土壤水分含量及其變化規律的監測是農業氣象生態環境及水文環境監測的基礎性工作之一， 土壤水分反映土壤的濕潤狀況，是農業氣象、生態環境以及水文監測的基礎性工作，也是農田干旱、情報預報的重要依據，掌握土壤水分變化規律，對農業灌溉、土壤墑情與農業干旱的監測預測及相關理論研究具有重要意義。農業氣象觀測是一個基礎性的氣象觀測項目。長期以來，我國的農業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、準確監測土壤水分的器具，具有十分重要的現實意義。
　　土壤水分記錄儀是中國氣象局大氣監測自動化系統項目一期工程中的一項內容，山東省土壤水分記錄儀，正是根據中國氣象局大氣監測自動化系統項目一期工程有關安排，自 2005 年 4 月起建設土壤水分自動監測系統。自動土壤水分采集系統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變化 ，更加適應了當前氣象事業發展的需要。
　　農業氣象觀測對象多是分散在自然狀態下，數據采樣點具有分散、周期差別大、市電供應困難 、設備安裝維護要求高、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業氣象觀測規范的要求，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，具有連續行、可比性和業務服務適用性，從而更好地發揮土壤水分自動觀測資料的應用價值和社會經濟效益，農業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，主要介紹農業自動觀測站的系統組成、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用 FDR 原理的土壤水分測量傳感器和總線式數據采集技術于一體的土壤水分自動化測量系統，其技術指標符合中國氣象局土壤水分觀測儀的設計要求。該系統由傳感器、采集器、通信接口和系統電源四部分組成，根據業務需要可配備微機，可顯示實時和整點土壤相對濕度、體積含水量、重量含水率、貯水量等動態變化曲線并自動生成標準數據文件。根據用戶需要，系統可進行擴展，數據采集器可擴展接入：風向、風速、溫度、濕度、氣壓、雨量、地溫等氣象傳感器。
　　該儀器可廣泛用應于氣象、生態、農業、地質災害等領域的探測與研究。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；野外式土壤水分觀測儀需在中心站安裝中心站監控軟件。設備組成見下圖：

　　2.1、 土壤水分傳感器
　　采用世界先進技術的頻域反射（FDR）土壤濕度傳感器，精密、可靠，耐用，無放射性污染源。傳感器使用環保材料制成，全密封，可長期埋設在地下任意深度連續測量。
　　SWS-406 土壤水分傳感器應用 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射器、接收器，微處理、探針等組成。高頻發射器、接收器、微處理密封在Ф40mm 長 130mm 防水室內，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。土壤內水分變化導致介電常數變化，土壤的體積含水率與介電常數存在函數關系。
　　2.2、 MDT-30 氣象數據采集器
　　MDT-30 氣象數據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 天的整點數據。
　　采集器是自動土壤水分測量系統的核心。其主要功能是完成各層土壤水分傳感器的采樣，對采樣數據進行控制運算、數據計算處理、數據質量控制、數據記錄存儲，實現數據通信和傳輸。采集器能夠具備自檢、自診斷功能，包括以下內容：電源電壓狀態監測；傳感器狀態監測；通信狀態監測等。
　　2.3、外圍設備
　　2.3.1 電源電源系統主要分為兩類：蓄電池為后備的市電供電系統和太陽能輔助充電的蓄電池供電系統。分別用于有市電和無市電的環境。
　　12 伏直流電壓是數據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，實現對采集器的監控、數據處理和存儲，按照《農業氣象觀測規范》要求完成土壤水分觀測業務。
　　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據傳輸。
　　2.4 軟件
　　2.4.1 采集軟件采集軟件支持采集器的數據采集、數據處理、數據存儲和數據傳輸功能。
　　2.4.2 臺站業務軟件業務軟件處理土壤水分觀測業務，是安裝在與土壤水分觀測儀相連接的微機中的應用軟件。
　　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 無線網絡的野外式臺站的數據收集、監控、管理、查詢等功能。
　　3 主要功能
　　3.1、數據采集該觀測儀實時自動采集土壤水分數據，每隔 1 分鐘讀取測量結果，每 10 個測量數據的算數平均作為該10分鐘的觀測值，每6個10分鐘觀測值的算術平均作為該小時觀測平均值。
　　3.2、數據處理以測量的土壤水分體積含水量為基礎，根據預先輸入的被測土壤參數，按照相關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、數據存儲內有標準 CF 卡（128M），存儲 60 天整點的測量數據和平均數據，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據，可通過顯示面板設置或修改日期和時鐘。
　　3.5、數據通訊觀測儀可通過串行通訊口接到上位終端機上，按照既定的通訊協議，上位機可以讀出觀測儀的測量數據和存儲數據；設置觀測儀所需的參數；設置觀測儀的通訊方式和自動發送數據的時間間隔；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據是否完整，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、當發現儀器故障時，應在值班日記詳細記錄，根據故障情況及時通知生產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、 現象：系統無法正常啟動檢查操作系統，如果操作系統故障，請重新安裝操作系統。
　　2、 現象：終端業務軟件死機首先，重新啟動計算機，檢查終端業務軟件是否正常，如果不正常，請重新安裝業務軟件。
　　5.1.2、硬件故障
　　1、現象：開機后電源指示燈不亮。
　　檢查電源插頭是否接觸牢固。
　　2、 現象：終端計算機無數據或通訊狀態異常。
　　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） 通過數據采集器上的顯示器檢查采集器時間是否正常、各層土壤觀測數據是否正常。檢查數據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據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，請與廠家聯系。
　　5.2 數據采集器故障現象：數據采集器顯示器不顯示或顯示數據故障。
　　檢查及處理步驟：
　　1、檢查數據采集器供電。拔下數據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，可判斷故障出現在電源部件，按照 4.4 的有關步驟檢查電源系統。
　　2、檢查數據采集器。關閉數據采集器上的電源開關，將數據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，檢查數據采集器是否恢復正常。如不正常，則可判斷數據采集器故障，更換。
　　3、其他部件損壞如果電壓不正常，可以從數據采集器的接口板上，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-腳之間電壓應在 0－1.2 伏之間， 根據環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 供電系統故障現象：終端業務軟件顯示電源電壓過低，低于 9V 或數據采集器無電壓。
　　檢查及處理步驟：
　　1、 檢查空氣開關。數據采集器的交流空氣開關是否閉合，如閉合，請打開。
　　2、 檢查交流輸入。數據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據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，使用蓄電池為數據采集器供電，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據采集器直流輸入端的直流電壓。
　　如電壓異常，可將數據采集器上的傳感器接線端子全部拔下，繼續測量。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據采集器，當電壓出現異常時，則可判斷該傳感器故障，更換。
　　5.5 GPRS 模塊故障
　　1、 現象：單一臺站網絡狀態為斷開，接收不到數據。
　　維修：首先，檢查該臺站是否欠費。然后查詢該臺站所在地區移動公司信號是否正常。最后到現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絡，可能是無線網絡信號不好，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，由管理員設置，這樣該臺站才能正常傳輸數據。
　　2、 故障現象：所有臺站網絡狀態為斷開，接收不到數據。
　　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，請及時與廠家聯系，由廠家派人現場解決。
　　6 結論與討論
　　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自然狀態下的土壤水分狀況。顯然，這種方法已經不能適應國民經濟建設和當前氣象改革發展的需求。自動化程度高的 DZN1 自動土壤水分觀測儀，正是為滿足生態環境監測和氣象業務發展的需求而研發的。
　　農業氣象自動站，是中國氣象局大氣監測自動化系統項目的一期工程，解決好當前存在的問題，認真對待，仔細評估，積累經驗，必能使農業氣象自動站很快走上健康、穩定的發展之路。DZN1 自動土壤水分觀測儀出現的故障，有些是臺站業務人員可以解決的，有些需要請技術專業人員進行解決，但不管出現任何故障，臺站人員首先應對故障現象進行分析，逐步檢查，準確判斷故障部位，用合理的方法排除故障，不能一出現設備故障，就請上級專業技術人員，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，再請專業技術人員的幫助，這種方法不僅適用于自動土壤水分采集系統，也同樣適用于其他采集系統。這樣臺站業務人員才能不斷總結經驗，提高自己的技術水平。