唐山市土壤水分观测站电压监控系统研究

司方坤++甄树勇++刘光河

摘要 京津冀地区逐渐增多的雾霾天数及雨雪天气导致由太阳能供电的自动土壤水分观测仪无法正常工作，造成土壤水分观测数据的缺测。唐山土壤水分观测站电压监控系统利用上传到省局中心站数据库的状态信息（即蓄电池电压值），对设备蓄电池电压变化趋势进行实时监控，在电压达到停机临界值时给装备保障人员和台站观测人员发送报警信息，提示其做好蓄电池的维护保养工作，保障设备连续正常运行。

关键词 GStar-I（DZN2）；土壤水分；观测站；电压监控；河北唐山

中图分类号 S152.7 文献标识码 A 文章编号 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

土壤水分是一項重要的土壤物理参数，是联系地表水与地下水的纽带，在水资源的形成、转化及消耗过程中有重要作用，是土壤内部化学、生物和物理过程不可缺少的介质，是土壤肥力的重要因素。因此，掌握土壤水分变化规律，对农业生产实时服务和理论研究都具有重要意义[1]。目前，我国气象部门在各省级部门都建设了自动土壤水分观测网络，能提供实时土壤水分观测服务，其中GStar-I（DZN2）型自动土壤水分观测仪布设2 000余套，多数仪器通过数据验收，投入业务运行[2]。自动土壤水分观测仪使用以来，较之原来的称重烘干的测定方法，缩短了土壤水分的测定时间，减轻了业务人员的工作强度，达到了定点观测土壤水分的连续变化，满足了生态环境监测和气象业务发展的需求。

近年来，京津冀地区雾霾天数逐渐增多，加之雨雪天气等原因，寡照日数逐渐增多。由于GStar-I（DZN2）型自动土壤水分观测仪采用太阳能充电蓄电池作为电源，受连续出现的雾霾、雨雪天气的影响，蓄电池无法正常充电[3-4]，导致蓄电池亏电、设备无法正常工作的情况发生。自动土壤水分观测系统客户端软件SoilMoisture没有提供设备电压实时监测功能，只有在设备蓄电池发生亏电停机之后才能发现故障，台站观测人员在得到省局实时监控设备故障通知后前去维修，往往造成数据缺测数小时。为解决此问题，开发了唐山土壤水分观测站电压监控系统，利用上传到中心站的状态信息（即蓄电池电压值）对设备蓄电池电压变化趋势进行实时监控，在电压达到停机临界值时给装备保障人员和台站观测人员发送报警信息，提示其做好蓄电池的维护保养工作，保障设备连续正常运行。

1 土壤水分站工作原理

土壤水分监测仪是集电容传感器技术、单片机技术和计算机数据通信和网络技术于一体的智能仪器。土壤水分监测仪由探测器、采集器和计算机管理3个部分组成[5]。系统结构如图1所示。

基于FDR（frequency domain reflectometry）频域反射原理的土壤水分观测仪即利用LC电路的振荡，根据电磁波在不同介质中振荡频率的变化来测定介质的相对介电常数，进而通过一定的对应关系反演土壤水分状况。FDR土壤水分传感器由上、下2个圆环状极板构成一个LC振荡回路（图2），传感器工作时可产生高频振荡电场，土壤含水量的变化引起圆环电容周围介质的介电特性变化，圆环电容传感器感应的土壤电容值就会改变，从而引起LC振荡器的振荡频率变化，传感器把测得的高频信号变换后即可得到土壤含水量[6]。GStar-I（DZN2）型自动土壤水分观测仪即利用FDR原理，以电容式传感器为基础，由数据采集、传输、显示等部分构成，测量时传感器的电容振荡频率信号由数据处理软件经过一定的算法反演出土壤含水量。

GStar-I（DZN2）型自动土壤水分观测仪是以省为单位进行组网建设，单个土壤水分观测站的数据通过有线或无线网络自动传输，在省级气象部门建设土壤水分中心站服務器，负责全省土壤水分数据的接收和处理，并将土壤水分数据报文定时向国家级数据中心上传。

2 系统设计

2.1 设计思路

唐山土壤水分观测站电压监控系统设计分为数据获取、业务逻辑和监控显示3个部分[7-8]。首先提取被监测站点的基本信息，然后按站点逐一提取过去24个整点时次的设备电压值，将时间和电压信息填入对应已初始化好的数组，其中电压初始化为负值，最后对电压值进行判断，负值表示缺测，正常电压和低电压分别以绿色和红色进行显示，并对用户进行提醒。系统流程如图3所示。

2.2 中心站数据库

本系统的数据来源为中心站数据库，数据库采用微软公司的SQL Server 2008数据管理开发平台，它是一种广泛使用的数据库系统，具有强大的数据存储和管理能力[9-10]。数据库库名为SoilMoisture，采用的是一站一表的形式，区站号即为表名，存储各土壤站实时上传的整点数据。提取出2个字段分别是ObservTime和Voltage（表1）。

2.3 数据的提取

按照预设的土壤水分站监测列表，读取在给定时段范围内的数据。以下为单站数据提取程序代码：

with ADOQuery1 do

begin

Close；

Sql.Clear；

//从数据库中提取单站数据

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 业务逻辑设计

首先初始化预设数组，填充数据时间，并将电压值预设为负值。将从数据库查询出数据的时间与预填充时间进行比较，时间一致时将电压值填入对应数组，否则电压保持为负值。

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；//计算缺报时次

//将电压数据按照时次填入数组

for i：=0 to 23 do

begin

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

FormatDateTime（′yyyymmddhh′，FieldByName（′ObservTime′）.AsDateTime）then

begin

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

Next；

end；

end；

end；

2.5 监控显示设计

程序界面以柱形图的形式显示过去24 h内的设备电压情况，每1 h 1个数据，当电压低于安全电压时，柱形图显示为红色；电压高于安全电压时，柱形图显示为绿色。

//将电压数据显示出来

for i：=0 to 23 do

begin

if gSoilInfo.Voltages[i].Voltage<12 then //低于12V电压显示为红色

c：= clRed

else

c：= clGreen； //正常电压显示为绿色

Chart1.Series[0].AddXY（i，gSoilInfo.Voltages[i].Voltage，（下转第203页）

（上接第200页）

inttostr（23-i），c）；

end；

3 系统实现

3.1 电压监控

系统运行后将以柱形图的方式显示预设区站号过去24 h的电压变化趋势，并可实时刷新。单站用户可修改默认台站，运行后直接显示本站数据。市级用户可用下拉选择站点更改要查询的站点数据情况。绿色柱形为正常，红色柱形表示该小时值已低于12.0 V安全电压，如短时间内太阳能供电情况得不到改善，电池电压仍持续下降，应及时前往观测现场更换备份电池。如正常电压下突然无数据，也可能为设备损坏或丢失，也应立即查看。电压监控界面如图4所示。

3.2 数据缺测报警

当土壤水分站电压低于12.0 V安全电压或过去24 h内本站缺报，则系统弹出报警对话框，同时计算机发出警报声音，提醒用户及时处理；另外，通过COM端口调用手机模块向发生错误数据的台站值班人员发送1条手机提醒短信。SMS短信发送的是通过AT指令控制短信模块来实现。

4 结语

唐山土壤水分观测站电压监控系统解决了土壤自动站电压运行监控问题，对蓄电池电压的连续变化趋势实现了实时监控，并可对蓄电池电压低于临界值、土壤站数据缺测情况进行平台及短信报警。FusionCharts插件的运用使用户界面更加直观，并且由于其生成的是HTML页面，为本系统升级为网络版本提供了扩展空间。本系统的使用，帮助唐山市装备保障人员及台站值班员对多起因连续雾霾天气、雨雪天气引起的蓄电池充电不足、蓄电池电量即将耗尽情况进行及时处置，可避免设备故障的发生，并保障自动土壤水分自动站设备的连续正常运行。

5 参考文献

[1] 成林，杨光仙，陈海波，等.烘干称重法测定土壤水分取样误差分析[J].气象与环境科学，2009，32（2）：33-36.

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[3] 余兴国，行鸿彦，季鑫源.自动气象站光伏控制器的设计[J].现代电子技术，2012，35（8）：188-191.

[4] 郝华丽，刘文富.太阳能电池效率的影响因素分析[J].现代电子技术，2015，38（12）：156-158.

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[6] 陈海波，冶林茂，薛龙琴，等.GStar-I（DZN2）型自动土壤水分观测仪的维护方法及常見故障解析[J].气象与环境科学，2011，34（增刊1）：178-181.

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[10] 崔娜.面向数据库性能的SQL语句解析与翻译[J].现代电子技术，2016，39（11）：99-102.