基于知识图谱的潜江小龙虾养殖环境智能监控与预警系统设计.pdf

http:/2023年9月 第14卷 第17期基于知识图谱的潜江小龙虾养殖环境智能监控与预警系统设计汪嘉珮武汉工商学院，湖北武汉432000摘要：养殖环境对潜江小龙虾的生长和产量具有重要影响，然而传统的养殖环境监测和管理手段存在效率低、信息不准确等问题。基于此，以知识图谱为基础设计潜江小龙虾养殖环境智能监控与预警系统，旨在实现对小龙虾养殖环境的实时监测、数据分析、个性化预警。首先，利用物联网技术实现对养殖环境的实时监测，根据系统分析完成系统硬件电路设计，选择主控芯片、传感器、执行器件、通信模块等电气元件，监控系统以 STM32为核心，设计微控制器模块电路、电源模块电路、无线通信模块电路，完成 STM32 的 I/O 端口设计；其次，构建包含水质参数、气象条件、养殖技术等多方面内容的知识图谱，并将系统与知识图谱进行关联分析以控制风险；最后，结合机器学习方法，为养殖户提供针对性的环境调控建议和预警服务。关键词：知识图谱；潜江小龙虾；养殖环境；智能监控；预警系统；物联网中图分类号：S966.12；TP277文献标志码：A文章编号：1674-7909-（2023）17-153-60引言潜江小龙虾作为一种特色水产，具有重要的经济和生态价值。针对湖北省潜江市的小龙虾养殖环境进行研究和改良，可以提升养殖效益，促进养殖业发展，保护水域生态环境1。养殖户在养殖小龙虾的过程中存在诸多风险和问题，如病害频发、环境污染等问题。为解决潜江小龙虾养殖中存在的诸多问题，需要研发一套可满足潜江小龙虾养殖需求的环境监测与预警系统。此次研究构建了潜江小龙虾养殖环境知识图谱，以整合、存储、展示与养殖环境相关的多源数据，可为潜江小龙虾养殖管理提供决策支持2-3。为确保研究数据的准确性和一致性4，笔者收集、整理潜江小龙虾养殖环境相关数据和文献，并基于数据构建潜江小龙虾养殖环境知识图谱，然后基于知识图谱设计潜江小龙虾养殖环境智能监控预警系统，以期能为农户的养殖策略提供决策支持5。此次研究的主要创新点在于：应用物联网技术设计潜江小龙虾养殖环境监测与预警系统，可实现对水质参数的实时监测；基于知识图谱设计的潜江小龙虾养殖环境监测与预警系统，可助力农户进行病害防治、养殖决策；该系统具有预警功能，可增强水产养殖的精准性、科学性，提升养殖管理信息化水平6。此研究可以为潜江小龙虾养殖管理提供科学依据和技术支持，从而推动水产养殖业可持续发展和高效利用水域资源7。1系统需求分析和结构设计1.1系统需求分析及功能目标淡水养殖水体的环境因子主要包括溶解氧、pH值、水温、亚硝酸盐质量浓度及液位等。潜江小龙虾对水质要求较高，养殖水体中存在污染物和含氧量、温度等超标都会影响潜江小龙虾产量。笔者开展此研究的主要目的是监测淡水养殖水体环境因子并且实现预警控制（见表1），以保证养殖环境适宜潜江小龙虾生长。该系统利用物联网技术（在虾池内部安装智能传感器，通过有线或无线网络将监测数据传送到手机和计算机等终端平台），实时监测养殖水体环境参数，可让管理基金项目：武汉工商学院 2021 年校级科学研究项目“湖北省潜江市小龙虾产业知识图谱关键技术研究”（A2021015）。作者简介：汪嘉珮（1995），女，硕士，讲师，研究方向：人工智能、计算机应用。153http:/2023年9月 第14卷 第17期人员实时掌握养殖环境信息，并根据监测结果远程控制虾池内相应设备来改变环境，从而实现潜江小龙虾养殖管理自动化、智能化和节能减耗的目标8。此次设计选用的 STM32 为微控制单元（MicrocontrollerUnit，MCU）系统，其内核采用的是 Cortex-M39。该系列属于增强型STM32，不仅功能强大，而且性价比高，能够满足设计需要10。此次系统设计根据潜江小龙虾不同生长阶段对环境参数的要求进行，以实现对虾塘环境的实时监测、对阈值的预警和调控处理，从而营造最适宜潜江小龙虾生长的环境。根据系统需求分析，潜江小龙虾养殖环境智能监控与预警系统应具有以下功能：对养殖环境进行全天24小时实时监测，可以自主设定数据上报时限，实时监测水体溶解氧质量浓度、pH值、温度、亚硝酸盐质量浓度、氨氮质量浓度等；可以查看实时数据和历史数据，并对同类数据进行可视化展示，如以折线图、柱状图等形式呈现，从而方便查询各种环境参数的动态变化11；在该系统中，若环境指标值超标，则会触发预警，并发送警报信息给养殖户；具有数据传输通道，监测设备收集到的相关数据可传输到云平台或服务器12。1.2系统结构框架图1为潜江小龙虾养殖环境智能监控与预警系统结构13。该系统利用无线传感网络技术实现信息采集功能，利用物联网技术实现对养殖水体溶解氧质量浓度、pH值、氨氮质量浓度的监测，将监测数据高效稳定地传送到应用层，最终通过数据分析实现对养殖环境的调控14。该系统主要由感知层、传输层、应用层3个部分组成15。感知层以信息采集为主，通过溶解氧传感器、pH值传感器、温度传感器、亚硝酸盐传感器、氨氮传感器等采集养殖水体的相关参数；传输层利用窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）实现远距离的数据传输16；应用层是养殖户利用终端设备，通过网络访问服务器上的数据，实现对养殖环境的实时监测和监控。该系统可结合知识图谱，为养殖户提供更多的养殖相关知识和技能服务。PC机云服务器ESP8266+Wi-FiESP8266+Wi-FiSTM32A/D转换执行机构溶解氧传感器值传感器温度传感器亚硝酸盐传感器氨氮传感器增氧泵进水蝶阀pH图1潜江小龙虾养殖环境智能监控与预警系统结构表1环境要素采集采集要素溶解氧pH值水温亚硝酸盐氨氮等类别氧气类数据参数酸碱类参数温度类数据参数矿物质类参数液位类数据设备云传物联溶解氧传感器AMT-PR300NS-PH101型pH值传感器数字温度传感器DS18B20CS6721D型数字亚硝酸盐传感器MW-NH101型氨氮传感器采集原因溶解氧是影响小龙虾养殖的关键因素。水体中的溶解氧与水生动物的生存、生长关系密切，淡水养殖水体的溶氧量应保持在 5 mg/L以上水体pH值是反映水质是否适宜水产生物生长的重要指标，会直接影响水产生物的生长。pH值为6.59.0的水体适合水产养殖，超出这个范围，将不利于潜江小龙虾养殖适合小龙虾养殖的温度是2833，超出此范围则小龙虾繁殖速度变慢甚至死亡亚硝酸盐是水产养殖中关键的水质因子，亚硝酸盐超标会影响水生动物的生理功能，包括离子调节、心血管功能、呼吸和内分泌功能，甚至会导致潜江小龙虾大量死亡。当水中亚硝酸盐质量浓度积累到0.1 mg/L后，鱼红细胞数量和血红蛋白数量会逐渐减少氨氮通常会对水生动物造成高水平的氧化损伤，养殖水体中氨氮质量浓度过高会影响潜江小龙虾的生长速度154http:/2潜江小龙虾养殖环境监测与预警系统的设计与实现潜江小龙虾养殖环境监测与预警系统主要针对养殖水体进行环境监测与数据采集，包括对溶解氧质量浓度、pH值、温度、亚硝酸盐质量浓度、氨氮质量浓度等养殖环境因子的信息采集17。2.1感知层设计2.1.1溶解氧传感器系统选用 AMT-PR300云传物联溶解氧传感器。AMT-PR300的优点是免维护、精度高、标定简单，广泛应用于地表水监测、工业废水检测和市政污水监测等领域18。2.1.2pH值传感器此次设计采用上海诺博环保科技有限公司生产的NS-PH101型pH值传感器。该传感器由pH电极和pH值转换器两部分组成。该传感器抗干扰能力强，具有良好的电磁兼容性。该pH值传感器如图2所示。图2pH值传感器2.1.3温度传感器此次设计采用的温度传感器是数字温度传感器DS18B20，其属于新型数字化温度传感器，体积小，适用电压宽，与微处理器接口简单。温度传感器的实物如图3所示。2.2传输层设计传输层主要是通过无线通信模块将信息传输至阿里云服务器。无线通信模块不仅要将监测的环境参数信息上传至阿里云物联网平台，而且要将养殖户的调控指令下发至执行机构。ESP8266-01是一款成本较低的无线通信设备，工作电压为 3.03.6 V。传输层主要使用两个无线Wi-Fi模块ESP8266-01，分别完成信息上传与指令下发任务。ESP8266-01，连接STM32的通用输入输出端口（PB13、PB14、PC12、PD2），通过AT 指令实现两者通信19。ESP8266-01 实物如图 4展示。图4ESP8266-01实物该系统软件功能界面如图 5 所示。该系统界面由养殖环境实时影像、温度实时变化、pH 值实时变化、溶解氧质量浓度实时变化、氨氮质量浓度实时变化等模块构成。通过该界面，养殖户可了解水塘的实时状况，监控水体 pH 值、溶解氧、氨氮、亚硝酸盐等指标20。2.3系统测试养殖户登录潜江小龙虾养殖环境监测与预警系统后，可以看到各功能模块，实现环境参数设置、实时监测环境数据、控制相应设备等操作；可以通过查看各项指标数据的曲线图，直观地看到数据的变化情况（见图6至图9）。监测指标超过预警线后，系统会提示养殖户，帮助养殖户控制相关设备调节水体环境。图3温度传感器汪嘉珮.基于知识图谱的潜江小龙虾养殖环境智能监控与预警系统设计155http:/2023年9月 第14卷 第17期图5系统软件功能7.67.88.08.28.48.68.89.09.29.49.613:5514:0914:2414:3814:5215:0715:21pH值 时间 0.00.20.40.60.81.01.213:5514:0914:2414:3814:5215:0715:21）亚硝酸盐质量浓度/（mg/L时间 01234567813:5514:0914:2414:3814:5215:0715:21）含氧量/（mg/L时间 图6养殖水体pH值7.67.88.08.28.48.68.89.09.29.49.613:5514:0914:2414:3814:5215:0715:21pH值 时间 0.00.20.40.60.81.01.213:5514:0914:2414:3814:5215:0715:21）亚硝酸盐质量浓度/（mg/L时间 01234567813:5514:0914:2414:3814:5215:0715:21）含氧量/（mg/L时间 图7养殖水体亚硝酸盐质量浓度7.67.88.08.28.48.68.89.09.29.49.613:5514:0914:2414:3814:5215:0715:21pH值 时间 0.00.20.40.60.81.01.213:5514:0914:2414:3814:5215:0715:21）亚硝酸盐质量浓度/（mg/L时间 01234567813:5514:0914:2414:3814:5215:0715:21）含氧量/（mg/L时间 图8养殖水体含氧量3潜江小龙虾养殖知识图谱设计知识图谱最初为谷歌知识搜索功能的产品名称，由于该名称贴切上口，广为学界、产业界人士所用，故成为各类结构化知识库的统称。知识图谱是将人类知识结构化而形成的知识体系，包括基本事实、通过规则等相关结构化信息，可用于信息检索、推理决策等智能任务。知识图谱是人工智能研究和智能信息服务的基础核心，能够赋予智能机体精准查询、深度理解和逻辑推理能力。知识图谱的结构化一般是将不同元素之间的复杂关系用三元组的形式表示出来，以形成一个复杂的关系网。三元组作为知识图谱的核心，其表达形式分别为实体1，关系，实体2和实体，属性，属性值，以表示实体之间关系和实体的特征。以实体“潜江小龙虾”为例，其种类包括“潜江龙虾小青2-4、潜江龙虾中青4-6、潜江龙虾大青6-8、潜江龙虾虾苗、湖北潜江伊东藻、潜江螃蟹”。其中，实体1，关系，实体2对应潜江龙虾，种类，潜江龙虾小青 2-4，实体，属性，属性值对应潜江龙虾，繁殖季节，全年。在此次研究中，知识图谱的绘制用 Mac 系统版本的Neo4j，计算机是 Mac Book Pro（处理器是 2.6 GHz、6核英特尔酷睿 i7）；操作系统为 mac OS Big Sur，验证语言为Cypher语言，通过知识获取、构建图谱、知识图谱更新及知识图谱应用等4个步骤，在Neo4j图数据库中导入数据。此次研究数据源自潜江小龙虾苗四宝水产网（）、潜江小龙虾源头养殖基地网（），定义了 276 个实体和 304 个关系。数据层的构建包含各大类实体、属性及实体间的关系。笔者提出的六类属性定义为潜江龙虾种类属性定义、潜江龙虾育苗属性定义、潜江龙虾饵料属性定义、潜江龙虾疾病属性定义、潜江龙虾加工属性定义（潜江龙虾加工工艺步骤）及渔药属性定义。此次研究将潜江小龙虾生产管理知识以RDF三元组的形式呈现给养殖户，使养殖户清晰了解每个实体之间的关系，形成知识图谱（如图10所示）。00.010.020.030.040.050.060.0713:5514:0914:2414:3814:5215:0715:21）氨氮质量浓度/（mg/L时间 图9养殖水体氨氮质量浓度156http:/4基于知识图谱的预警功能的实现该系统预警功能主要分为两个部分：一部分是潜江小龙虾养殖环境风险的预警功能，另一部分是知识图谱的可视化呈现。该系统的预警功能主要包括养殖户订阅、风险通知、阈值设置等。其中，养殖户订阅和阈值设置主要是在客户端相关界面内完成，养殖户可以实时收集数据并且设置自己所需要的环境参数阈值。风险通知是该系统的主要功能，当设备监测的环境指标值超过养殖户设置的阈值时会发出通知，并且会生成相对应的可视化知识谱图，使养殖户更加明确风险的具体内容和位置，以及相对应的解决方案。预警功能知识图谱如图11所示。当系统监测到的环境参数超过阈值时，会在知识图谱上生成相对应的风险节点，展示风险及其位置，使养殖户明确风险的来源。风险预警可视化知识图谱如图12所示。5结论与展望应用基于知识图谱的潜江小龙虾养殖环境智能监控与预警系统，可助力养殖户改善潜江小龙虾的养殖环境，提高生产效率，减少资源浪费。该系统可挖掘分析养殖环境中的复杂关系，辅助养殖户做出更加准确的决策。同时，该系统可结合先进的人工智能（ArtificialIntelligence，AI）技术，在早期阶段监测并预警可能出现的疾病或环境问题，防止其扩大化，降低对潜江小龙虾养殖业的影响。知识图谱的应用能够帮助养殖户更好地理解养殖环境中的各种因素（如水质、气候、食虾苗选择特征特性龙虾科学种养饲料投喂日常管理生态种养技术品种脱壳管理稻田管理水位管理稻田消毒放养前期准备稻田设施建设施足基肥移植水草虾苗运输虾苗投放放养水稻种植图10知识图谱示例图11预警功能知识图谱汪嘉珮.基于知识图谱的潜江小龙虾养殖环境智能监控与预警系统设计157http:/2023年9月 第14卷 第17期物供应等）及它们与潜江小龙虾健康之间的关系。预警系统的设置有助于加强信息化管理，提高了养殖户对养殖环境问题的响应速度和解决效率。笔者在未来的研究中将进一步融合知识图谱和养殖系统，使该系统更加智能化。参考文献：1 董荣伟，孔扬，张慧，等.大规模生猪养殖环境物联网监测系统的研发与应用J.饲料研究，2023（7）：123-127.2 冯栋栋，王娟，朱佳骏，等.基于物联网的奶牛养殖环境监测系统研制 J.河北农业大学学报，2023（1）：103-109.3 杨佳敏.小型鱼塘水产养殖环境监测与预警系统设计 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