1.一种面向智慧稻渔的无线多感数据监测终端系统,其特征在于,包括数据设定模块,环境监控模块,数据处理模块,预警模块,动态调整模块,模块之间存在连接:数据设定模块,用于根据稻渔历史养殖经验和稻渔生长环境,设定初始监测频率;
环境监控模块,实时监控稻渔生长情况、土壤数据以及水产动物状态,及时捕捉稻渔生长环境变化;
数据处理模块,根据环境监控模块提取与稻渔生长环境变化及养殖对象异常相关的特征数据,其中特征数据包括土壤微生物多样性变化指数和水产动物行为熵值变化数据,土壤微生物多样性变化指数的获取过程如下:获取初始状态下每种微生物的相对丰度,将当前每种微生物的相对丰度与初始状态下每种微生物的相对丰度相除得到相对丰度因子;根据相对丰度因子计算土壤微生物多样性变化指数,具体计算公式如下:,
式中,H是土壤微生物多样性变化指数,S为检测到的微生物总种类数, 是当前每种微生物的相对丰度, 是初始状态下每种微生物的相对丰度;
水产动物行为熵值变化数据获取过程如下:
获取水产动物活动的视频数据,每隔一定时间周期从视频数据中提取一帧图像,得到图像序列;对提取的图像进行灰度化处理,并采用高斯滤波去除图像中的噪声;利用深度学习目标检测算法对预处理后的图像进行处理,识别出图像中的水产动物,并确定其轮廓和在图像中的位置坐标;将水产动物的活动区域在图像上划分为 m个大小相等的网格;统计在一定时间段内,每个动物个体出现在不同网格中的次数,计算当前每个网格内动物出现的频率,结合初始状态下每个网格内动物出现的频率,计算水产动物行为熵值变化数据,具体计算公式如下:,
式中,B是水产动物行为熵值变化数据, 是当前每个网格内动物出现的频率, 是初始状态下每个网格内动物出现的频率, 是初始状态下频率指数;
并对特征数据进行分析,量化稻渔生长环境变化程度;
预警模块,将分析后的特征数据输入事先训练好的机器学习模型中,通过机器学习模型对生长环境变化进行预测,过程如下:选择长短期记忆网络作为机器学习模型,使用历史特征数据集对模型进行训练,训练过程中,以时间序列的特征数据作为输入,未来一定时间段内的特征数据作为输出,通过反向传播算法调整模型参数,使模型的预测误差最小化;
将数据处理模块分析后的特征数据集按照时间序列格式整理,输入到训练好的 LSTM 模型中,模型根据输入的特征数据,通过内部的神经元计算和状态传递,输出生态扰动综合指数,对生长环境变化进行预测;
当预测稻渔生长环境变化出现异常时,自动发出预警信号;
动态调整模块,根据实时反馈的预测结果和预警信号,动态调整监测设备的监测频率以应对稻渔生长环境变化,其中动态调整监测设备的监测频率过程如下:当生态扰动综合指数大于预设的生态扰动阈值,根据实时反馈的预测结果和预警信号获取生态扰动综合指数以及预设的生态扰动阈值;
根据生态扰动综合指数以及预设的生态扰动阈值生成监测频率调整系数;
根据监测频率调整系数结合初始监测频率动态调整监测频率,具体计算公式如下:,
式中, 是调整后的监测频率,G是生态扰动综合指数, 是预设的生态扰动阈值, 是生态扰动调节系数, 是初始监测频率权重系数, 是初始监测频率,其中, , 分别是通过历史监测频率调整信息获取。
2.根据权利要求1所述的一种面向智慧稻渔的无线多感数据监测终端系统,其特征在于,设定初始监测频率过程如下:收集稻渔在不同生长阶段的生长指标数据,同时记录养殖过程中的管理操作,得到稻渔生长情况;
整理历史气象数据以及历史土壤数据,并进行预处理;
对预处理后的历史气象数据以及历史土壤数据,分析不同类别下各环境参数的波动范围和变化趋势,得到环境参数波动特性;
根据环境参数波动特性以及稻渔生长情况设定一个初始监测频率。
3.根据权利要求2所述的一种面向智慧稻渔的无线多感数据监测终端系统,其特征在于,当前每种微生物的相对丰度获取过程如下:根据微生物的形态学特征、基因序列对检测到的微生物进行种类分类,得到检测到的微生物总种类数;
结合各微生物对应的脉冲信号数量即微生物的个体数量,计算当前每种微生物的相对丰度。
4.根据权利要求3所述的一种面向智慧稻渔的无线多感数据监测终端系统,其特征在于,各微生物对应的脉冲信号数量即微生物的个体数量获取过程如下:在稻渔养殖区域关键位置设置采样点,并部署搭载微生物传感器的浮标设备,所述微生物传感器采用荧光标记和流式细胞技术,可对不同微生物类群进行识别和计数;
微生物传感器按照设定的频率采集土壤样本,通过内置的荧光检测系统对样本中不同微生物的荧光标记信号进行检测,记录每种微生物的脉冲信号数量,这些脉冲信号数量对应微生物的个体数量;
传感器将采集到的原始脉冲信号数据通过LoRa无线通信模块传输至数据处理中心,存储在时序数据库中;
数据处理中心对接收的脉冲信号数据进行处理,利用传感器的校准参数将脉冲信号转换为实际的微生物个体数量。
5.根据权利要求4所述的一种面向智慧稻渔的无线多感数据监测终端系统,其特征在于,生态扰动综合指数的具体计算公式如下:,
式中,G是生态扰动综合指数,H是土壤微生物多样性变化指数, 是土壤微生物多样性变化指数权重系数,B是水产动物行为熵值变化数据, 是水产动物行为熵值变化数据权重系数, , 均通过历史数据计算分析得到,且均大于0。
6.根据权利要求5所述的一种面向智慧稻渔的无线多感数据监测终端系统,其特征在于,当预测稻渔生长环境变化出现异常时,自动发出预警信号过程如下:将生态扰动综合指数与预设的生态扰动阈值进行对比分析,若生态扰动综合指数大于预设的生态扰动阈值,表明当前环境变化已超出稻渔生长环境变化正常频率,需立即采取干预措施,并自动发出预警信号;
若生态扰动综合指数小于预设的生态扰动阈值,则表明稻渔生长环境处于相对稳定状态,维持监测稻渔生长环境变化情况。