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)及雨雪天氣導致由太陽能供電的自動土壤水分觀測儀無法正常工作，造成土壤水分觀測數(shù)據(jù)的缺測。唐山土壤水分觀測站電壓監(jiān)控系統(tǒng)利用上傳到省局中心站數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)信息（即蓄電池電壓值），對設備蓄電池電壓變化趨勢進行實時監(jiān)控，在電壓達到停機臨界值時給裝備保障人員和臺站觀測人員發(fā)送報警信息，提示其做好蓄電池的維護保養(yǎng)工作，保障設備連續(xù)正常運行。

關鍵詞 GStar-I（DZN2）；土壤水分；觀測站；電壓監(jiān)控；河北唐山

中圖分類號 S152.7 文獻標識碼 A 文章編號 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、轉化及消耗過程中有重要作用，是土壤內部化學、生物和物理過程不可缺少的介質，是土壤肥力的重要因素。因此，掌握土壤水分變化規(guī)律，對農業(yè)生產實時服務和理論研究都具有重要意義[1]。目前，我國氣象部門在各省級部門都建設了自動土壤水分觀測網(wǎng)絡，能提供實時土壤水分觀測服務，其中GStar-I（DZN2）型自動土壤水分觀測儀布設2 000余套，多數(shù)儀器通過數(shù)據(jù)驗收，投入業(yè)務運行[2]。自動土壤水分觀測儀使用以來，較之原來的稱重烘干的測定方法，縮短了土壤水分的測定時間，減輕了業(yè)務人員的工作強度，達到了定點觀測土壤水分的連續(xù)變化，滿足了生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和氣象業(yè)務發(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）型自動土壤水分觀測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，蓄電池無法正常充電[3-4]，導致蓄電池虧電、設備無法正常工作的情況發(fā)生。自動土壤水分觀測系統(tǒng)客戶端軟件SoilMoisture沒有提供設備電壓實時監(jiān)測功能，只有在設備蓄電池發(fā)生虧電停機之后才能發(fā)現(xiàn)故障，臺站觀測人員在得到省局實時監(jiān)控設備故障通知后前去維修，往往造成數(shù)據(jù)缺測數(shù)小時。為解決此問題，開發(fā)了唐山土壤水分觀測站電壓監(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）對設備蓄電池電壓變化趨勢進行實時監(jiān)控，在電壓達到停機臨界值時給裝備保障人員和臺站觀測人員發(fā)送報警信息，提示其做好蓄電池的維護保養(yǎng)工作，保障設備連續(xù)正常運行。

1 土壤水分站工作原理

土壤水分監(jiān)測儀是集電容傳感器技術、單片機技術和計算機數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡技術于一體的智能儀器。土壤水分監(jiān)測儀由探測器、采集器和計算機管理3個部分組成[5]。系統(tǒng)結構如圖1所示。

基于FDR（frequency domain reflectometry）頻域反射原理的土壤水分觀測儀即利用LC電路的振蕩，根據(jù)電磁波在不同介質中振蕩頻率的變化來測定介質的相對介電常數(shù)，進而通過一定的對應關系反演土壤水分狀況。FDR土壤水分傳感器由上、下2個圓環(huán)狀極板構成一個LC振蕩回路（圖2），傳感器工作時可產生高頻振蕩電場，土壤含水量的變化引起圓環(huán)電容周圍介質的介電特性變化，圓環(huán)電容傳感器感應的土壤電容值就會改變，從而引起LC振蕩器的振蕩頻率變化，傳感器把測得的高頻信號變換后即可得到土壤含水量[6]。GStar-I（DZN2）型自動土壤水分觀測儀即利用FDR原理，以電容式傳感器為基礎，由數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示等部分構成，測量時傳感器的電容振蕩頻率信號由數(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）型自動土壤水分觀測儀是以省為單位進行組網(wǎng)建設，單個土壤水分觀測站的數(shù)據(jù)通過有線或無線網(wǎng)絡自動傳輸，在省級氣象部門建設土壤水分中心站服務器，負責全省土壤水分數(shù)據(jù)的接收和處理，并將土壤水分數(shù)據(jù)報文定時向國家級數(shù)據(jù)中心上傳。

2 系統(tǒng)設計

2.1 設計思路

唐山土壤水分觀測站電壓監(jiān)控系統(tǒng)設計分為數(shù)據(jù)獲取、業(yè)務邏輯和監(jiān)控顯示3個部分[7-8]。首先提取被監(jiān)測站點的基本信息，然后按站點逐一提取過去24個整點時次的設備電壓值，將時間和電壓信息填入對應已初始化好的數(shù)組，其中電壓初始化為負值，最后對電壓值進行判斷，負值表示缺測，正常電壓和低電壓分別以綠色和紅色進行顯示，并對用戶進行提醒。系統(tǒng)流程如圖3所示。

2.2 中心站數(shù)據(jù)庫

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

2.3 數(shù)據(jù)的提取

按照預設的土壤水分站監(jiān)測列表，讀取在給定時段范圍內的數(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)務邏輯設計

首先初始化預設數(shù)組，填充數(shù)據(jù)時間，并將電壓值預設為負值。將從數(shù)據(jù)庫查詢出數(shù)據(jù)的時間與預填充時間進行比較，時間一致時將電壓值填入對應數(shù)組，否則電壓保持為負值。

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；//計算缺報時次

//將電壓數(shù)據(jù)按照時次填入數(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)控顯示設計

程序界面以柱形圖的形式顯示過去24 h內的設備電壓情況，每1 h 1個數(shù)據(jù)，當電壓低于安全電壓時，柱形圖顯示為紅色；電壓高于安全電壓時，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，（下轉第203頁）

（上接第200頁）

inttostr（23-i），c）；

end；

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 電壓監(jiān)控

系統(tǒng)運行后將以柱形圖的方式顯示預設區(qū)站號過去24 h的電壓變化趨勢，并可實時刷新。單站用戶可修改默認臺站，運行后直接顯示本站數(shù)據(jù)。市級用戶可用下拉選擇站點更改要查詢的站點數(shù)據(jù)情況。綠色柱形為正常，紅色柱形表示該小時值已低于12.0 V安全電壓，如短時間內太陽能供電情況得不到改善，電池電壓仍持續(xù)下降，應及時前往觀測現(xiàn)場更換備份電池。如正常電壓下突然無數(shù)據(jù)，也可能為設備損壞或丟失，也應立即查看。電壓監(jiān)控界面如圖4所示。

3.2 數(shù)據(jù)缺測報警

當土壤水分站電壓低于12.0 V安全電壓或過去24 h內本站缺報，則系統(tǒng)彈出報警對話框，同時計算機發(fā)出警報聲音，提醒用戶及時處理；另外，通過COM端口調用手機模塊向發(fā)生錯誤數(shù)據(jù)的臺站值班人員發(fā)送1條手機提醒短信。SMS短信發(fā)送的是通過AT指令控制短信模塊來實現(xiàn)。

4 結語

唐山土壤水分觀測站電壓監(jiān)控系統(tǒng)解決了土壤自動站電壓運行監(jiān)控問題，對蓄電池電壓的連續(xù)變化趨勢實現(xiàn)了實時監(jiān)控，并可對蓄電池電壓低于臨界值、土壤站數(shù)據(jù)缺測情況進行平臺及短信報警。FusionCharts插件的運用使用戶界面更加直觀，并且由于其生成的是HTML頁面，為本系統(tǒng)升級為網(wǎng)絡版本提供了擴展空間。本系統(tǒng)的使用，幫助唐山市裝備保障人員及臺站值班員對多起因連續(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行及時處置，可避免設備故障的發(fā)生，并保障自動土壤水分自動站設備的連續(xù)正常運行。

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