接蓄電池正負極的接線叉子，使用電源變換器充電，充電 10 小時以上，斷開空氣開關(guān)，使用蓄電池為數(shù)據(jù)采集器供電，測量蓄電池正負極的電壓是否正常。如果電壓低于10V，則可判斷蓄電池故障，更換。
　　5、 檢查各傳感器。使用萬用表直流電壓檔測量數(shù)據(jù)采集器直流輸入端的直流電壓。
　　如電壓異常，可將數(shù)據(jù)采集器上的傳感器接線端子全部拔下，繼續(xù)測量。如電壓正常，則可判斷有傳感器故障。將傳感器的接線端子逐個插入數(shù)據(jù)采集器，當電壓出現(xiàn)異常時，則可判斷該傳感器故障，更換。
　　5.5 GPRS 模塊故障
　　1、 現(xiàn)象：單一臺站網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為斷開，接收不到數(shù)據(jù)。
　　維修：首先，檢查該臺站是否欠費。然后查詢該臺站所在地區(qū)移動公司信號是否正常。最后到現(xiàn)場檢查無線傳輸模塊指示燈。
　　如果為常亮紅燈，則表明無線傳輸模塊工作正常，可能為子站的儀器故障。
　　如果為綠燈，并閃爍，則表明無線傳輸模塊正在尋找網(wǎng)絡(luò)，可能是無線網(wǎng)絡(luò)信號不好，簡單辦法是使用手機放在天線處檢查一下，或者將天線換個位置，再重新帶電。
　　如果指示燈不亮，檢查無線傳輸模塊的輸入電源是否正常。電源端子為耳機插孔式，孔內(nèi)為電源正端，孔外為電源負端。如果電源正常，則可能是無線傳輸模塊故障，需要更換模塊。
　　特別注意：更換新的模塊時，一定要使用原來模塊內(nèi)的手機卡，該手機卡的 SIM 卡號碼用于外站的身份識別，如果更換的手機卡，要將更改后的手機卡的 SIM 卡號碼通知中心站管理員，由管理員設(shè)置，這樣該臺站才能正常傳輸數(shù)據(jù)。
　　2、 故障現(xiàn)象：所有臺站網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為斷開，接收不到數(shù)據(jù)。
　　維修：問題可能出在中心站。首先，檢查軟件是否正常，可以重新啟動中心站軟件。然后，檢查移動專線是否接插正常。最后，查詢移動公司，是否欠費或其他原因。
　　5.6 雷擊、短路等特大故障如出現(xiàn)雷擊、短路等特大故障，可明顯觀察到器件有損壞或電擊損毀，請及時與廠家聯(lián)系，由廠家派人現(xiàn)場解決。
　　6 結(jié)論與討論
　　目前廣大臺站普遍采用土鉆烘干法，此測定方法比較簡單，缺點是測定時間長、勞動強度大、破壞性大，且不能定點觀測土壤水分的連續(xù)變化，再者，測墑地段多與作物觀測地段合二為一，其資料并不能真實反映一個地區(qū)自然狀態(tài)下的土壤水分狀況。顯然，這種方法已經(jīng)不能適應(yīng)國民經(jīng)濟建設(shè)和當前氣象改革發(fā)展的需求。自動化程度高的 DZN1 自動土壤水分觀測儀，正是為滿足生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和氣象業(yè)務(wù)發(fā)展的需求而研發(fā)的。
　　農(nóng)業(yè)氣象自動站，是中國氣象局大氣監(jiān)測自動化系統(tǒng)項目的一期工程，解決好當前存在的問題，認真對待，仔細評估，積累經(jīng)驗，必能使農(nóng)業(yè)氣象自動站很快走上健康、穩(wěn)定的發(fā)展之路。DZN1 自動土壤水分觀測儀出現(xiàn)的故障，有些是臺站業(yè)務(wù)人員可以解決的，有些需要請技術(shù)專業(yè)人員進行解決，但不管出現(xiàn)任何故障，臺站人員首先應(yīng)對故障現(xiàn)象進行分析，逐步檢查，準確判斷故障部位，用合理的方法排除故障，不能一出現(xiàn)設(shè)備故障，就請上級專業(yè)技術(shù)人員，而不敢自己動手檢查、分析原因、排除故障。如果真的無法判斷和排除故障，再請專業(yè)技術(shù)人員的幫助，這種方法不僅適用于自動土壤水分采集系統(tǒng)，也同樣適用于其他采集系統(tǒng)。這樣臺站業(yè)務(wù)人員才能不斷總結(jié)經(jīng)驗，提高自己的技術(shù)水平。