养殖场百叶扇风机系统及其检测、预测方法

技术领域

本发明涉及一种养殖场百叶扇风机系统及其检测、预测方法，属于养殖场检测技术领域。

背景技术

当前，在大规模、集中养殖环境下，养殖场内的环境控制要求越来越高，在养殖场内各种环境参数中，养殖场的温度、呼吸量和氨气浓度这三个参数是最为重要的。这三个参数都是靠控制通风效果来实现的。目前所有的养殖场环境控制器都是采用在养殖场安装风机来解决养殖场的温度控制和氨气浓度控制。因此风机工作是否正常直接决定了养殖场的环境参数指标的好坏，当风机发生故障时，对家禽的死亡率以及养殖户的经济损失有直接关系。

养殖场风机的故障有多种方式，例如：风机线路故障导致风机断电，无法旋转；风机损坏无法旋转；风机长期工作而被异物阻挡导致阻力变大，从而旋转变慢；风机老化，通风效率变差等，风机的百叶窗板属于风机一体的部件，如果出现阻力无法打开，也会影响通风效果。

当前检测养殖场风机工作状态虽然带有故障反馈，但都是在风机的控制设备里，只能检测反馈风机是否通电，是否在工作，至于风机实际工作效果，无法检测和反馈，更无法提供预测性故障提示和使用状态维护。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种养殖场百叶扇风机系统及其检测、预测方法。

本发明所述的养殖场百叶扇风机系统，包括百叶扇风机，百叶扇风机还加装有如下部件：

检测装置，包括三轴加速度传感器、风机电流电压采集电路，以及检测电路，其中：

三轴加速度传感器，安装于百叶扇风机的出风口的百叶窗板上，用于检测出当前传感器与重力方向的夹角，即百叶窗挡板跟重力方向夹角；

风机电流电压采集电路，放置于风机的供电线端，用于检测风机的启动瞬态电流和电压，以及常态运行电流与电压；

检测电路，集成于百叶扇风机的PCB电路板上，与三轴加速度传感器、风机电流电压采集电路组成一个叶片姿态检测装置；

通信装置，包括有线通信模块和无线通信模块，其中：

有线通信模块，集成于百叶扇风机的PCB电路板上，采用RS232和RS485总线通信模式，用于三轴加速度传感器、风机电流电压采集电路数据收发的通信；

无线通信模块，集成于百叶扇风机的PCB电路板上，采用Lora通信模式，采用433mhz频段点对点通信模式，用于三轴加速度传感器、风机电流电压采集电路数据的无线收发；

控制装置，包括控制器，控制器的输入端口通过检测电路接收三轴加速度传感器、风机电流电压采集电路的数据，并通过有线通信模块和无线通信模块将信号传递到外界设备。

优选地，所述外界设备包括环控器和服务器，其中：

环控器，连接百叶扇风机的控制装置，以及养殖场内的温度传感器、氨气浓度传感器，并通过无线通信单元与服务器相连，用于检测百叶扇风机状态、环境的温度以及氮气浓度信息，并将上述风机状态、温度和浓度信息通过无线通信单元传递到服务器；

服务器，通过无线通信单元连接环控器、百叶扇风机的控制装置，并通过无线通信单元下发报警信号至百叶扇风机的控制装置、环控器，用于远程监控养殖场的相关工作状态和数据。

优选地，所述百叶扇风机安装于养殖场的墙壁上，风机出风口处安装百叶窗板，当风机不旋转时百叶窗板受重力作用是自然关闭状态，百叶窗板水平垂直向下；当风机旋转时，风机出风口的百叶窗板会自动被空气推开一个角度，风机旋转越快，风量越大，百叶窗板被推开的角度越大，当风量最大时，百叶窗板接近于水平角度。

优选地，所述控制装置还包括存储器，控制器包括风机故障处理单元，存储器存储有风机的历史数据、百叶窗板的历史数据。

本发明所述的养殖场百叶扇风机的检测方法，包括如下步骤：

步骤一：检测百叶扇风机是否启动，包括两种情况：

情况一：检测风机是否启动：通过风机电流电压采集电路获取风机的启动瞬时电流和电压，并作如下判断：``

若风机电流电压采集电路能获取启动瞬时电流和电压，则继续与历史数据对比判断：

若瞬时电流和电压与历史数据一致，则继续步骤二；

若瞬时电流相对于历史数据变大30％以上，电压偏低30％以上，判断为风机异常，发出预警，继续步骤二；

若风机电流电压采集电路未能获取启动瞬时电流和电压，判断风机未工作；

情况二：检测百叶扇板是否启动：通过三轴加速度传感器获取百叶扇板的瞬时开启角度，并作如下判断：

若三轴加速度传感器能获取瞬时开启角度，则继续与历史数据对比判断：

若瞬时开启角度与历史数据一致，则继续步骤二；

若瞬时开启角度相对于历史数据变小50％以上，发出预警，判断百叶扇板出现老化或堵塞，继续步骤二；

若三轴加速度传感器未能获取开启角度，判断风机没有旋转或者三轴加速度传感器脱落，因而没有检测到百叶扇板倾角角度；

步骤二：检测百叶扇风机的工作状态，包括两种情况：

情况一：检测风机的工作状态：通过风机电流电压采集电路获取风机的常态运行电流和电压，与历史数据对比判断：

若风机电流电压采集电路获取的常态运行电流和电压与历史数据一致，判断风机正常工作，则继续检测；

若风机电流电压采集电路获取的常态运行电流和电压与历史数据不一致，判断风机间歇故障，则继续步骤三；

情况二：检测百叶扇板的工作状态：通过三轴加速度传感器获取百叶扇板的常态开启角度，与历史数据对比判断：

若三轴加速度传感器获取的常态开启角度与历史数据一致，判断百叶扇板正常工作，则继续检测；

若三轴加速度传感器获取的常态开启角度与历史数据不一致，判断百叶扇板间歇故障，则继续步骤三；

步骤三：服务器触发报警，将报警信号通过无线通信模块传递给百叶扇风机的控制装置或环控器。

本发明所述的养殖场百叶扇风机的预测方法，利用养殖场百叶扇风机系统建立风机的故障预警模型，包括如下步骤：

步骤一：数据的采集和预处理：从启动开始，按照设置的时间间隔记录当前的电流值，直到风机从启动状态转为稳定运行状态；载入记录的原始数据，并对数据进行归一化的处理；

步骤二：故障预警网络的训练：工作电流的变化作为输入，百叶窗实际开度值作为输出；利用GRU-CNN网络对参考数据进行训练；

步骤三：确定故障预警阈值，生成预警网络模型：故障预警网络训练好以后，输入从启动到稳定的工作电流变化，得到的是百叶窗开度值随时间变化的一组向量，将百叶窗开度值与实际的百叶窗开度值构成的向量进行比较，如果相似度低于50％，认为风机存在异常，需要进行维修和更换。

优选地，所述步骤二中GRU-CNN网络，GRU网络表示从启动开始一直到稳定运行时的电流变化这种时间序列数据的特征，然后利用CNN网络抽取深层次特征，二者结合能够更好抽取电流变化的曲线的特征；利用记录的参考数据训练网络，构建风机运行电流和百叶窗开度值之间的函数关系。

本发明的有益效果是：本发明所述的养殖场百叶扇风机系统及其检测、预测方法，通过在百叶窗的一个叶片上安装一个可以检测叶片姿态的三轴加速度传感器，用三轴加速度传感器检测叶片与垂直面的角度；增加风机电流电压采集电路检测风机的启动瞬态电流和电压，以及常态运行电流和电压；两者结合的预测模型，从而可以检测出如下内容：风机是否在工作、风机工作的状态、风机的间隙性故障、风机轴被灰尘堵塞、百叶挡板轴堵塞和风机的电机老化的问题。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是三轴加速度传感器的电路图。

图3是风机电流电压采集电路的电路图。

图4是有线通信模块的电路图。

图5是无线通信模块的电路图。

图6是控制装置的电路图。

图7是报警器的电路图。

图8是本发明的流程框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明所述的养殖场百叶扇风机系统，包括百叶扇风机，百叶扇风机还加装有如下部件：

检测装置，包括三轴加速度传感器、风机电流电压采集电路，以及检测电路，其中：

三轴加速度传感器，安装于百叶扇风机的出风口的百叶窗板上，用于检测出当前传感器与重力方向的夹角，即百叶窗挡板跟重力方向夹角；

风机电流电压采集电路，放置于风机的供电线端，用于检测风机的启动瞬态电流和电压，以及常态运行电流与电压；

检测电路，集成于百叶扇风机的PCB电路板上，与三轴加速度传感器、风机电流电压采集电路组成一个叶片姿态检测装置；

通信装置，包括有线通信模块和无线通信模块，其中：

有线通信模块，集成于百叶扇风机的PCB电路板上，采用RS232和RS485总线通信模式，用于三轴加速度传感器、风机电流电压采集电路数据收发的通信；

无线通信模块，集成于百叶扇风机的PCB电路板上，采用Lora通信模式，采用433mhz频段点对点通信模式，用于三轴加速度传感器、风机电流电压采集电路数据的无线收发；

控制装置，包括控制器，控制器的输入端口通过检测电路接收三轴加速度传感器、风机电流电压采集电路的数据，并通过有线通信模块和无线通信模块将信号传递到外界设备。

所述外界设备包括环控器和服务器，其中：

环控器，连接百叶扇风机的控制装置，以及养殖场内的温度传感器、氨气浓度传感器，并通过无线通信单元与服务器相连，用于检测百叶扇风机状态、环境的温度以及氮气浓度信息，并将上述风机状态、温度和浓度信息通过无线通信单元传递到服务器；

服务器，通过无线通信单元连接环控器、百叶扇风机的控制装置，并通过无线通信单元下发报警信号至百叶扇风机的控制装置、环控器，用于远程监控养殖场的相关工作状态和数据。

所述百叶扇风机安装于养殖场的墙壁上，风机出风口处安装百叶窗板，当风机不旋转时百叶窗板受重力作用是自然关闭状态，百叶窗板水平垂直向下；当风机旋转时，风机出风口的百叶窗板会自动被空气推开一个角度，风机旋转越快，风量越大，百叶窗板被推开的角度越大，当风量最大时，百叶窗板接近于水平角度。

所述控制装置还包括存储器，控制器包括风机故障处理单元，存储器存储有风机的历史数据、百叶窗板的历史数据。

实施例2：

另外，本申请还给出了养殖场百叶扇风机的检测方法和预测方法，其中：本发明所述的养殖场百叶扇风机的检测方法，包括如下步骤：

步骤一：检测百叶扇风机是否启动，包括两种情况：

情况一：检测风机是否启动：通过风机电流电压采集电路获取风机的启动瞬时电流和电压，并作如下判断：``

若风机电流电压采集电路能获取启动瞬时电流和电压，则继续与历史数据对比判断：

若瞬时电流和电压与历史数据一致，则继续步骤二；

若瞬时电流相对于历史数据变大30％以上，电压偏低30％以上，判断为风机异常，发出预警，继续步骤二；

若风机电流电压采集电路未能获取启动瞬时电流和电压，判断风机未工作；

情况二：检测百叶扇板是否启动：通过三轴加速度传感器获取百叶扇板的瞬时开启角度，并作如下判断：

若三轴加速度传感器能获取瞬时开启角度，则继续与历史数据对比判断：

若瞬时开启角度与历史数据一致，则继续步骤二；

若瞬时开启角度相对于历史数据变小50％以上，发出预警，判断百叶扇板出现老化或堵塞，继续步骤二；

若三轴加速度传感器未能获取开启角度，判断风机没有旋转或者三轴加速度传感器脱落，因而没有检测到百叶扇板倾角角度；

步骤二：检测百叶扇风机的工作状态，包括两种情况：

情况一：检测风机的工作状态：通过风机电流电压采集电路获取风机的常态运行电流和电压，与历史数据对比判断：

若风机电流电压采集电路获取的常态运行电流和电压与历史数据一致，判断风机正常工作，则继续检测；

若风机电流电压采集电路获取的常态运行电流和电压与历史数据不一致，判断风机间歇故障，则继续步骤三；

情况二：检测百叶扇板的工作状态：通过三轴加速度传感器获取百叶扇板的常态开启角度，与历史数据对比判断：

若三轴加速度传感器获取的常态开启角度与历史数据一致，判断百叶扇板正常工作，则继续检测；

若三轴加速度传感器获取的常态开启角度与历史数据不一致，判断百叶扇板间歇故障，则继续步骤三；

步骤三：服务器触发报警，将报警信号通过无线通信模块传递给百叶扇风机的控制装置或环控器。

如图8所示，本发明所述的养殖场百叶扇风机的预测方法，利用养殖场百叶扇风机系统建立风机的故障预警模型，包括如下步骤：

S1：数据的采集和预处理：从启动开始，按照设置的时间间隔记录当前的电流值，直到风机从启动状态转为稳定运行状态；载入记录的原始数据，并对数据进行归一化的处理；

S2：故障预警网络的训练：工作电流的变化作为输入，百叶窗实际开度值作为输出；利用GRU-CNN网络对参考数据进行训练；

S3：确定故障预警阈值，生成预警网络模型：故障预警网络训练好以后，输入从启动到稳定的工作电流变化，得到的是百叶窗开度值随时间变化的一组向量，将百叶窗开度值与实际的百叶窗开度值构成的向量进行比较，如果相似度低于30％，认为风机存在异常，需要进行维修和更换。

所述S2中GRU-CNN网络，GRU网络表示从启动开始一直到稳定运行时的电流变化这种时间序列数据的特征，然后利用CNN网络抽取深层次特征，二者结合能够更好抽取电流变化的曲线的特征；利用记录的参考数据训练网络，构建风机运行电流和百叶窗开度值之间的函数关系。

本发明的有益效果是：本发明所述的养殖场百叶扇风机系统及其检测、预测方法，通过在百叶窗的一个叶片上安装一个可以检测叶片姿态的三轴加速度传感器，用三轴加速度传感器检测叶片与垂直面的角度；增加风机电流电压采集电路检测风机的启动瞬态电流和电压，以及常态运行电流和电压；两者结合的预测模型，从而可以检测出如下内容：风机是否在工作、风机工作的状态、风机的间隙性故障、风机轴被灰尘堵塞、百叶挡板轴堵塞和风机的电机老化的问题。

实施例3：

本发明所述的养殖场百叶扇风机的预测方法，根据历史数据的大数据库，构建风机和百叶扇板的预测模型，判断风机和百叶扇板处于预测模型的阶段，服务器提前将预测性指导结论通过无线通信模块传递给百叶扇风机的控制装置或环控器。

本发明所述的养殖场百叶扇风机的维护方法，风机电流电压采集电路检测到的启动电流的瞬时过程判断出风机的老化程度，风机常态运行电流和电压的实时检测，通过FFT的谱分析和时域分析判断出风机常态运行的问题；

三轴加速度传感器检测到的瞬时开启角度判断出百叶扇板的老化或堵塞程度，百叶扇板常态运行开启的实时检测，判断出百叶扇板常态运行的问题；

服务器提前将维护指导结论通过无线通信模块传递给百叶扇风机的控制装置或环控器。

本发明的原理是：在原有的百叶扇风机技术上，整合检测装置、通信装置和控制装置，提供预测性故障提示和使用状态维护。本发明通过在百叶窗的一个叶片上安装一个可以检测叶片姿态的三轴加速度传感器，用三轴加速度传感器检测叶片与垂直面的角度；增加风机电流电压采集电路检测风机的启动瞬态电流和电压，以及常态运行电流和电压；两者结合的预测模型，从而可以检测出如下内容：

风机是否在工作：例如：传感器角度反馈是0度左右时，表明风机没有在工作；

风机工作的状态：例如：传感器角度反馈是0-90度之间时，表明风机在工作，接近90度时，风量最大；

风机的间隙性故障：例如：传感器角度反馈不是一个稳定的角度，而是在随着时间做周期性的变化，表明风机发生间歇性故障；

风机轴被灰尘堵塞：例如：随时间积累，扇叶附着污渍、轴被灰尘堵塞缠绕导致的风机阻力变大，效率变差；

百叶挡板轴堵塞：例如：随时间积累，百叶挡板轴堵塞，阻力变大，影响开启角度；

风机的电机老化：例如：风机启动电流的瞬时过程监测可以判断出风机的电机老化程度，风机常态运行电流的实时检测，通过FFT的谱分析和时域分析可以判断出电机常态运行的一些问题。

需要说明的是：本发明增加学习功能，根据新风机刚刚安装的时候根据工作电流和风机实际开度数据建立模型，之后陆续产生新的数据，记录新的数据，更新模型，根据电流和实际开度的长期变化得到风机故障的预警和预测性维护。抽象出启动瞬时电流特征和常态稳定电流特征两方面的电流参数特征跟实时百叶窗角度之间的关系模型。得出例如：启动抖动，振动，常态稳定运行时的抖动，振动等问题，扇叶、风机轴老化等问题。

需要说明的是：养殖场的百叶扇风机主要有变频风机和定频风机两种。其中，变频风机可以调节风量，定频风机不能调节风量。两种风机都是安装在养殖场的墙壁上，且都在风机出风口处安装百叶窗板，当风机不旋转时百叶窗板受重力作用是自然关闭状态，百叶窗板近似水平垂直向下；当风机旋转时，风机出风口的百叶窗板会自动被空气推开一个角度，风机旋转越快，风量越大，这个百叶窗板被推开的角度越大，当风量最大时，百叶窗板接近于水平角度。

三轴加速度传感器采用的是ANALOG公司的ADXL345的数字式三轴加速度传感器，体积为3mm*5mm*1mm，重量很轻，大约30mg，将其及所需外部电路元器件设计到一个PCB电路板上组成一个叶片姿态检测模块，可以直接用胶贴装到风机出风口的百叶窗板的一个叶片上。基于ADXL345的姿态检测模块可以测量出当前传感器与重力方向的夹角，其测量精度可以达到1度的倾角变化，快速、实时的检测叶片的倾角，并把检测结果保存在传感器内部的存储器里。

风机电流电压采集电路采用电流风机电流电压采集电路，采集电流范围0-100A，响应时间1us，满足电流采集要求。通过霍尔电流传感器获得风机的电参数，特征检测，鉴别启动停止过程，形成数据积累，通过预测性算法多角度、多参数判断风机问题，每台的开度是多少，实际开度是多少，结合大数据，给出预测性维护指导。

通信装置中，有线通信模块采用RS232和RS485总线通信模式，采用双路光电耦合器HCPL2631，实现数据收发的隔离通信。无线通信模块采用Lora通信技术，采用433mhz频段点对点通信模式，直接跟舍内环控器通信；也可以采用WIFI、4G模块通过运营商直接把数据传输到服务器。通过有线通信模块或者无线通信模块把测量的倾角数据和电流数据传递给养殖场的主要环境控制器。

控制装置采用ST公司的CORTEX-M3内核的32位控制器STM32F429IGT6，其工作主频为180Mhz，处理能力较强，外扩64K字节数据存储器用于保存实时采集的数据，外扩32M字节非易失性数据存储器。控制装置通过数字I2C总线接口采集姿态检测模块测量的倾角数据，并用数字滤波算法对被采集的数据进行处理；滤除噪声和异常数值后，得到稳定的倾角数据。I2C总线上理论可以挂载128个设备，但是本系统由于安装风机数量和位置问题，只挂载4-16相同的百叶窗姿态检测模块，每个模块对应一个风机，因此可以监测4-16台风机姿态倾角。控制装置通过高速A/D转换器采集电流风机电流电压采集电路的电流值，采集频率是100KHZ，能够精确的采集风机启动时的瞬态过程的电流变化数值(100KHZ采用频率，可以保证在1ms之内采集电流瞬态变化的100个点，这种采集频率能够准确、细致的捕捉到电流瞬时值细微的特征和变化)，以及风机平稳运行后的电流稳态变化数值。STM32F429有大约24个A/D输入通道，但是由于管脚复用等原因以及风机数量和安装位置等原因，只采集4-16路风机电流数据，因为可以监测4-16路风机电流，与风机姿态倾角监测模块相对应；接口增加：除了有线232和485、lora增加WIFI和4G远传到服务器。主控制器可以选择单有线工作方式、单无线工作方式以及有线/无线双信道同时传输工作方式。以及WIFI、4G直接上传服务器工作方式(环控器通过服务器得到所控制的风机的相关工作状态和数据)。

本发明可广泛运用于养殖场检测装置场合，适用于大规模、集中养殖场行业。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。