汪嘉珮

武漢工商學院，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)濟和生態(tài)價值。針對湖北省潛江市的小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境進行研究和改良，可以提升養(yǎng)殖效益，促進養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展，保護水域生態(tài)環(huán)境［1］。養(yǎng)殖戶在養(yǎng)殖小龍蝦的過程中存在諸多風險和問題，如病害頻發(fā)、環(huán)境污染等問題。為解決潛江小龍蝦養(yǎng)殖中存在的諸多問題，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)測與預警系統(tǒng)。此次研究構(gòu)建了潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境知識圖譜，以整合、存儲、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，并基于數(shù)據(jù)構(gòu)建潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境知識圖譜，然后基于知識圖譜設計潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控預警系統(tǒng)，以期能為農(nóng)戶的養(yǎng)殖策略提供決策支持［5］。此次研究的主要創(chuàng)新點在于：應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設計潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測與預警系統(tǒng)，可實現(xiàn)對水質(zhì)參數(shù)的實時監(jiān)測；基于知識圖譜設計的潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測與預警系統(tǒng)，可助力農(nóng)戶進行病害防治、養(yǎng)殖決策；該系統(tǒng)具有預警功能，可增強水產(chǎn)養(yǎng)殖的精準性、科學性，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)殖管理提供科學依據(jù)和技術(shù)支持，從而推動水產(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)設計

1.1 系統(tǒng)需求分析及功能目標

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、溫度等超標都會影響潛江小龍蝦產(chǎn)量。筆者開展此研究的主要目的是監(jiān)測淡水養(yǎng)殖水體環(huán)境因子并且實現(xiàn)預警控制（見表1），以保證養(yǎng)殖環(huán)境適宜潛江小龍蝦生長。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，通過有線或無線網(wǎng)絡將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到手機和計算機等終端平臺），實時監(jiān)測養(yǎng)殖水體環(huán)境參數(shù)，可讓管理人員實時掌握養(yǎng)殖環(huán)境信息，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果遠程控制蝦池內(nèi)相應設備來改變環(huán)境，從而實現(xiàn)潛江小龍蝦養(yǎng)殖管理自動化、智能化和節(jié)能減耗的目標［8］。此次設計選用的STM32 為微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）系統(tǒng)，其內(nèi)核采用的是Cortex-M3［9］。該系列屬于增強型STM32，不僅功能強大，而且性價比高，能夠滿足設計需要［10］。此次系統(tǒng)設計根據(jù)潛江小龍蝦不同生長階段對環(huán)境參數(shù)的要求進行，以實現(xiàn)對蝦塘環(huán)境的實時監(jiān)測、對閾值的預警和調(diào)控處理，從而營造最適宜潛江小龍蝦生長的環(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)控與預警系統(tǒng)應具有以下功能：①對養(yǎng)殖環(huán)境進行全天24 小時實時監(jiān)測，可以自主設定數(shù)據(jù)上報時限，實時監(jiān)測水體溶解氧質(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可以查看實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并對同類數(shù)據(jù)進行可視化展示，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)的動態(tài)變化［11］；③在該系統(tǒng)中，若環(huán)境指標值超標，則會觸發(fā)預警，并發(fā)送警報信息給養(yǎng)殖戶；④具有數(shù)據(jù)傳輸通道，監(jiān)測設備收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)可傳輸?shù)皆破脚_或服務器［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)控與預警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［13］。該系統(tǒng)利用無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)信息采集功能，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對養(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，將監(jiān)測數(shù)據(jù)高效穩(wěn)定地傳送到應用層，最終通過數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)對養(yǎng)殖環(huán)境的調(diào)控［14］。該系統(tǒng)主要由感知層、傳輸層、應用層3個部分組成［15］。感知層以信息采集為主，通過溶解氧傳感器、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）實現(xiàn)遠距離的數(shù)據(jù)傳輸［16］；應用層是養(yǎng)殖戶利用終端設備，通過網(wǎng)絡訪問服務器上的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對養(yǎng)殖環(huán)境的實時監(jiān)測和監(jiān)控。該系統(tǒng)可結(jié)合知識圖譜，為養(yǎng)殖戶提供更多的養(yǎng)殖相關(guān)知識和技能服務。

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

2 潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測與預警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測與預警系統(tǒng)主要針對養(yǎng)殖水體進行環(huán)境監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集，包括對溶解氧質(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 感知層設計

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)點是免維護、精度高、標定簡單，廣泛應用于地表水監(jiān)測、工業(yè)廢水檢測和市政污水監(jiān)測等領域［18］。

2.1.2 pH值傳感器

此次設計采用上海諾博環(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，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

此次設計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，與微處理器接口簡單。溫度傳感器的實物如圖3所示。

2.2 傳輸層設計

傳輸層主要是通過無線通信模塊將信息傳輸至阿里云服務器。無線通信模塊不僅要將監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)信息上傳至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，而且要將養(yǎng)殖戶的調(diào)控指令下發(fā)至執(zhí)行機構(gòu)。ESP8266-01 是一款成本較低的無線通信設備，工作電壓為3.0～3.6 V。傳輸層主要使用兩個無線Wi-Fi 模塊ESP8266-01，分別完成信息上傳與指令下發(fā)任務。ESP8266-01，連接STM32的通用輸入輸出端口（PB13、PB14、PC12、PD2），通過AT 指令實現(xiàn)兩者通信［19］。ESP8266-01 實物如圖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)境實時影像、溫度實時變化、pH 值實時變化、溶解氧質(zhì)量濃度實時變化、氨氮質(zhì)量濃度實時變化等模塊構(gòu)成。通過該界面，養(yǎng)殖戶可了解水塘的實時狀況，監(jiān)控水體pH 值、溶解氧、氨氮、亞硝酸鹽等指標［20］。

圖5 系統(tǒng)軟件功能

2.3 系統(tǒng)測試

養(yǎng)殖戶登錄潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測與預警系統(tǒng)后，可以看到各功能模塊，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)設置、實時監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)、控制相應設備等操作；可以通過查看各項指標數(shù)據(jù)的曲線圖，直觀地看到數(shù)據(jù)的變化情況（見圖6 至圖9）。監(jiān)測指標超過預警線后，系統(tǒng)會提示養(yǎng)殖戶，幫助養(yǎng)殖戶控制相關(guān)設備調(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)殖知識圖譜設計

知識圖譜最初為谷歌知識搜索功能的產(chǎn)品名稱，由于該名稱貼切上口，廣為學界、產(chǎn)業(yè)界人士所用，故成為各類結(jié)構(gòu)化知識庫的統(tǒng)稱。知識圖譜是將人類知識結(jié)構(gòu)化而形成的知識體系，包括基本事實、通過規(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。知識圖譜是人工智能研究和智能信息服務的基礎核心，能夠賦予智能機體精準查詢、深度理解和邏輯推理能力。知識圖譜的結(jié)構(gòu)化一般是將不同元素之間的復雜關(guān)系用三元組的形式表示出來，以形成一個復雜的關(guān)系網(wǎng)。

三元組作為知識圖譜的核心，其表達形式分別為＜實體1，關(guān)系，實體2＞和＜實體，屬性，屬性值＞，以表示實體之間關(guān)系和實體的特征。以實體“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，＜實體1，關(guān)系，實體2＞對應＜潛江龍蝦，種類，潛江龍蝦小青2-4＞，＜實體，屬性，屬性值＞對應＜潛江龍蝦，繁殖季節(jié)，全年＞。在此次研究中，知識圖譜的繪制用Mac 系統(tǒng)版本的Neo4j，計算機是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，驗證語言為Cypher 語言，通過知識獲取、構(gòu)建圖譜、知識圖譜更新及知識圖譜應用等4個步驟，在Neo4j圖數(shù)據(jù)庫中導入數(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 個實體和304 個關(guān)系。數(shù)據(jù)層的構(gòu)建包含各大類實體、屬性及實體間的關(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)殖戶清晰了解每個實體之間的關(guān)系，形成知識圖譜（如圖10所示）。

圖10 知識圖譜示例

4 基于知識圖譜的預警功能的實現(xiàn)

該系統(tǒng)預警功能主要分為兩個部分：一部分是潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境風險的預警功能，另一部分是知識圖譜的可視化呈現(xiàn)。

該系統(tǒng)的預警功能主要包括養(yǎng)殖戶訂閱、風險通知、閾值設置等。其中，養(yǎng)殖戶訂閱和閾值設置主要是在客戶端相關(guān)界面內(nèi)完成，養(yǎng)殖戶可以實時收集數(shù)據(jù)并且設置自己所需要的環(huán)境參數(shù)閾值。風險通知是該系統(tǒng)的主要功能，當設備監(jiān)測的環(huán)境指標值超過養(yǎng)殖戶設置的閾值時會發(fā)出通知，并且會生成相對應的可視化知識譜圖，使養(yǎng)殖戶更加明確風險的具體內(nèi)容和位置，以及相對應的解決方案。預警功能知識圖譜如圖11所示。

圖11 預警功能知識圖譜

當系統(tǒng)監(jiān)測到的環(huán)境參數(shù)超過閾值時，會在知識圖譜上生成相對應的風險節(jié)點，展示風險及其位置，使養(yǎng)殖戶明確風險的來源。風險預警可視化知識圖譜如圖12所示。

圖12 預警功能風險可視化知識圖譜

5 結(jié)論與展望

應用基于知識圖譜的潛江小龍蝦養(yǎng)殖環(huán)境智能監(jiān)控與預警系統(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。該系統(tǒng)可挖掘分析養(yǎng)殖環(huán)境中的復雜關(guān)系，輔助養(yǎng)殖戶做出更加準確的決策。同時，該系統(tǒng)可結(jié)合先進的人工智能（ArtificialIntelligence，AI）技術(shù)，在早期階段監(jiān)測并預警可能出現(xiàn)的疾病或環(huán)境問題，防止其擴大化，降低對潛江小龍蝦養(yǎng)殖業(yè)的影響。知識圖譜的應用能夠幫助養(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、食物供應等）及它們與潛江小龍蝦健康之間的關(guān)系。預警系統(tǒng)的設置有助于加強信息化管理，提高了養(yǎng)殖戶對養(yǎng)殖環(huán)境問題的響應速度和解決效率。筆者在未來的研究中將進一步融合知識圖譜和養(yǎng)殖系統(tǒng)，使該系統(tǒng)更加智能化。