養(yǎng)殖魚類水質(zhì)監(jiān)測及關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng)的設(shè)計與研究

摘 要：為推動科學(xué)化魚類養(yǎng)殖，減少養(yǎng)殖魚類的病害發(fā)生，設(shè)計了養(yǎng)殖魚類水質(zhì)監(jiān)測及關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng)，在監(jiān)測水質(zhì)的同時，對水質(zhì)數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了多重傳感器組成的水質(zhì)監(jiān)測平臺，在監(jiān)測平臺獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，完成水質(zhì)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析。

關(guān)鍵詞：魚類養(yǎng)殖；水質(zhì)監(jiān)測；關(guān)聯(lián)分析；水質(zhì)分析

隨著科學(xué)養(yǎng)殖技術(shù)的普及，我國魚類養(yǎng)殖技術(shù)快速發(fā)展，但由于魚類品種繁多，產(chǎn)量巨大，養(yǎng)殖中經(jīng)常有魚類病害發(fā)生，且魚類養(yǎng)殖有較高的實時性，有些病害發(fā)展迅速，程度難以控制。目前較多已經(jīng)成熟的水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)雖可以滿足養(yǎng)殖數(shù)據(jù)的實時獲取，但數(shù)據(jù)本身無法提供病害預(yù)防的理論依據(jù)，還要加以分析和運算才能了解養(yǎng)殖環(huán)境的具體情況，如能將監(jiān)測和分析加以結(jié)合[1]，利用相關(guān)技術(shù)進行系統(tǒng)呈現(xiàn)，將有效減少魚類病害的發(fā)生，做到病害的預(yù)防。養(yǎng)殖魚類水質(zhì)監(jiān)測及關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，分別是水質(zhì)監(jiān)測以及關(guān)聯(lián)分析。本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將各個指標相應(yīng)的傳感器進行搭建，完成養(yǎng)殖水質(zhì)的實時監(jiān)測，同時在水質(zhì)監(jiān)測基礎(chǔ)上引入灰色關(guān)聯(lián)算法，以求得關(guān)聯(lián)程度最大的水質(zhì)因子作為養(yǎng)殖魚類病害分析的依據(jù)，最后將數(shù)據(jù)結(jié)果以圖表化呈現(xiàn)，養(yǎng)殖人員可以更加直觀方便地獲取相關(guān)的養(yǎng)殖數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 用戶需求

養(yǎng)殖魚類水質(zhì)監(jiān)測及關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng)的用戶類別分別為開發(fā)者、管理者、使用者（養(yǎng)殖人員）。其中管理者使用系統(tǒng)后臺所設(shè)定的賬戶密碼進入系統(tǒng)，管理者的職能是系統(tǒng)使用的基礎(chǔ)，它作為系統(tǒng)的一部分也是連接其他工作模塊的橋梁。所以，為了系統(tǒng)操作的便捷性，管理模塊應(yīng)該盡可能簡單明了，并具備基本的信息管理、限權(quán)管理、用戶管理等模塊。

1.2 功能需求

養(yǎng)殖魚類水質(zhì)監(jiān)測及關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng)功能需求主要分為三部分：首先為數(shù)據(jù)采集模塊，該模塊將水質(zhì)監(jiān)測平臺所采集的數(shù)據(jù)儲存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，同時可以導(dǎo)入相關(guān)病害數(shù)據(jù)；其次為數(shù)據(jù)管理模塊，該模塊的功能主要是完成數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)檢索以及數(shù)據(jù)分析，保證監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)準確無異常值，并依據(jù)分析模型進行數(shù)據(jù)計算獲取結(jié)果；最后為展示分析模塊，該模塊完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的展示、分析結(jié)果的展示等，為數(shù)據(jù)結(jié)果進行可視化處理，方便使用人員依據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果對養(yǎng)殖環(huán)境進行整改。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

養(yǎng)殖魚類水質(zhì)監(jiān)測及關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng)整體分為兩大部分，分別由水質(zhì)監(jiān)測平臺和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng)構(gòu)成。其中平臺主要由環(huán)境數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)傳輸處理和系統(tǒng)平臺三個部分組成。水質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測的結(jié)構(gòu)由多傳感器組合搭建，為保證傳感器之間的協(xié)同工作，監(jiān)測平臺的底層硬件采用STM32系列單片機，該系列嵌入式單片機具有高性能、低成本等特點，可以在滿足應(yīng)用需求的同時降低使用成本，并且它豐富的外圍接口也可以依據(jù)使用環(huán)境進行改進[2]。目前影響魚類病害的水質(zhì)因素主要有水溫、pH值、溶解氧、氨氮、亞硝鹽，那么系統(tǒng)基于這些數(shù)據(jù)需求將這五種傳感器進行組合完成養(yǎng)殖區(qū)域的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集完成之后通過LoRa無線通信模塊進行數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，由于魚類養(yǎng)殖場地通常與系統(tǒng)使用場地具有較大距離，那么采用LoRa協(xié)議就可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)。

2.2 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

養(yǎng)殖魚類水質(zhì)監(jiān)測及關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，相比C/S結(jié)構(gòu)它的優(yōu)點是更加便捷，為了減少后期的維護與更新所投入的成本，本系統(tǒng)基于瀏覽器就可完成相關(guān)工作，不需要客戶端的支撐[3]。系統(tǒng)前端使用HTML、JavaScript等語言，完成系統(tǒng)界面的制作，后端則使用Java語言編寫完成數(shù)據(jù)處理及分析等工作。在數(shù)據(jù)分析結(jié)束之后通過引入ECharts工具完成數(shù)據(jù)分析的可視化工作。

3 數(shù)據(jù)分析核心技術(shù)

3.1 灰色關(guān)聯(lián)分析模型算法概述

養(yǎng)殖魚類水質(zhì)監(jiān)測及關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng)采用灰色關(guān)聯(lián)模型進行數(shù)據(jù)分析，通過計算因子間的互動程度來獲得關(guān)聯(lián)度大小，關(guān)聯(lián)度是指進行分析的兩種因子之間關(guān)聯(lián)程度的量值，它不需要被計算數(shù)據(jù)之間有著特定的規(guī)律，被計算因子在發(fā)展過程中出現(xiàn)較高的一致性，就稱兩者之間的關(guān)聯(lián)度大[4]，考慮魚類養(yǎng)殖中水質(zhì)因素對病害的產(chǎn)生影響最大，所以本系統(tǒng)通過灰色關(guān)聯(lián)分析模型建立水質(zhì)數(shù)據(jù)與病害發(fā)生率的關(guān)聯(lián)模型，分析當前養(yǎng)殖環(huán)境，為養(yǎng)殖活動提供理論依據(jù)。

3.2 關(guān)聯(lián)分析模型建立流程

4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)正常運行的核心所在，養(yǎng)殖魚類水質(zhì)監(jiān)測及關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都會隨著時間的推移而不斷增加，所以數(shù)據(jù)庫設(shè)計更需要體現(xiàn)人性化和操作簡潔化。數(shù)據(jù)采集的設(shè)備不同造成數(shù)據(jù)類型差別較大，為了保證能夠兼容不同的數(shù)據(jù)同時又保證數(shù)據(jù)的安全性，數(shù)據(jù)庫設(shè)計就需要更高的標準去執(zhí)行，本系統(tǒng)采用MySql對所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)統(tǒng)一進行存儲，共同構(gòu)成養(yǎng)殖魚類水質(zhì)監(jiān)測及關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng)。

在本系統(tǒng)設(shè)計中，高標準的安全措施是保證數(shù)據(jù)庫安全的途徑之一，為了防止數(shù)據(jù)在獲取和傳輸過程中造成盜取、篡改等情況，必要時需要對數(shù)據(jù)進行秘鑰設(shè)置。由于數(shù)據(jù)量較多，保證安全的同時也要考慮到數(shù)據(jù)庫的工作效率，所涉及的數(shù)據(jù)庫應(yīng)具有讀取迅速和效果穩(wěn)定的特點，以下為數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表設(shè)計情況。

5 系統(tǒng)功能設(shè)計

5.1 系統(tǒng)管理功能

系統(tǒng)管理功能是系統(tǒng)的操作基礎(chǔ)，分為用戶管理和限權(quán)管理。用戶管理主要負責對于操作養(yǎng)殖魚類水質(zhì)監(jiān)測及關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng)的人員信息進行監(jiān)管，其中包括用戶信息的增加、刪除、修改等基本操作，將用戶信息進行統(tǒng)一化處理。限權(quán)管理則是針對不同身份的用戶賦予該身份的權(quán)利對系統(tǒng)進行操作，不同角色可以操作不同的功能對本系統(tǒng)實現(xiàn)運用。

5.2 采集監(jiān)測功能

養(yǎng)殖魚類水質(zhì)監(jiān)測及關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng)采集監(jiān)測功能分為水質(zhì)數(shù)據(jù)采集和關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)導(dǎo)入兩部分，被采集和被導(dǎo)入的數(shù)據(jù)將統(tǒng)一進行存儲，以備進行數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析。數(shù)據(jù)采集具體工作是將硬件部分所采集的水溫、溶解氧、氨氮、亞硝鹽等與關(guān)聯(lián)分析相關(guān)的數(shù)據(jù)在監(jiān)測頁面中實時顯示。數(shù)據(jù)導(dǎo)入具體工作是將養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)進行上傳，其中包括養(yǎng)殖過程的歷史數(shù)據(jù)、養(yǎng)殖魚類的活動情況、魚類病害情況等等。

5.3 數(shù)據(jù)管理功能

數(shù)據(jù)管理功能由數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)檢索兩部分構(gòu)成，數(shù)據(jù)篩選主要負責對養(yǎng)殖過程中所產(chǎn)生的不同類型數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，例如數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)重復(fù)等會對后續(xù)關(guān)聯(lián)分析造成影響的因素。數(shù)據(jù)檢索主要針對養(yǎng)殖過程中的數(shù)據(jù)查詢，可以針對時間進行歷史數(shù)據(jù)查詢，對數(shù)據(jù)的分析結(jié)果查詢。

5.4 數(shù)據(jù)分析功能

數(shù)據(jù)分析功能也是養(yǎng)殖魚類水質(zhì)監(jiān)測及關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng)的核心功能，主要是由關(guān)聯(lián)分析和預(yù)警分析構(gòu)成。其中關(guān)聯(lián)分析是結(jié)合監(jiān)測到的水質(zhì)數(shù)據(jù)和導(dǎo)入的養(yǎng)殖數(shù)據(jù)通過灰色關(guān)聯(lián)模型得到影響因素較大的因子，為后續(xù)的養(yǎng)殖整改提供依據(jù)。預(yù)測分析主要是通過關(guān)聯(lián)分析結(jié)果建立預(yù)測模型從而得到病害等級，更直觀地得到當前的水質(zhì)現(xiàn)狀。

5.5 輔助決策功能

養(yǎng)殖魚類水質(zhì)監(jiān)測及關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng)的輔助決策功能分為數(shù)據(jù)展示和養(yǎng)殖建議，其中數(shù)據(jù)展示利用Echarts生成直觀的數(shù)據(jù)圖表，可以對歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)結(jié)果進行展示。輔助決策則是針對預(yù)測等級類型，通過數(shù)據(jù)結(jié)果對養(yǎng)殖提出整改建議。

6 結(jié)語

養(yǎng)殖魚類水質(zhì)監(jiān)測及關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了水質(zhì)監(jiān)測平臺，在此基礎(chǔ)上引入灰色關(guān)聯(lián)分析模型，對獲取的實時數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析，不僅滿足了養(yǎng)殖人員實時監(jiān)測養(yǎng)殖環(huán)境的需求，同時為養(yǎng)殖環(huán)境的整改提供了理論基礎(chǔ)，為病害的發(fā)生提供預(yù)警信息，大大減少了病害發(fā)生所造成的經(jīng)濟損失，也提高了魚類養(yǎng)殖的產(chǎn)量，降低了養(yǎng)殖風險。

參考文獻：

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Design and research of water quality monitoring and correlation analysis system for fish farming

TANG Bo

（Haikou University of Economics， Haikou 571132，China）

Abstract： In order to promote scientific fish farming and reduce the occurrence of fish diseases， it was proposed to monitor the water quality and make correlation analysis on the water quality data in the system. A water quality monitoring platform composed of multiple sensors was set up by the technology of Internet of Things. Based on the water quality data obtained from the monitoring platform， the correlation analysis of water quality data was completed.

Key words：fish farming;water quality monitoring;correlation analysis;water quality analysis

（收稿日期：2023-06-13）

基金項目：海南省高等學(xué)校教育教學(xué)改革項目（Hnjgzc2023-66）；?？诮?jīng)濟學(xué)院教育教學(xué)改革重點項目（Hjyj2022009ZD）。

作者簡介：唐博（1997-）女，碩士，助教，研究方向：計算機應(yīng)用。E-mail：735703848@qq.com。