智能水产养殖系统设备故障诊断与排除

刘玉洁，唐升，郎波，姜源，曾范茂

（珠海城市职业技术学院，广东珠海，519090）

0 引言

水产养殖正在成为人类食物生产的重要领域。我国是世界水产养殖业大国，总产量占世界水产养殖产量的70%以上。传统水产养殖业采用大量消耗资源和粗放式经营的方式，在养殖过程中缺乏对水质环境的有效监控，养殖户会进行不合理投喂和用药，极大地恶化了水质环境，加剧水产品病害的发生，产生了水产品质量安全、水环境污染等一系列问题，这些问题都倒逼水产养殖业必须实现“数智化”转型升级[1]。广东省农业农村厅印发的《广东数字农业农村发展行动计划（2020-2025 年）》的通知中指出要推进智慧水产养殖，构建基于物联网的水产养殖生产和管理系统，推进水体环境实时监控、饵料精准投喂、病害监测预警等数字技术装备普及应用，发展数字渔场，建设数字渔业园区。本文罗列出智能水产养殖系统易发故障点，并阐述故障诊断与排查思路，为从事智慧水产养殖工作的工程人员提供技术参考。

1 系统概述

智能水产养殖系统一般由安放于养殖鱼塘的前端管控主机、传感器、控制设备、摄像头，以及安放于后台的服务器，还有养殖人员手机组成[2]。其结构如图1 所示。普遍采用农业物联网的4 层架构体系，即感知层、传输层、处理层和应用层，如图2 所示。

图1 智能水产养殖系统总体框图

图2 典型的智能水产养殖系统架构

感知层由安装于鱼塘的传感器和控制设备组成，包括温度、溶氧量、pH 值等传感器，还有用于控制增氧机、抽水泵、自动投料机等。养殖户还可以通过手机进行远程的控制，如开启增氧机加氧、开启抽水泵换水等，当然也可以手动在鱼塘采集控制器上进行现场控制。

系统中考虑到每个养殖户一般会有多口鱼塘同时养殖，便于分类养殖和一定时间后分塘，因此把鱼塘定义为一个独立模型并采用一个采集控制器采集及控制鱼塘的各类传感器和对应的增压机、投料机等设备。

传输层把感知层获取的数据快速、安全、可靠地远距离传送到控制中心。本系统在养殖户处设置一台通信主机，利用移动通信数据网络将感知层的数据传输到服务器，将用户的控制指令发送到鱼塘采集控制器并驱动各功能装置。通信主机采用RS-485 总线连接多口鱼塘采集控制器，采用该总线技术的好处是比无线通信可靠，一台主机可以连接多个鱼塘采集控制器，管理养殖户的多口鱼塘，而且RS-485 总线连接组网方便。

处理层是指利用数据融合、机器学习等方法对数据进行预处理，并根据预测模型对水质的变化做出判断。

应用层是农业物联网体系的最高层，服务器收集到感知层的数据进行后台分析，可以判断具体鱼塘的水质环境、含氧量等，结合后台设置的参数，对鱼塘水产养殖的条件作出判断，可以将综合处理后的数据发送到养殖户的手机和专家的终端，让养殖户能实时的定量了解鱼塘的状况，让专家能根据鱼塘的数据对养殖户进行指导。服务器可以根据专家系统在鱼塘数据分析的基础上，智能地向养殖户通信主机发出指令，启动相应的功能装置，达到智慧养殖的目的。

2 常见故障

2.1 水质数据监测功能故障

智能水产养殖系统的监测功能主要是通过联动在养殖水体中布设的水质传感器，能够准确获取水温、溶解氧、pH 值等水环境参数的实时数据，在正常工作状态下可直接在前端管控主机的数码管电路进行显示。监测功能常见故障主要包括传感器数值不显示，以及显示数值与实际数值存在较大误差等故障现象，如图3 所示。

图3 水质数据监测值有误

2.2 电气设备控制功能故障

水体中的溶氧过度减少时，将造成厌氧菌快速繁殖，水质变差，会有浮头现象；而溶氧过度增加时，鱼塘营养化。故水体溶氧适宜为5mg/L～8.5 mg/L[3]。水产养殖监控系统的监控功能设计为当水体溶解氧浓度低于5mg/L 时，管控主机实时获取溶解氧传感器测量参数后，闭合与增氧机连接的继电器线圈电路，线圈通电后吸合主触点，开启增氧机；当测量得到的水体溶氧浓度大于8.5 mg/L 时，则断开继电器线圈电路[4]。投料机主要是通过管控主机主控模块内部定时器设定工作时间。换水泵既可实现与增氧机联动开启，也可实现自动定时控制，还可现场手动开启。监控功能常见故障主要包括增氧机、投料机等控制设备无法启动，以及未能与溶解氧传感器并联作业，未实现根据含氧量启动触发动作，如图4 所示。

图4 电气设备监控功能失常

2.3 实时图像与视频监控功能故障

鱼群实时生长状况是帮助养殖户监测鱼群健康状况的重要指标。通过实时图像与视频监控功能进行鱼群巡游速度、加速度、深度等信息监测，养殖户可以立即得到鱼群健康信息警报。例如当鱼群巡游高度过高，鱼群需要冒头来呼吸氧气[5]，则可以判断养殖环境水中溶解氧浓度过低，此时则需要马上打开增氧设备。但是由于水产养殖环境较为复杂且不均匀，所以在对鱼群运动参数信息进行获取上也存在较大的弊端，比如说视频监控功能中往往会出现视频画面有雪花，视频画面有波纹，视频画面模糊，视频画面抖动等各种故障现象，如图5 所示。这些故障现象都会影响到养殖户对鱼群运动参数整体状态的掌握，实时图像功能也存在图像延时播放图像模糊等故障现象，这些故障都会影响养殖户对鱼群生长情况的准确判断。

图5 实时图像与视频监控功能故障

3 故障原因分析

3.1 传感器硬件故障

传感器是一种能将被测量参数转换成电信号的装置，包括敏感元器件、转换元器件和测量电路三部分[6]。传感器经过长时间的运行容易出现对信息不敏感的情况，最常见的传感器故障原因是传感器老化，随着传感器的不断使用，传感器中的元器件以及相关零件都会出现磨损老化的情况，进而对传感器的数据准确性和稳定性造成影响。除此之外，传感器如果长时间在高温环境下或者低温环境中运行，也容易导致传感器出现快速老化或者损坏的情况。

相关检测人员在对传感器进行检测的过程当中，还要排除传感器是否是受到了污染物以及积聚物的影响导致的传感器故障，特别是智能水产养殖系统的水质环境参数传感器长期暴露在水中，长时间使用容易被外界颗粒以及化学物质吸附于传感器的表面，进而对传感器的读数功能以及相关性能产生影响。

另外不正确的安装也会导致传感器出现故障，传感器的安装需要较多复杂的操作，如果安装人员在对传感器进行安装的过程当中没有正确地进行安装，极有可能导致传感器的周围零件与接触面接触不良，或者由于扭曲电缆，损坏内部线路，导致传感器无法正常工作。

3.2 数据参数不匹配

水产养殖智能控制系统是一个构建功能十分强大，涵盖面十分广泛的管理系统，但由于不同厂家所生产的设备其接口参数都有所不同，或者同一厂家所生产的不同设备使用的不同的硬件芯片，所以不同设备之间并不具备较强的协商能力进而导致端口自动协商失败。由于两端口存在不同的配置参数，最终影响系统运行导致通信异常。面对这种情况，可以通过手动对端口参数进行调整，在保证双方参数一致的前提下进行设备连接。

3.3 设备配置不兼容

不同的操作系统以及硬件系统所需要的软件和程序需求也有所不同，如果模块配置不兼容，会导致系统无法正常地对软件以及程序进行运行，进而无法实现实时采集水产养殖数据信息。

除此之外，对于兼容性不好的模块配置，还要考虑是否出现了网络连接问题，不同的网络协议以及安全设置都会影响到导致无法进行正常的互联网连接以及其他网络资源连接。例如视频通信是受其所处运营商提供的宽带服务影响的[7]。

4 故障诊断与排除

4.1 水质数据监测故障诊断

在实际的监测功能系统运行的过程当中会受到外界因素的干扰，导致传感器输出信号中的零点偏差发生变化，进而出现所测量的物理量显示非常值的问题。导致这种情况的原因有很多，比如说传感器长时间地使用，传感器受到外部温度的变化影响，传感器机械结构松动等，面对这种情况，可以通过先对传感器的机械结构进行检查[8]。

（1）遇到传感器松动，只需将松动的部位拧紧即可。

（2）发现传感器的位置与被测物体的接触情况位置不对，可以重新进行位置调整。如溶解氧传感器与液体接触不良，又或者传感器表面被污物或氧化物覆盖，导致传感器读数不准确。将溶解氧传感器进行清洗，适当调整传感器深度，溶解氧传感器数据显示恢复正常。

（3）被测物体受到外力干扰出现强烈震动或变化，只需将外界干扰因素解决即可。

当机械结构故障排查后仍存在传感器无数值，或者数值显示异常，可以直接替换试验，看故障是否恢复。

4.2 电气设备控制诊断

当电气设备控制功能出现故障时，首先要检查信号线的连接情况，观察信号线是否出现接触不良或者断开的现象，除此之外也可以使用万用表对信号的输出情况进行测量，如果没有信号输出，则代表这个故障是由信号线引起的，则要进一步对信号输出线进行检查，从而找到信号输出线的故障点。

例如增氧机无法实现智能控制，可能存在的原因：

（1）溶解氧传感器故障：溶解氧传感器损坏、内部电极松动或脱落等问题导致溶解氧传感器数据检测到异常。

（2）溶解氧传感器与管控主机连接线松动：如果传感器连接线松动，会影响管控主机与传感器的正常通信。

（3）增氧机控制电路连接有误：增氧机需要220V 电压作业，管控主机的主控模块需要控制继电器和交流接触器才能实现对增氧机启停控制，当线路接线错误时则增氧机控制不受溶解氧传感器数值约束。

4.3 实时图像与视频监控功能故障诊断

实时图像与视频监控往往会因为外界环境的影响出现图像模糊，图像不完整有横线等情况。遇到这种情况大多数人都会认为是摄像头出现了问题，但是摄像头只是实时图像与视频监控功能的一部分，有时摄像头完好无损，但是电子显示屏也不会显示所监控到的画面，因此在对实时图像与视频监控功能故障进行诊断的过程当中，往往需要采用分析缩减法[9]，根据系统的工作原理及设备之间的关系，结合发生的故障分析和判断，才能确定故障发生的范围。

（1）无法搜索到网络摄像机，只要考虑网络摄像机的IP 地址是否更改，并确保网络摄像机与无线网络是互相连通的状态。

（2）电子显示屏出现图像卡顿，图像模糊甚至死机的情况，往往是受到了网络宽带的影响，这时可以适当地调整摄像机的增速，分辨率，码流等数值是否与连接设备匹配如果确定是数值不匹配的因素，只需调整数值即可[10]。

（3）图像出现斜纹，水波纹，横线等情况不一定是产品本身的问题，有可能是线材质量问题。因此为了防止视频监控功能受到干扰，在线材选择上，尽量使用国标线材。

（4）遇到图像时有时无，可以检测电源电压供应是否稳定，网线水晶头是否出现了松动，电源线是否出现了断线，接触不良的情况。如果网络的带宽达到了上限，也会导致摄像机的图像传输功能停止。

5 结束语

水产养殖智能控制系统的出现不仅降低了水产养殖业生产的成本，同时极大限度地提高了水产养殖业生产效率，养殖户可以通过智慧水产养殖系统设备所监测到的数据进行数据驱动的决策，并最终推动水产品高质高量的产出，提高农民的生产收入。水产养殖智能控制系统在使用的过程中需要进行维护和管理，在使用的过程中往往会遇到监测功能系统故障、监控功能系统故障、实时图像和视频监控功能故障，这大多是由于传感器硬件故障、设备配置不兼容、数据参数不匹配等原因造成的，通过智能水产养殖系统的设备故障进行诊断和排除，找出故障点并针对性地进行故障防范措施以此促进物联网智慧水产养殖业的可持续发展，提高水产品生产质量和生产效率的同时提高农民收入。