基于知識(shí)圖譜的潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪嘉珮

武漢工商學(xué)院，湖北 武漢 432000

0 引言

潛江小龍蝦作為一種特色水產(chǎn)，具有重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值。針對(duì)湖北省潛江市的小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行研究和改良，可以提升養(yǎng)殖效益，促進(jìn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展，保護(hù)水域生態(tài)環(huán)境［1］。養(yǎng)殖戶在養(yǎng)殖小龍蝦的過(guò)程中存在諸多風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題，如病害頻發(fā)、環(huán)境污染等問(wèn)題。為解決潛江小龍蝦養(yǎng)殖中存在的諸多問(wèn)題，需要研發(fā)一套可滿足潛江小龍蝦養(yǎng)殖需求的環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。此次研究構(gòu)建了潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境知識(shí)圖譜，以整合、存儲(chǔ)、展示與養(yǎng)殖環(huán)境相關(guān)的多源數(shù)據(jù)，可為潛江小龍蝦養(yǎng)殖管理提供決策支持［2-3］。

為確保研究數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性［4］，筆者收集、整理潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)，并基于數(shù)據(jù)構(gòu)建潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境知識(shí)圖譜，然后基于知識(shí)圖譜設(shè)計(jì)潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，以期能為農(nóng)戶的養(yǎng)殖策略提供決策支持［5］。此次研究的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；基于知識(shí)圖譜設(shè)計(jì)的潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，可助力農(nóng)戶進(jìn)行病害防治、養(yǎng)殖決策；該系統(tǒng)具有預(yù)警功能，可增強(qiáng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的精準(zhǔn)性、科學(xué)性，提升養(yǎng)殖管理信息化水平［6］。

此研究可以為潛江小龍蝦養(yǎng)殖管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，從而推動(dòng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展和高效利用水域資源［7］。

1 系統(tǒng)需求分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求分析及功能目標(biāo)

淡水養(yǎng)殖水體的環(huán)境因子主要包括溶解氧、pH值、水溫、亞硝酸鹽質(zhì)量濃度及液位等。潛江小龍蝦對(duì)水質(zhì)要求較高，養(yǎng)殖水體中存在污染物和含氧量、溫度等超標(biāo)都會(huì)影響潛江小龍蝦產(chǎn)量。筆者開(kāi)展此研究的主要目的是監(jiān)測(cè)淡水養(yǎng)殖水體環(huán)境因子并且實(shí)現(xiàn)預(yù)警控制（見(jiàn)表1），以保證養(yǎng)殖環(huán)境適宜潛江小龍蝦生長(zhǎng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（在蝦池內(nèi)部安裝智能傳感器，通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到手機(jī)和計(jì)算機(jī)等終端平臺(tái)），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖水體環(huán)境參數(shù)，可讓管理人員實(shí)時(shí)掌握養(yǎng)殖環(huán)境信息，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)程控制蝦池內(nèi)相應(yīng)設(shè)備來(lái)改變環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)潛江小龍蝦養(yǎng)殖管理自動(dòng)化、智能化和節(jié)能減耗的目標(biāo)［8］。此次設(shè)計(jì)選用的STM32 為微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）系統(tǒng)，其內(nèi)核采用的是Cortex-M3［9］。該系列屬于增強(qiáng)型STM32，不僅功能強(qiáng)大，而且性價(jià)比高，能夠滿足設(shè)計(jì)需要［10］。此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)潛江小龍蝦不同生長(zhǎng)階段對(duì)環(huán)境參數(shù)的要求進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)對(duì)蝦塘環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、對(duì)閾值的預(yù)警和調(diào)控處理，從而營(yíng)造最適宜潛江小龍蝦生長(zhǎng)的環(huán)境。

表1 環(huán)境要素采集

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：①對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行全天24 小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以自主設(shè)定數(shù)據(jù)上報(bào)時(shí)限，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水體溶解氧質(zhì)量濃度、pH值、溫度、亞硝酸鹽質(zhì)量濃度、氨氮質(zhì)量濃度等；②可以查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并對(duì)同類數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，如以折線圖、柱狀圖等形式呈現(xiàn)，從而方便查詢各種環(huán)境參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化［11］；③在該系統(tǒng)中，若環(huán)境指標(biāo)值超標(biāo)，則會(huì)觸發(fā)預(yù)警，并發(fā)送警報(bào)信息給養(yǎng)殖戶；④具有數(shù)據(jù)傳輸通道，監(jiān)測(cè)設(shè)備收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)可傳輸?shù)皆破脚_(tái)或服務(wù)器［12］。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

圖1 為潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［13］。該系統(tǒng)利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息采集功能，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖水體溶解氧質(zhì)量濃度、pH 值、氨氮質(zhì)量濃度的監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)高效穩(wěn)定地傳送到應(yīng)用層，最終通過(guò)數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的調(diào)控［14］。該系統(tǒng)主要由感知層、傳輸層、應(yīng)用層3個(gè)部分組成［15］。感知層以信息采集為主，通過(guò)溶解氧傳感器、pH 值傳感器、溫度傳感器、亞硝酸鹽傳感器、氨氮傳感器等采集養(yǎng)殖水體的相關(guān)參數(shù)；傳輸層利用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸［16］；應(yīng)用層是養(yǎng)殖戶利用終端設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和監(jiān)控。該系統(tǒng)可結(jié)合知識(shí)圖譜，為養(yǎng)殖戶提供更多的養(yǎng)殖相關(guān)知識(shí)和技能服務(wù)。

圖1 潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)主要針對(duì)養(yǎng)殖水體進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集，包括對(duì)溶解氧質(zhì)量濃度、pH 值、溫度、亞硝酸鹽質(zhì)量濃度、氨氮質(zhì)量濃度等養(yǎng)殖環(huán)境因子的信息采集［17］。

2.1 感知層設(shè)計(jì)

2.1.1 溶解氧傳感器

系統(tǒng)選用AMT-PR300 云傳物聯(lián)溶解氧傳感器。AMT-PR300的優(yōu)點(diǎn)是免維護(hù)、精度高、標(biāo)定簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于地表水監(jiān)測(cè)、工業(yè)廢水檢測(cè)和市政污水監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域［18］。

2.1.2 pH值傳感器

此次設(shè)計(jì)采用上海諾博環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的NS-PH101型pH值傳感器。該傳感器由pH電極和pH值轉(zhuǎn)換器兩部分組成。該傳感器抗干擾能力強(qiáng)，具有良好的電磁兼容性。該pH值傳感器如圖2所示。

圖2 pH值傳感器

2.1.3 溫度傳感器

此次設(shè)計(jì)采用的溫度傳感器是數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其屬于新型數(shù)字化溫度傳感器，體積小，適用電壓寬，與微處理器接口簡(jiǎn)單。溫度傳感器的實(shí)物如圖3所示。

2.2 傳輸層設(shè)計(jì)

傳輸層主要是通過(guò)無(wú)線通信模塊將信息傳輸至阿里云服務(wù)器。無(wú)線通信模塊不僅要將監(jiān)測(cè)的環(huán)境參數(shù)信息上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，而且要將養(yǎng)殖戶的調(diào)控指令下發(fā)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。ESP8266-01 是一款成本較低的無(wú)線通信設(shè)備，工作電壓為3.0～3.6 V。傳輸層主要使用兩個(gè)無(wú)線Wi-Fi 模塊ESP8266-01，分別完成信息上傳與指令下發(fā)任務(wù)。ESP8266-01，連接STM32的通用輸入輸出端口（PB13、PB14、PC12、PD2），通過(guò)AT 指令實(shí)現(xiàn)兩者通信［19］。ESP8266-01 實(shí)物如圖4展示。

該系統(tǒng)軟件功能界面如圖5 所示。該系統(tǒng)界面由養(yǎng)殖環(huán)境實(shí)時(shí)影像、溫度實(shí)時(shí)變化、pH 值實(shí)時(shí)變化、溶解氧質(zhì)量濃度實(shí)時(shí)變化、氨氮質(zhì)量濃度實(shí)時(shí)變化等模塊構(gòu)成。通過(guò)該界面，養(yǎng)殖戶可了解水塘的實(shí)時(shí)狀況，監(jiān)控水體pH 值、溶解氧、氨氮、亞硝酸鹽等指標(biāo)［20］。

圖5 系統(tǒng)軟件功能

2.3 系統(tǒng)測(cè)試

養(yǎng)殖戶登錄潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)后，可以看到各功能模塊，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)、控制相應(yīng)設(shè)備等操作；可以通過(guò)查看各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)的曲線圖，直觀地看到數(shù)據(jù)的變化情況（見(jiàn)圖6 至圖9）。監(jiān)測(cè)指標(biāo)超過(guò)預(yù)警線后，系統(tǒng)會(huì)提示養(yǎng)殖戶，幫助養(yǎng)殖戶控制相關(guān)設(shè)備調(diào)節(jié)水體環(huán)境。

圖6 養(yǎng)殖水體pH值

圖7 養(yǎng)殖水體亞硝酸鹽質(zhì)量濃度

圖8 養(yǎng)殖水體含氧量

圖9 養(yǎng)殖水體氨氮質(zhì)量濃度

3 潛江小龍蝦養(yǎng)殖知識(shí)圖譜設(shè)計(jì)

知識(shí)圖譜最初為谷歌知識(shí)搜索功能的產(chǎn)品名稱，由于該名稱貼切上口，廣為學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界人士所用，故成為各類結(jié)構(gòu)化知識(shí)庫(kù)的統(tǒng)稱。知識(shí)圖譜是將人類知識(shí)結(jié)構(gòu)化而形成的知識(shí)體系，包括基本事實(shí)、通過(guò)規(guī)則等相關(guān)結(jié)構(gòu)化信息，可用于信息檢索、推理決策等智能任務(wù)。知識(shí)圖譜是人工智能研究和智能信息服務(wù)的基礎(chǔ)核心，能夠賦予智能機(jī)體精準(zhǔn)查詢、深度理解和邏輯推理能力。知識(shí)圖譜的結(jié)構(gòu)化一般是將不同元素之間的復(fù)雜關(guān)系用三元組的形式表示出來(lái)，以形成一個(gè)復(fù)雜的關(guān)系網(wǎng)。

三元組作為知識(shí)圖譜的核心，其表達(dá)形式分別為＜實(shí)體1，關(guān)系，實(shí)體2＞和＜實(shí)體，屬性，屬性值＞，以表示實(shí)體之間關(guān)系和實(shí)體的特征。以實(shí)體“潛江小龍蝦”為例，其種類包括“潛江龍蝦小青2-4、潛江龍蝦中青4-6、潛江龍蝦大青6-8、潛江龍蝦蝦苗、湖北潛江伊東藻、潛江螃蟹”。其中，＜實(shí)體1，關(guān)系，實(shí)體2＞對(duì)應(yīng)＜潛江龍蝦，種類，潛江龍蝦小青2-4＞，＜實(shí)體，屬性，屬性值＞對(duì)應(yīng)＜潛江龍蝦，繁殖季節(jié)，全年＞。在此次研究中，知識(shí)圖譜的繪制用Mac 系統(tǒng)版本的Neo4j，計(jì)算機(jī)是Mac Book Pro（處理器是2.6 GHz、6核英特爾酷睿i7）；操作系統(tǒng)為mac OS Big Sur，驗(yàn)證語(yǔ)言為Cypher 語(yǔ)言，通過(guò)知識(shí)獲取、構(gòu)建圖譜、知識(shí)圖譜更新及知識(shí)圖譜應(yīng)用等4個(gè)步驟，在Neo4j圖數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)入數(shù)據(jù)。

此次研究數(shù)據(jù)源自潛江小龍蝦苗四寶水產(chǎn)網(wǎng)（www.qjsbsc.com.cn）、潛江小龍蝦源頭養(yǎng)殖基地網(wǎng)（www.zqylp.com），定義了276 個(gè)實(shí)體和304 個(gè)關(guān)系。數(shù)據(jù)層的構(gòu)建包含各大類實(shí)體、屬性及實(shí)體間的關(guān)系。筆者提出的六類屬性定義為潛江龍蝦種類屬性定義、潛江龍蝦育苗屬性定義、潛江龍蝦餌料屬性定義、潛江龍蝦疾病屬性定義、潛江龍蝦加工屬性定義（潛江龍蝦加工工藝步驟）及漁藥屬性定義。

此次研究將潛江小龍蝦生產(chǎn)管理知識(shí)以RDF 三元組的形式呈現(xiàn)給養(yǎng)殖戶，使養(yǎng)殖戶清晰了解每個(gè)實(shí)體之間的關(guān)系，形成知識(shí)圖譜（如圖10所示）。

圖10 知識(shí)圖譜示例

4 基于知識(shí)圖譜的預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)預(yù)警功能主要分為兩個(gè)部分：一部分是潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警功能，另一部分是知識(shí)圖譜的可視化呈現(xiàn)。

該系統(tǒng)的預(yù)警功能主要包括養(yǎng)殖戶訂閱、風(fēng)險(xiǎn)通知、閾值設(shè)置等。其中，養(yǎng)殖戶訂閱和閾值設(shè)置主要是在客戶端相關(guān)界面內(nèi)完成，養(yǎng)殖戶可以實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)并且設(shè)置自己所需要的環(huán)境參數(shù)閾值。風(fēng)險(xiǎn)通知是該系統(tǒng)的主要功能，當(dāng)設(shè)備監(jiān)測(cè)的環(huán)境指標(biāo)值超過(guò)養(yǎng)殖戶設(shè)置的閾值時(shí)會(huì)發(fā)出通知，并且會(huì)生成相對(duì)應(yīng)的可視化知識(shí)譜圖，使養(yǎng)殖戶更加明確風(fēng)險(xiǎn)的具體內(nèi)容和位置，以及相對(duì)應(yīng)的解決方案。預(yù)警功能知識(shí)圖譜如圖11所示。

圖11 預(yù)警功能知識(shí)圖譜

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的環(huán)境參數(shù)超過(guò)閾值時(shí)，會(huì)在知識(shí)圖譜上生成相對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)，展示風(fēng)險(xiǎn)及其位置，使養(yǎng)殖戶明確風(fēng)險(xiǎn)的來(lái)源。風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警可視化知識(shí)圖譜如圖12所示。

圖12 預(yù)警功能風(fēng)險(xiǎn)可視化知識(shí)圖譜

5 結(jié)論與展望

應(yīng)用基于知識(shí)圖譜的潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控與預(yù)警系統(tǒng)，可助力養(yǎng)殖戶改善潛江小龍蝦的養(yǎng)殖環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，減少資源浪費(fèi)。該系統(tǒng)可挖掘分析養(yǎng)殖環(huán)境中的復(fù)雜關(guān)系，輔助養(yǎng)殖戶做出更加準(zhǔn)確的決策。同時(shí)，該系統(tǒng)可結(jié)合先進(jìn)的人工智能（ArtificialIntelligence，AI）技術(shù)，在早期階段監(jiān)測(cè)并預(yù)警可能出現(xiàn)的疾病或環(huán)境問(wèn)題，防止其擴(kuò)大化，降低對(duì)潛江小龍蝦養(yǎng)殖業(yè)的影響。知識(shí)圖譜的應(yīng)用能夠幫助養(yǎng)殖戶更好地理解養(yǎng)殖環(huán)境中的各種因素（如水質(zhì)、氣候、食物供應(yīng)等）及它們與潛江小龍蝦健康之間的關(guān)系。預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)置有助于加強(qiáng)信息化管理，提高了養(yǎng)殖戶對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境問(wèn)題的響應(yīng)速度和解決效率。筆者在未來(lái)的研究中將進(jìn)一步融合知識(shí)圖譜和養(yǎng)殖系統(tǒng)，使該系統(tǒng)更加智能化。