智能水產養殖系統設備故障診斷與排除

劉玉潔，唐升，郎波，姜源，曾范茂

（珠海城市職業技術學院，廣東珠海，519090）

0 引言

水產養殖正在成為人類食物生產的重要領域。我國是世界水產養殖業大國，總產量占世界水產養殖產量的70%以上。傳統水產養殖業采用大量消耗資源和粗放式經營的方式，在養殖過程中缺乏對水質環境的有效監控，養殖戶會進行不合理投喂和用藥，極大地惡化了水質環境，加劇水產品病害的發生，產生了水產品質量安全、水環境污染等一系列問題，這些問題都倒逼水產養殖業必須實現“數智化”轉型升級[1]。廣東省農業農村廳印發的《廣東數字農業農村發展行動計劃（2020-2025 年）》的通知中指出要推進智慧水產養殖，構建基于物聯網的水產養殖生產和管理系統，推進水體環境實時監控、餌料精準投喂、病害監測預警等數字技術裝備普及應用，發展數字漁場，建設數字漁業園區。本文羅列出智能水產養殖系統易發故障點，并闡述故障診斷與排查思路，為從事智慧水產養殖工作的工程人員提供技術參考。

1 系統概述

智能水產養殖系統一般由安放于養殖魚塘的前端管控主機、傳感器、控制設備、攝像頭，以及安放于后臺的服務器，還有養殖人員手機組成[2]。其結構如圖1 所示。普遍采用農業物聯網的4 層架構體系，即感知層、傳輸層、處理層和應用層，如圖2 所示。

圖1 智能水產養殖系統總體框圖

圖2 典型的智能水產養殖系統架構

感知層由安裝于魚塘的傳感器和控制設備組成，包括溫度、溶氧量、pH 值等傳感器，還有用于控制增氧機、抽水泵、自動投料機等。養殖戶還可以通過手機進行遠程的控制，如開啟增氧機加氧、開啟抽水泵換水等，當然也可以手動在魚塘采集控制器上進行現場控制。

系統中考慮到每個養殖戶一般會有多口魚塘同時養殖，便于分類養殖和一定時間后分塘，因此把魚塘定義為一個獨立模型并采用一個采集控制器采集及控制魚塘的各類傳感器和對應的增壓機、投料機等設備。

傳輸層把感知層獲取的數據快速、安全、可靠地遠距離傳送到控制中心。本系統在養殖戶處設置一臺通信主機，利用移動通信數據網絡將感知層的數據傳輸到服務器，將用戶的控制指令發送到魚塘采集控制器并驅動各功能裝置。通信主機采用RS-485 總線連接多口魚塘采集控制器，采用該總線技術的好處是比無線通信可靠，一臺主機可以連接多個魚塘采集控制器，管理養殖戶的多口魚塘，而且RS-485 總線連接組網方便。

處理層是指利用數據融合、機器學習等方法對數據進行預處理，并根據預測模型對水質的變化做出判斷。

應用層是農業物聯網體系的最高層，服務器收集到感知層的數據進行后臺分析，可以判斷具體魚塘的水質環境、含氧量等，結合后臺設置的參數，對魚塘水產養殖的條件作出判斷，可以將綜合處理后的數據發送到養殖戶的手機和專家的終端，讓養殖戶能實時的定量了解魚塘的狀況，讓專家能根據魚塘的數據對養殖戶進行指導。服務器可以根據專家系統在魚塘數據分析的基礎上，智能地向養殖戶通信主機發出指令，啟動相應的功能裝置，達到智慧養殖的目的。

2 常見故障

2.1 水質數據監測功能故障

智能水產養殖系統的監測功能主要是通過聯動在養殖水體中布設的水質傳感器，能夠準確獲取水溫、溶解氧、pH 值等水環境參數的實時數據，在正常工作狀態下可直接在前端管控主機的數碼管電路進行顯示。監測功能常見故障主要包括傳感器數值不顯示，以及顯示數值與實際數值存在較大誤差等故障現象，如圖3 所示。

圖3 水質數據監測值有誤

2.2 電氣設備控制功能故障

水體中的溶氧過度減少時，將造成厭氧菌快速繁殖，水質變差，會有浮頭現象；而溶氧過度增加時，魚塘營養化。故水體溶氧適宜為5mg/L～8.5 mg/L[3]。水產養殖監控系統的監控功能設計為當水體溶解氧濃度低于5mg/L 時，管控主機實時獲取溶解氧傳感器測量參數后，閉合與增氧機連接的繼電器線圈電路，線圈通電后吸合主觸點，開啟增氧機；當測量得到的水體溶氧濃度大于8.5 mg/L 時，則斷開繼電器線圈電路[4]。投料機主要是通過管控主機主控模塊內部定時器設定工作時間。換水泵既可實現與增氧機聯動開啟，也可實現自動定時控制，還可現場手動開啟。監控功能常見故障主要包括增氧機、投料機等控制設備無法啟動，以及未能與溶解氧傳感器并聯作業，未實現根據含氧量啟動觸發動作，如圖4 所示。

圖4 電氣設備監控功能失常

2.3 實時圖像與視頻監控功能故障

魚群實時生長狀況是幫助養殖戶監測魚群健康狀況的重要指標。通過實時圖像與視頻監控功能進行魚群巡游速度、加速度、深度等信息監測，養殖戶可以立即得到魚群健康信息警報。例如當魚群巡游高度過高，魚群需要冒頭來呼吸氧氣[5]，則可以判斷養殖環境水中溶解氧濃度過低，此時則需要馬上打開增氧設備。但是由于水產養殖環境較為復雜且不均勻，所以在對魚群運動參數信息進行獲取上也存在較大的弊端，比如說視頻監控功能中往往會出現視頻畫面有雪花，視頻畫面有波紋，視頻畫面模糊，視頻畫面抖動等各種故障現象，如圖5 所示。這些故障現象都會影響到養殖戶對魚群運動參數整體狀態的掌握，實時圖像功能也存在圖像延時播放圖像模糊等故障現象，這些故障都會影響養殖戶對魚群生長情況的準確判斷。

圖5 實時圖像與視頻監控功能故障

3 故障原因分析

3.1 傳感器硬件故障

傳感器是一種能將被測量參數轉換成電信號的裝置，包括敏感元器件、轉換元器件和測量電路三部分[6]。傳感器經過長時間的運行容易出現對信息不敏感的情況，最常見的傳感器故障原因是傳感器老化，隨著傳感器的不斷使用，傳感器中的元器件以及相關零件都會出現磨損老化的情況，進而對傳感器的數據準確性和穩定性造成影響。除此之外，傳感器如果長時間在高溫環境下或者低溫環境中運行，也容易導致傳感器出現快速老化或者損壞的情況。

相關檢測人員在對傳感器進行檢測的過程當中，還要排除傳感器是否是受到了污染物以及積聚物的影響導致的傳感器故障，特別是智能水產養殖系統的水質環境參數傳感器長期暴露在水中，長時間使用容易被外界顆粒以及化學物質吸附于傳感器的表面，進而對傳感器的讀數功能以及相關性能產生影響。

另外不正確的安裝也會導致傳感器出現故障，傳感器的安裝需要較多復雜的操作，如果安裝人員在對傳感器進行安裝的過程當中沒有正確地進行安裝，極有可能導致傳感器的周圍零件與接觸面接觸不良，或者由于扭曲電纜，損壞內部線路，導致傳感器無法正常工作。

3.2 數據參數不匹配

水產養殖智能控制系統是一個構建功能十分強大，涵蓋面十分廣泛的管理系統，但由于不同廠家所生產的設備其接口參數都有所不同，或者同一廠家所生產的不同設備使用的不同的硬件芯片，所以不同設備之間并不具備較強的協商能力進而導致端口自動協商失敗。由于兩端口存在不同的配置參數，最終影響系統運行導致通信異常。面對這種情況，可以通過手動對端口參數進行調整，在保證雙方參數一致的前提下進行設備連接。

3.3 設備配置不兼容

不同的操作系統以及硬件系統所需要的軟件和程序需求也有所不同，如果模塊配置不兼容，會導致系統無法正常地對軟件以及程序進行運行，進而無法實現實時采集水產養殖數據信息。

除此之外，對于兼容性不好的模塊配置，還要考慮是否出現了網絡連接問題，不同的網絡協議以及安全設置都會影響到導致無法進行正常的互聯網連接以及其他網絡資源連接。例如視頻通信是受其所處運營商提供的寬帶服務影響的[7]。

4 故障診斷與排除

4.1 水質數據監測故障診斷

在實際的監測功能系統運行的過程當中會受到外界因素的干擾，導致傳感器輸出信號中的零點偏差發生變化，進而出現所測量的物理量顯示非常值的問題。導致這種情況的原因有很多，比如說傳感器長時間地使用，傳感器受到外部溫度的變化影響，傳感器機械結構松動等，面對這種情況，可以通過先對傳感器的機械結構進行檢查[8]。

（1）遇到傳感器松動，只需將松動的部位擰緊即可。

（2）發現傳感器的位置與被測物體的接觸情況位置不對，可以重新進行位置調整。如溶解氧傳感器與液體接觸不良，又或者傳感器表面被污物或氧化物覆蓋，導致傳感器讀數不準確。將溶解氧傳感器進行清洗，適當調整傳感器深度，溶解氧傳感器數據顯示恢復正常。

（3）被測物體受到外力干擾出現強烈震動或變化，只需將外界干擾因素解決即可。

當機械結構故障排查后仍存在傳感器無數值，或者數值顯示異常，可以直接替換試驗，看故障是否恢復。

4.2 電氣設備控制診斷

當電氣設備控制功能出現故障時，首先要檢查信號線的連接情況，觀察信號線是否出現接觸不良或者斷開的現象，除此之外也可以使用萬用表對信號的輸出情況進行測量，如果沒有信號輸出，則代表這個故障是由信號線引起的，則要進一步對信號輸出線進行檢查，從而找到信號輸出線的故障點。

例如增氧機無法實現智能控制，可能存在的原因：

（1）溶解氧傳感器故障：溶解氧傳感器損壞、內部電極松動或脫落等問題導致溶解氧傳感器數據檢測到異常。

（2）溶解氧傳感器與管控主機連接線松動：如果傳感器連接線松動，會影響管控主機與傳感器的正常通信。

（3）增氧機控制電路連接有誤：增氧機需要220V 電壓作業，管控主機的主控模塊需要控制繼電器和交流接觸器才能實現對增氧機啟停控制，當線路接線錯誤時則增氧機控制不受溶解氧傳感器數值約束。

4.3 實時圖像與視頻監控功能故障診斷

實時圖像與視頻監控往往會因為外界環境的影響出現圖像模糊，圖像不完整有橫線等情況。遇到這種情況大多數人都會認為是攝像頭出現了問題，但是攝像頭只是實時圖像與視頻監控功能的一部分，有時攝像頭完好無損，但是電子顯示屏也不會顯示所監控到的畫面，因此在對實時圖像與視頻監控功能故障進行診斷的過程當中，往往需要采用分析縮減法[9]，根據系統的工作原理及設備之間的關系，結合發生的故障分析和判斷，才能確定故障發生的范圍。

（1）無法搜索到網絡攝像機，只要考慮網絡攝像機的IP 地址是否更改，并確保網絡攝像機與無線網絡是互相連通的狀態。

（2）電子顯示屏出現圖像卡頓，圖像模糊甚至死機的情況，往往是受到了網絡寬帶的影響，這時可以適當地調整攝像機的增速，分辨率，碼流等數值是否與連接設備匹配如果確定是數值不匹配的因素，只需調整數值即可[10]。

（3）圖像出現斜紋，水波紋，橫線等情況不一定是產品本身的問題，有可能是線材質量問題。因此為了防止視頻監控功能受到干擾，在線材選擇上，盡量使用國標線材。

（4）遇到圖像時有時無，可以檢測電源電壓供應是否穩定，網線水晶頭是否出現了松動，電源線是否出現了斷線，接觸不良的情況。如果網絡的帶寬達到了上限，也會導致攝像機的圖像傳輸功能停止。

5 結束語

水產養殖智能控制系統的出現不僅降低了水產養殖業生產的成本，同時極大限度地提高了水產養殖業生產效率，養殖戶可以通過智慧水產養殖系統設備所監測到的數據進行數據驅動的決策，并最終推動水產品高質高量的產出，提高農民的生產收入。水產養殖智能控制系統在使用的過程中需要進行維護和管理，在使用的過程中往往會遇到監測功能系統故障、監控功能系統故障、實時圖像和視頻監控功能故障，這大多是由于傳感器硬件故障、設備配置不兼容、數據參數不匹配等原因造成的，通過智能水產養殖系統的設備故障進行診斷和排除，找出故障點并針對性地進行故障防范措施以此促進物聯網智慧水產養殖業的可持續發展，提高水產品生產質量和生產效率的同時提高農民收入。