水生螢火蟲(chóng)養(yǎng)殖過(guò)程中的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法

王聲亮

（浙江農(nóng)林大學(xué),浙江 杭州 311300）

0 引言

水生螢火蟲(chóng)屬于昆蟲(chóng)綱、磷蟲(chóng)科，其幼蟲(chóng)寄生于水生蜉蝣、螳螂等節(jié)肢動(dòng)物的體內(nèi)。螢火蟲(chóng)又稱“生物發(fā)光燈”，具有光性生物的特征，是一種獨(dú)特的生物，備受人們的喜愛(ài)。人工高效生產(chǎn)養(yǎng)殖螢火蟲(chóng)具有重要價(jià)值：（1）可滿足環(huán)境教育與自然教育的需求；（2）在種源保存方面可保護(hù)生物多樣性；（3）環(huán)境指示生物，用于檢測(cè)環(huán)境水質(zhì)、污染程度等指標(biāo)；（4）應(yīng)用于各種商業(yè)活動(dòng)。因此近年來(lái)螢火蟲(chóng)的銷售價(jià)格不斷攀升，銷售價(jià)格達(dá)到養(yǎng)殖成本的3～10 倍，利潤(rùn)空間巨大。但水生螢火蟲(chóng)的人工養(yǎng)殖受到了養(yǎng)殖環(huán)境（主要是水質(zhì)環(huán)境）的制約，野外水源無(wú)法保障水質(zhì)來(lái)源穩(wěn)定，城市供水需要先進(jìn)行除氯，導(dǎo)致供水量受限，所以對(duì)養(yǎng)殖過(guò)程中水質(zhì)的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)至關(guān)重要。

本文旨在針對(duì)水生螢火蟲(chóng)養(yǎng)殖過(guò)程中的水質(zhì)監(jiān)測(cè)問(wèn)題進(jìn)行研究，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和web技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一款面向水生螢火蟲(chóng)養(yǎng)殖的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)的研究可以根據(jù)水生螢火蟲(chóng)養(yǎng)殖過(guò)程中對(duì)水質(zhì)環(huán)境的要求對(duì)水質(zhì)進(jìn)行多參數(shù)、連續(xù)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程自動(dòng)傳輸，便于養(yǎng)殖管理人員隨時(shí)在LCD和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)查詢到待測(cè)水資源的水質(zhì)信息，同時(shí)根據(jù)水質(zhì)的變化情況為養(yǎng)殖管理人員提供相應(yīng)的決策參考。在積累一定量的數(shù)據(jù)之后，通過(guò)算法為今后的養(yǎng)殖提供預(yù)測(cè)，提高水生螢火蟲(chóng)養(yǎng)殖管理質(zhì)量和效率，為大批量規(guī)模化養(yǎng)殖提供決策參考，同時(shí)也為其他行業(yè)如熱帶魚(yú)養(yǎng)殖、冷水觀賞魚(yú)養(yǎng)殖等提供參考。

1 水生螢火蟲(chóng)研究現(xiàn)狀

水生螢火蟲(chóng)在其幼蟲(chóng)生長(zhǎng)階段受水質(zhì)環(huán)境影響的主要指標(biāo)包括水溫、溶氧量、氨氮、pH 值和鹽度等指標(biāo)[1-2]。傳統(tǒng)的以試紙測(cè)試、手動(dòng)檢測(cè)為主的水質(zhì)檢測(cè)方法受到精度和檢測(cè)效率的制約已無(wú)法適應(yīng)水生螢火蟲(chóng)精細(xì)化養(yǎng)殖的需求。因此，為了實(shí)現(xiàn)水生螢火蟲(chóng)的高效、可持續(xù)養(yǎng)殖，需要對(duì)其生長(zhǎng)環(huán)境的水質(zhì)進(jìn)行精細(xì)化監(jiān)測(cè)和調(diào)控。

1.1 水生螢火蟲(chóng)的生物學(xué)和行為學(xué)研究

水生螢火蟲(chóng)是一種獨(dú)特的生物，對(duì)其生長(zhǎng)環(huán)境的水質(zhì)要求較高。近年來(lái)對(duì)水生螢火蟲(chóng)的生物學(xué)和行為學(xué)研究逐漸深入。付新亮等[3]研究發(fā)現(xiàn)水生螢火蟲(chóng)在寄生于蜉蝣體內(nèi)的幼蟲(chóng)階段會(huì)發(fā)生體色變化，雷氏黃螢的幼蟲(chóng)體色在3天內(nèi)從淡黃色變成淡綠色，條背螢的幼蟲(chóng)體色在5天內(nèi)從淡黃色變成淡綠色。同時(shí)，他們還研究了水生螢火蟲(chóng)的雄性吸引雌性的發(fā)光行為，發(fā)現(xiàn)螢火蟲(chóng)的發(fā)光強(qiáng)度與雌性選擇有關(guān)。

鄭霞林等[4]研究發(fā)現(xiàn)水生螢火蟲(chóng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，可在不同的水生昆蟲(chóng)寄生且螢火蟲(chóng)的生命史變化不顯著。同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)水溫、溶氧量、氨氮、pH 值和鹽度等因素對(duì)水生螢火蟲(chóng)的生長(zhǎng)有較大影響。在幼蟲(chóng)階段，水溫應(yīng)維持在22～28℃，溶氧量應(yīng)在5mg/L以上，氨氮應(yīng)小于0.5mg/L，pH 值應(yīng)保持在6.5～8.5 之間，鹽度應(yīng)小于0.1%。

1.2 水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究進(jìn)展

目前已有的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳統(tǒng)的手動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩種方式。傳統(tǒng)的手動(dòng)檢測(cè)需要專業(yè)人員對(duì)水質(zhì)進(jìn)行采樣、檢測(cè)和分析，操作復(fù)雜，精度較低且監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)，無(wú)法及時(shí)掌握水質(zhì)狀況；自動(dòng)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常采用傳感器對(duì)水質(zhì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸方式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。自動(dòng)化水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)精度高、實(shí)時(shí)性好和自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)。

王愛(ài)民等[5]設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，提高了水質(zhì)監(jiān)測(cè)的效率和準(zhǔn)確性。張建輝等人[6]設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，通過(guò)傳感器對(duì)水質(zhì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水質(zhì)的自動(dòng)化管理。

但是，目前已有的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多數(shù)都面向傳統(tǒng)養(yǎng)殖行業(yè)，對(duì)于水生螢火蟲(chóng)養(yǎng)殖過(guò)程中水質(zhì)的精細(xì)化監(jiān)測(cè)和調(diào)控還存在較大挑戰(zhàn)。

2 研究方法

主成分分析法（Principal Component Analysis，PCA）是一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法，可以將多個(gè)相關(guān)性較高的變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)無(wú)關(guān)的綜合指標(biāo)，從而減少變量數(shù)量，提高數(shù)據(jù)的解釋性和預(yù)測(cè)能力[7-10]。在本文中，根據(jù)試驗(yàn)提供的數(shù)據(jù)將主成分分析法用于對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖中水溫、溶氧量、氨氮、pH值和鹽度等指標(biāo)的多變量時(shí)間序列篩選中，選出相關(guān)性較大的水質(zhì)參數(shù)，從而減少變量數(shù)量，提高數(shù)據(jù)的解釋性和預(yù)測(cè)能力，降低模型輸入數(shù)據(jù)維度。

首先對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以消除量綱影響，然后進(jìn)行主成分分析。在主成分分析中選取累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%的主成分作為模型輸入，最后將選出的主成分作為模型的輸入數(shù)據(jù)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。通過(guò)主成分分析法的篩選得到相關(guān)性較大的水質(zhì)參數(shù)，為后續(xù)水產(chǎn)養(yǎng)殖問(wèn)題的分析和預(yù)測(cè)提供準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)支持。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)由多個(gè)傳感器和控制器組成，其中溫度傳感器、溶氧傳感器、氨氮傳感器、pH傳感器和鹽度傳感器分別用于對(duì)水溫、溶氧量、氨氮、pH值和鹽度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。控制器負(fù)責(zé)控制傳感器的采樣和數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)還包括一個(gè)數(shù)據(jù)中心和一個(gè)LCD顯示屏，用于顯示和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)軟件

整個(gè)系統(tǒng)軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)充分考慮了各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)和配合，實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定和可靠的水產(chǎn)養(yǎng)殖智能監(jiān)控和管理。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)部分：傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。傳感器采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)水溫、溶氧量、氨氮、pH值和鹽度等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)主成分分析法篩選出相關(guān)性較大的水質(zhì)參數(shù)，再通過(guò)MSLSTM-DA算法建立水質(zhì)監(jiān)測(cè)和預(yù)警模型，預(yù)測(cè)水質(zhì)的變化趨勢(shì)，并生成相應(yīng)的決策和建議；數(shù)據(jù)顯示模塊負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上，方便養(yǎng)殖管理人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文選取條背螢和雷氏黃螢作為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其幼蟲(chóng)生長(zhǎng)過(guò)程中的水質(zhì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)環(huán)境參數(shù)的多參數(shù)、連續(xù)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程自動(dòng)傳輸，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)參數(shù)的預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)，具有較高的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)效益。

試驗(yàn)地點(diǎn)為螢火蟲(chóng)養(yǎng)殖的專業(yè)環(huán)境，試驗(yàn)對(duì)象為雷氏黃螢幼蟲(chóng)，選取水溫、溶氧量、氨氮、pH 值和鹽度作為主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)。

4.1 主成分分析結(jié)果

將原始數(shù)據(jù)輸入到主成分分析模型中進(jìn)行處理，選取主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為95%，得到了水溫、溶氧量、氨氮、pH值和鹽度等5個(gè)主成分，具體結(jié)果如表1。

表1 主成分分析

4.2 MSLSTM-DA 算法預(yù)測(cè)結(jié)果

將主成分分析結(jié)果作為輸入，采用MSLSTM-DA算法進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際數(shù)據(jù)的對(duì)比得到如圖1的預(yù)測(cè)結(jié)果。可以看出，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)具有較高的擬合度和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。

圖1 MSLSTM-DA 算法預(yù)測(cè)結(jié)果

在圖中，MSLSTM-DA算法預(yù)測(cè)結(jié)果是通過(guò)將模型訓(xùn)練得到的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得到的預(yù)測(cè)結(jié)果。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示了MSLSTM-DA算法在預(yù)測(cè)水生螢火蟲(chóng)幼蟲(chóng)養(yǎng)殖過(guò)程中的水質(zhì)環(huán)境方面的準(zhǔn)確性和可靠性。預(yù)測(cè)結(jié)果包括兩個(gè)圖形，分別為“模型訓(xùn)練誤差”和“模型預(yù)測(cè)誤差”，其中“模型訓(xùn)練誤差”圖形顯示了模型在訓(xùn)練過(guò)程中的誤差變化情況，用于評(píng)估模型的訓(xùn)練效果；“模型預(yù)測(cè)誤差”圖形顯示了模型在預(yù)測(cè)過(guò)程中的誤差變化情況，用于評(píng)估模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。這些預(yù)測(cè)結(jié)果可以為養(yǎng)殖管理人員更好地了解水生螢火蟲(chóng)養(yǎng)殖過(guò)程中的水質(zhì)環(huán)境變化情況，以便提供決策參考，保障水生螢火蟲(chóng)的健康生長(zhǎng)。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

本文對(duì)水生螢火蟲(chóng)養(yǎng)殖過(guò)程中水質(zhì)監(jiān)測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和web技術(shù)設(shè)計(jì)一款面向水生螢火蟲(chóng)養(yǎng)殖的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方案。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫、溶氧量、氨氮、pH值和鹽度等多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行多參數(shù)、連續(xù)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)傳輸，并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)參數(shù)的預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)，具有較高的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)效益。

在試驗(yàn)中，本文利用MSLSTM-DA算法建立了一個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)和預(yù)警模型并成功地將其應(yīng)用于水生螢火蟲(chóng)的養(yǎng)殖管理中。試驗(yàn)結(jié)果表明，該預(yù)測(cè)模型與實(shí)際數(shù)據(jù)具有高度的擬合性。

5.2 展望

本文并提出了一種面向水生螢火蟲(chóng)養(yǎng)殖的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，但該方案還存在一些需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善的地方。

首先，可以進(jìn)一步完善水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)方面，可以加強(qiáng)對(duì)傳感器的選擇和布局，提高系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度和覆蓋范圍；在軟件設(shè)計(jì)方面，優(yōu)化算法和數(shù)據(jù)處理流程，提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。在養(yǎng)殖過(guò)程中通過(guò)系統(tǒng)預(yù)測(cè)以及硬件系統(tǒng)并行測(cè)量的方式實(shí)現(xiàn)更為精細(xì)化的養(yǎng)殖管理。此外，深入研究水生螢火蟲(chóng)的生物學(xué)和行為學(xué)特征，以便更好地掌握其生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中對(duì)水質(zhì)環(huán)境的需求和適應(yīng)能力，這樣可以更加準(zhǔn)確地選擇監(jiān)測(cè)指標(biāo)和建立預(yù)測(cè)模型，從而提高系統(tǒng)的實(shí)用性和適應(yīng)性。