基于Arduino和ELM的智能養(yǎng)魚系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)化管理

王 麗，王嘉祥

（1.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710114；2.西北工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710114）

0 引 言

養(yǎng)魚是家庭中經(jīng)常選擇的一種休閑方式。然而，家養(yǎng)的寵物魚成活率不高的問題困擾著很多人。本項(xiàng)目針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)了一套基于Arduino和ELM的智能養(yǎng)魚系統(tǒng)；并利用ELM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，科學(xué)分析各種魚需要的生長(zhǎng)環(huán)境，通過APP上的指令指導(dǎo)用戶科學(xué)養(yǎng)魚、交流養(yǎng)魚心得，提高養(yǎng)魚成活率。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件和軟件部分由溫度傳感器、pH值傳感器、TDS濃度傳感器、Arduino UNO單片機(jī)、HC-05藍(lán)牙模塊、手機(jī)APP等組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的水質(zhì)數(shù)據(jù)化管理主要通過SPSS分析溫度、pH值、TDS濃度的相關(guān)性關(guān)系（Pearson’s相關(guān)系數(shù)）；利用MATLAB極限學(xué)習(xí)機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析溫度、pH值與TDS濃度的映射關(guān)系，以及各種魚類的最適宜溫度和pH值。數(shù)據(jù)分析關(guān)系如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 DS18B20溫度傳感器

DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)值讀數(shù)方式。具體工作原理如圖3所示。

圖3 DS18B20溫度傳感器的工作原理

2.2 pH值傳感器

pH值傳感器模塊通過BNC接頭與PH復(fù)合電極進(jìn)行連接，擴(kuò)展有DS18B20溫度傳感器接口，方便進(jìn)行軟件溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)。調(diào)節(jié)10 kΩ藍(lán)色電位器的旋鈕可以進(jìn)行放大倍數(shù)調(diào)節(jié)（順時(shí)針調(diào)節(jié)增大、逆時(shí)針調(diào)節(jié)減小）。

2.3 Pearson’s相關(guān)性分析

Pearson’s是最常用的相關(guān)系數(shù)，又稱積差相關(guān)系數(shù)，取值為-1～1，絕對(duì)值越大，說明相關(guān)性越強(qiáng)。計(jì)算和檢驗(yàn)該系數(shù)的方法為參數(shù)方法，適用條件如下：（1）兩變量呈直線相關(guān)關(guān)系，如果是曲線相關(guān)可能不準(zhǔn)確。（2）極端值會(huì)對(duì)結(jié)果造成較大的影響。（3）兩變量符合雙變量聯(lián)合正態(tài)分布。

2.4 ELM極限學(xué)習(xí)機(jī)

極限學(xué)習(xí)機(jī)（Extreme Learning Machine, ELM）或“超限學(xué)習(xí)機(jī)”是一類基于前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Feedforward Neuron Network, FNN）構(gòu)建的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)或方法，適用于監(jiān)督學(xué)習(xí)和非監(jiān)督學(xué)習(xí)問題。具體映射關(guān)系如圖4所示。

圖4 極限學(xué)習(xí)機(jī)原理

3 軟件及硬件架構(gòu)

3.1 總體設(shè)計(jì)思路

溫度、pH值、TDS濃度傳感器是適用于水中的傳感器。三者與Arduino UNO通過引線相連后，根據(jù)相應(yīng)Arduino程序?qū)⑺鶛z測(cè)到的水質(zhì)轉(zhuǎn)化為電壓，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字輸出。HC-05模塊是一款藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換器，通過TX和RX引腳，支持使用標(biāo)準(zhǔn)AT命令。將溫度、pH值、TDS濃度傳感器所檢測(cè)到信號(hào)通過藍(lán)牙模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)APP中；在Arduino UNO為其供電后即可被智能手機(jī)、智能平板、電腦等藍(lán)牙設(shè)備發(fā)現(xiàn)，并讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)。手機(jī)APP設(shè)計(jì)分為登錄、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、養(yǎng)魚貼士、養(yǎng)魚日記、養(yǎng)魚論壇等五個(gè)界面。其中，登錄界面設(shè)置為注冊(cè)手機(jī)號(hào)登錄、QQ登錄兩種登錄方式；狀態(tài)監(jiān)測(cè)界面反映當(dāng)前魚所處環(huán)境的溫度、pH值、TDS濃度，每隔1 s更新一次。

3.2 軟硬件優(yōu)勢(shì)

本設(shè)計(jì)所使用的軟硬件系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）Arduino UNO主要以AVR單片機(jī)為核心控制器的單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)板，集成度高、小而靈活。

（2）同時(shí)集成溫度、pH值、TDS濃度傳感器到同一探頭上，監(jiān)測(cè)效率高、數(shù)據(jù)傳輸簡(jiǎn)易。

（3）軟件系統(tǒng)具有便捷性與實(shí)用性，構(gòu)建的養(yǎng)魚交流平臺(tái)具有可操作性與實(shí)用性。

4 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

4.1 總體設(shè)計(jì)思路

通過建立金魚、龍魚、錦鯉、血鸚鵡等十五種常見魚類的溫度數(shù)據(jù)庫(kù)、pH值數(shù)據(jù)庫(kù)、TDS濃度數(shù)據(jù)庫(kù)，代入SPSS進(jìn)行Pearson’s相關(guān)性分析，測(cè)得平均溫度與TDS濃度的相關(guān)性為0.915，平均pH值與TDS濃度的相關(guān)性為0.921，均具有強(qiáng)相關(guān)性。據(jù)此建立映射關(guān)系，先對(duì)溫度、pH值、TDS濃度進(jìn)行歸一化處理，并建立多目標(biāo)規(guī)劃模型，將溫度、pH值按照0.4和0.6的權(quán)重歸于一類變量，并映射到TDS濃度值后代入ELM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

4.2 數(shù)據(jù)化管理系統(tǒng)科學(xué)性

（1）采用Pearson’s相關(guān)性分析確保所選pH值、溫度與雜質(zhì)固溶度有相關(guān)性后再做歸一化計(jì)算。

（2）利用極限學(xué)習(xí)機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定了各種魚類適宜生長(zhǎng)的溫度和pH值，彌補(bǔ)這方面的數(shù)據(jù)空白。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，考慮在家庭養(yǎng)魚活動(dòng)中引入這一技術(shù)有著重要意義。針對(duì)市面上此方面設(shè)備的缺乏，基于Arduino開發(fā)傳感器、藍(lán)牙監(jiān)測(cè)軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)化養(yǎng)魚系統(tǒng)。利用水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)并傳輸顯示數(shù)據(jù)，將養(yǎng)魚這一行為數(shù)據(jù)化和智能化。搭建手機(jī)APP養(yǎng)魚平臺(tái)，為養(yǎng)魚人群提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行映射式的單一魚種生存環(huán)境分析，彌補(bǔ)各類魚種生活環(huán)境適宜指數(shù)缺失的弊端。該系統(tǒng)具有便捷性和科學(xué)性，適用于各種養(yǎng)魚場(chǎng)合，如家庭養(yǎng)魚、智慧漁業(yè)等領(lǐng)域，有廣泛的推廣前景。

注：本文通訊作者為王嘉祥。