劉玉潔，唐升，郎波，姜源，曾范茂

（珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東珠海，519090）

0 引言

水產(chǎn)養(yǎng)殖正在成為人類食物生產(chǎn)的重要領(lǐng)域。我國是世界水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)大國，總產(chǎn)量占世界水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的70%以上。傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)采用大量消耗資源和粗放式經(jīng)營的方式，在養(yǎng)殖過程中缺乏對水質(zhì)環(huán)境的有效監(jiān)控，養(yǎng)殖戶會進(jìn)行不合理投喂和用藥，極大地惡化了水質(zhì)環(huán)境，加劇水產(chǎn)品病害的發(fā)生，產(chǎn)生了水產(chǎn)品質(zhì)量安全、水環(huán)境污染等一系列問題，這些問題都倒逼水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)必須實(shí)現(xiàn)“數(shù)智化”轉(zhuǎn)型升級[1]。廣東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳印發(fā)的《廣東數(shù)字農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展行動計劃（2020-2025 年）》的通知中指出要推進(jìn)智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)和管理系統(tǒng)，推進(jìn)水體環(huán)境實(shí)時監(jiān)控、餌料精準(zhǔn)投喂、病害監(jiān)測預(yù)警等數(shù)字技術(shù)裝備普及應(yīng)用，發(fā)展數(shù)字漁場，建設(shè)數(shù)字漁業(yè)園區(qū)。本文羅列出智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)易發(fā)故障點(diǎn)，并闡述故障診斷與排查思路，為從事智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖工作的工程人員提供技術(shù)參考。

1 系統(tǒng)概述

智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)一般由安放于養(yǎng)殖魚塘的前端管控主機(jī)、傳感器、控制設(shè)備、攝像頭，以及安放于后臺的服務(wù)器，還有養(yǎng)殖人員手機(jī)組成[2]。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。普遍采用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的4 層架構(gòu)體系，即感知層、傳輸層、處理層和應(yīng)用層，如圖2 所示。

圖1 智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)總體框圖

圖2 典型的智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)架構(gòu)

感知層由安裝于魚塘的傳感器和控制設(shè)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(jī)、抽水泵、自動投料機(jī)等。養(yǎng)殖戶還可以通過手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制，如開啟增氧機(jī)加氧、開啟抽水泵換水等，當(dāng)然也可以手動在魚塘采集控制器上進(jìn)行現(xiàn)場控制。

系統(tǒng)中考慮到每個養(yǎng)殖戶一般會有多口魚塘同時養(yǎng)殖，便于分類養(yǎng)殖和一定時間后分塘，因此把魚塘定義為一個獨(dú)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(yīng)的增壓機(jī)、投料機(jī)等設(shè)備。

傳輸層把感知層獲取的數(shù)據(jù)快速、安全、可靠地遠(yuǎn)距離傳送到控制中心。本系統(tǒng)在養(yǎng)殖戶處設(shè)置一臺通信主機(jī)，利用移動通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將感知層的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，將用戶的控制指令發(fā)送到魚塘采集控制器并驅(qū)動各功能裝置。通信主機(jī)采用RS-485 總線連接多口魚塘采集控制器，采用該總線技術(shù)的好處是比無線通信可靠，一臺主機(jī)可以連接多個魚塘采集控制器，管理養(yǎng)殖戶的多口魚塘，而且RS-485 總線連接組網(wǎng)方便。

處理層是指利用數(shù)據(jù)融合、機(jī)器學(xué)習(xí)等方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并根據(jù)預(yù)測模型對水質(zhì)的變化做出判斷。

應(yīng)用層是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系的最高層，服務(wù)器收集到感知層的數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺分析，可以判斷具體魚塘的水質(zhì)環(huán)境、含氧量等，結(jié)合后臺設(shè)置的參數(shù)，對魚塘水產(chǎn)養(yǎng)殖的條件作出判斷，可以將綜合處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到養(yǎng)殖戶的手機(jī)和專家的終端，讓養(yǎng)殖戶能實(shí)時的定量了解魚塘的狀況，讓專家能根據(jù)魚塘的數(shù)據(jù)對養(yǎng)殖戶進(jìn)行指導(dǎo)。服務(wù)器可以根據(jù)專家系統(tǒng)在魚塘數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，智能地向養(yǎng)殖戶通信主機(jī)發(fā)出指令，啟動相應(yīng)的功能裝置，達(dá)到智慧養(yǎng)殖的目的。

2 常見故障

2.1 水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測功能故障

智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的監(jiān)測功能主要是通過聯(lián)動在養(yǎng)殖水體中布設(shè)的水質(zhì)傳感器，能夠準(zhǔn)確獲取水溫、溶解氧、pH 值等水環(huán)境參數(shù)的實(shí)時數(shù)據(jù)，在正常工作狀態(tài)下可直接在前端管控主機(jī)的數(shù)碼管電路進(jìn)行顯示。監(jiān)測功能常見故障主要包括傳感器數(shù)值不顯示，以及顯示數(shù)值與實(shí)際數(shù)值存在較大誤差等故障現(xiàn)象，如圖3 所示。

圖3 水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測值有誤

2.2 電氣設(shè)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(zhì)變差，會有浮頭現(xiàn)象；而溶氧過度增加時，魚塘營養(yǎng)化。故水體溶氧適宜為5mg/L～8.5 mg/L[3]。水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控功能設(shè)計為當(dāng)水體溶解氧濃度低于5mg/L 時，管控主機(jī)實(shí)時獲取溶解氧傳感器測量參數(shù)后，閉合與增氧機(jī)連接的繼電器線圈電路，線圈通電后吸合主觸點(diǎn)，開啟增氧機(jī)；當(dāng)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(jī)主要是通過管控主機(jī)主控模塊內(nèi)部定時器設(shè)定工作時間。換水泵既可實(shí)現(xiàn)與增氧機(jī)聯(lián)動開啟，也可實(shí)現(xiàn)自動定時控制，還可現(xiàn)場手動開啟。監(jiān)控功能常見故障主要包括增氧機(jī)、投料機(jī)等控制設(shè)備無法啟動，以及未能與溶解氧傳感器并聯(lián)作業(yè)，未實(shí)現(xiàn)根據(jù)含氧量啟動觸發(fā)動作，如圖4 所示。

圖4 電氣設(shè)備監(jiān)控功能失常

2.3 實(shí)時圖像與視頻監(jiān)控功能故障

魚群實(shí)時生長狀況是幫助養(yǎng)殖戶監(jiān)測魚群健康狀況的重要指標(biāo)。通過實(shí)時圖像與視頻監(jiān)控功能進(jìn)行魚群巡游速度、加速度、深度等信息監(jiān)測，養(yǎng)殖戶可以立即得到魚群健康信息警報。例如當(dāng)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(yǎng)殖環(huán)境水中溶解氧濃度過低，此時則需要馬上打開增氧設(shè)備。但是由于水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境較為復(fù)雜且不均勻，所以在對魚群運(yùn)動參數(shù)信息進(jìn)行獲取上也存在較大的弊端，比如說視頻監(jiān)控功能中往往會出現(xiàn)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(xiàn)象，如圖5 所示。這些故障現(xiàn)象都會影響到養(yǎng)殖戶對魚群運(yùn)動參數(shù)整體狀態(tài)的掌握，實(shí)時圖像功能也存在圖像延時播放圖像模糊等故障現(xiàn)象，這些故障都會影響?zhàn)B殖戶對魚群生長情況的準(zhǔn)確判斷。

圖5 實(shí)時圖像與視頻監(jiān)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(shù)轉(zhuǎn)換成電信號的裝置，包括敏感元器件、轉(zhuǎn)換元器件和測量電路三部分[6]。傳感器經(jīng)過長時間的運(yùn)行容易出現(xiàn)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(guān)零件都會出現(xiàn)磨損老化的情況，進(jìn)而對傳感器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性造成影響。除此之外，傳感器如果長時間在高溫環(huán)境下或者低溫環(huán)境中運(yùn)行，也容易導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)快速老化或者損壞的情況。

相關(guān)檢測人員在對傳感器進(jìn)行檢測的過程當(dāng)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(dǎo)致的傳感器故障，特別是智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的水質(zhì)環(huán)境參數(shù)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(xué)物質(zhì)吸附于傳感器的表面，進(jìn)而對傳感器的讀數(shù)功能以及相關(guān)性能產(chǎn)生影響。

另外不正確的安裝也會導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)故障，傳感器的安裝需要較多復(fù)雜的操作，如果安裝人員在對傳感器進(jìn)行安裝的過程當(dāng)中沒有正確地進(jìn)行安裝，極有可能導(dǎo)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(nèi)部線路，導(dǎo)致傳感器無法正常工作。

3.2 數(shù)據(jù)參數(shù)不匹配

水產(chǎn)養(yǎng)殖智能控制系統(tǒng)是一個構(gòu)建功能十分強(qiáng)大，涵蓋面十分廣泛的管理系統(tǒng)，但由于不同廠家所生產(chǎn)的設(shè)備其接口參數(shù)都有所不同，或者同一廠家所生產(chǎn)的不同設(shè)備使用的不同的硬件芯片，所以不同設(shè)備之間并不具備較強(qiáng)的協(xié)商能力進(jìn)而導(dǎo)致端口自動協(xié)商失敗。由于兩端口存在不同的配置參數(shù)，最終影響系統(tǒng)運(yùn)行導(dǎo)致通信異常。面對這種情況，可以通過手動對端口參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，在保證雙方參數(shù)一致的前提下進(jìn)行設(shè)備連接。

3.3 設(shè)備配置不兼容

不同的操作系統(tǒng)以及硬件系統(tǒng)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(dǎo)致系統(tǒng)無法正常地對軟件以及程序進(jìn)行運(yùn)行，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時采集水產(chǎn)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)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(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)連接問題，不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及安全設(shè)置都會影響到導(dǎo)致無法進(jìn)行正常的互聯(lián)網(wǎng)連接以及其他網(wǎng)絡(luò)資源連接。例如視頻通信是受其所處運(yùn)營商提供的寬帶服務(wù)影響的[7]。

4 故障診斷與排除

4.1 水質(zhì)數(shù)據(jù)監(jiān)測故障診斷

在實(shí)際的監(jiān)測功能系統(tǒng)運(yùn)行的過程當(dāng)中會受到外界因素的干擾，導(dǎo)致傳感器輸出信號中的零點(diǎn)偏差發(fā)生變化，進(jìn)而出現(xiàn)所測量的物理量顯示非常值的問題。導(dǎo)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(jī)械結(jié)構(gòu)松動等，面對這種情況，可以通過先對傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)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(fā)現(xiàn)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(jìn)行位置調(diào)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(dǎo)致傳感器讀數(shù)不準(zhǔn)確。將溶解氧傳感器進(jìn)行清洗，適當(dāng)調(diào)整傳感器深度，溶解氧傳感器數(shù)據(jù)顯示恢復(fù)正常。

（3）被測物體受到外力干擾出現(xiàn)強(qiáng)烈震動或變化，只需將外界干擾因素解決即可。

當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)故障排查后仍存在傳感器無數(shù)值，或者數(shù)值顯示異常，可以直接替換試驗(yàn)，看故障是否恢復(fù)。

4.2 電氣設(shè)備控制診斷

當(dāng)電氣設(shè)備控制功能出現(xiàn)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(xiàn)接觸不良或者斷開的現(xiàn)象，除此之外也可以使用萬用表對信號的輸出情況進(jìn)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(jìn)一步對信號輸出線進(jìn)行檢查，從而找到信號輸出線的故障點(diǎn)。

例如增氧機(jī)無法實(shí)現(xiàn)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(nèi)部電極松動或脫落等問題導(dǎo)致溶解氧傳感器數(shù)據(jù)檢測到異常。

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

（3）增氧機(jī)控制電路連接有誤：增氧機(jī)需要220V 電壓作業(yè)，管控主機(jī)的主控模塊需要控制繼電器和交流接觸器才能實(shí)現(xiàn)對增氧機(jī)啟?？刂疲?dāng)線路接線錯誤時則增氧機(jī)控制不受溶解氧傳感器數(shù)值約束。

4.3 實(shí)時圖像與視頻監(jiān)控功能故障診斷

實(shí)時圖像與視頻監(jiān)控往往會因?yàn)橥饨绛h(huán)境的影響出現(xiàn)圖像模糊，圖像不完整有橫線等情況。遇到這種情況大多數(shù)人都會認(rèn)為是攝像頭出現(xiàn)了問題，但是攝像頭只是實(shí)時圖像與視頻監(jiān)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(jiān)控到的畫面，因此在對實(shí)時圖像與視頻監(jiān)控功能故障進(jìn)行診斷的過程當(dāng)中，往往需要采用分析縮減法[9]，根據(jù)系統(tǒng)的工作原理及設(shè)備之間的關(guān)系，結(jié)合發(fā)生的故障分析和判斷，才能確定故障發(fā)生的范圍。

（1）無法搜索到網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，只要考慮網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的IP 地址是否更改，并確保網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)與無線網(wǎng)絡(luò)是互相連通的狀態(tài)。

（2）電子顯示屏出現(xiàn)圖像卡頓，圖像模糊甚至死機(jī)的情況，往往是受到了網(wǎng)絡(luò)寬帶的影響，這時可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整攝像機(jī)的增速，分辨率，碼流等數(shù)值是否與連接設(shè)備匹配如果確定是數(shù)值不匹配的因素，只需調(diào)整數(shù)值即可[10]。

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

（4）遇到圖像時有時無，可以檢測電源電壓供應(yīng)是否穩(wěn)定，網(wǎng)線水晶頭是否出現(xiàn)了松動，電源線是否出現(xiàn)了斷線，接觸不良的情況。如果網(wǎng)絡(luò)的帶寬達(dá)到了上限，也會導(dǎo)致攝像機(jī)的圖像傳輸功能停止。

5 結(jié)束語

水產(chǎn)養(yǎng)殖智能控制系統(tǒng)的出現(xiàn)不僅降低了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)的成本，同時極大限度地提高了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)效率，養(yǎng)殖戶可以通過智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)備所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策，并最終推動水產(chǎn)品高質(zhì)高量的產(chǎn)出，提高農(nóng)民的生產(chǎn)收入。水產(chǎn)養(yǎng)殖智能控制系統(tǒng)在使用的過程中需要進(jìn)行維護(hù)和管理，在使用的過程中往往會遇到監(jiān)測功能系統(tǒng)故障、監(jiān)控功能系統(tǒng)故障、實(shí)時圖像和視頻監(jiān)控功能故障，這大多是由于傳感器硬件故障、設(shè)備配置不兼容、數(shù)據(jù)參數(shù)不匹配等原因造成的，通過智能水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)備故障進(jìn)行診斷和排除，找出故障點(diǎn)并針對性地進(jìn)行故障防范措施以此促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)智慧水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，提高水產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率的同時提高農(nóng)民收入。