DE202023107102U1 - An IoT-based water quality prediction system for aquaponics farming applications - Google Patents

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Abstract

Ein IoT- basiertes System zur Vorhersage der Wasserqualität für Anwendungen in der Aquaponik- Landwirtschaft, wobei das System Folgendes umfasst:eine Reihe mehrerer IoT- Sensoren, die so konfiguriert sind, dass sie Echtzeitdaten aus der aquaponischen Umgebung sammeln;eine Speichereinheit zum Speichern der gesammelten Echtzeitdaten mithilfe eines Sensorarrays, wobei die Speichereinheit dazu ein Speichergerät verwendet;eine zentralisierte Verarbeitungseinheit, die einen konfigurierten Prozessor zur Überwachung und Vorhersage der Wasserqualität für die Aquaponik-Landwirtschaft umfasst, indem die in der Speichereinheit gespeicherten Daten verwendet werden, um den Prozessor für die Vorhersage zu trainieren; undeine Benutzeroberfläche in Verbindung mit der zentralen Verarbeitungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die vorhergesagten Ergebnisse in Bezug auf Kaltwasser-, Warmwasserfische, Pflanzen und Bakterien anzeigt, um das Aquaponik-Landwirtschaftsgeschäft zu verbessern.An IoT based water quality prediction system for aquaponic farming applications, the system comprising: an array of multiple IoT sensors configured to collect real-time data from the aquaponic environment; a storage unit for storing the collected real-time data using a sensor array, the storage unit using a storage device; a centralized processing unit comprising a configured processor for monitoring and predicting water quality for aquaponic farming by using the data stored in the storage unit to the processor for the prediction to train; anda user interface in communication with the central processing unit configured to display the predicted results related to cold water, warm water fish, plants and bacteria to improve the aquaponics farming business.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein IoT- basiertes Wasserqualitätsvorhersagesystem für Aquaponik-Landwirtschaftsanwendungen, insbesondere auf ein IoT- basiertes intelligentes System, das auf der Grundlage gesammelter Daten die Wasserqualität überwacht und eine Zuchtvorhersage für Kaltwasser-, Warmwasserfische, Pflanzen, und Bakterien zur Verbesserung des Aquaponik-Landwirtschaftsgeschäfts.The present disclosure relates to an IoT-based water quality prediction system for aquaponics farming applications, particularly to an IoT-based intelligent system that monitors water quality based on collected data and provides breeding prediction for cold-water, warm-water fish, plants, and bacteria to improve the Aquaponics farming business.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

In der sich ständig weiterentwickelnden Landschaft der Landwirtschaft hat sich die Integration der Aquaponik als vielversprechender Ansatz herausgestellt, der den Anbau von Fischen und Pflanzen in einer symbiotischen Umgebung miteinander verbindet. Das volle Potenzial der Aquaponik-Landwirtschaft bleibt jedoch ungenutzt, was vor allem auf den Mangel an Fachwissen und Bewusstsein bei den Landwirten zurückzuführen ist.In the ever-evolving landscape of agriculture, the integration of aquaponics has emerged as a promising approach that combines the cultivation of fish and plants in a symbiotic environment. However, the full potential of aquaponics farming remains untapped, largely due to the lack of expertise and awareness among farmers.

Eine der entscheidenden Herausforderungen dieser innovativen landwirtschaftlichen Praxis ist das Fehlen eines umfassenden Systems zur Überwachung und Vorhersage von Wasserqualitätsparametern. Die Bedeutung der Wasserqualität in der Aquaponik kann nicht genug betont werden, da sie direkten Einfluss auf das Wachstum, die Gesundheit und die Gesamtproduktivität des miteinander verbundenen Ökosystems aus Fischen, Pflanzen und nützlichen Bakterien hat.One of the key challenges of this innovative agricultural practice is the lack of a comprehensive system for monitoring and predicting water quality parameters. The importance of water quality in aquaponics cannot be overemphasized as it has a direct impact on the growth, health and overall productivity of the interconnected ecosystem of fish, plants and beneficial bacteria.

Traditionelle Anbaumethoden werden den komplexen Anforderungen der Aquaponik oft nicht gerecht, was zu suboptimalen Erträgen und einer erhöhten Anfälligkeit für Krankheiten führt. Angesichts dieser Wissens- und Technologielücke ist die Erfindung eines intelligenten Systems zur Vorhersage oder Überwachung der Wasserqualität unabdingbar.Traditional farming methods often fail to meet the complex requirements of aquaponics, resulting in suboptimal yields and increased susceptibility to disease. Given this knowledge and technology gap, the invention of an intelligent system to predict or monitor water quality is essential.

Aus der vorstehenden Diskussion wird deutlich, dass ein Bedarf an einem IoT- basierten System zur Vorhersage der Wasserqualität für Anwendungen in der Aquaponik-Landwirtschaft besteht.From the above discussion, it is clear that there is a need for an IoT based water quality prediction system for aquaponic farming applications.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein IoT- basiertes Wasserqualitätsvorhersagesystem für Aquaponik-Landwirtschaftsanwendungen. Um die Aquaponik-Landwirtschaft zu unterstützen, bietet das vorgeschlagene System Zuchtvorhersagen für Warm- und Kaltwasserfische, Pflanzen und Mikroorganismen. Das vorgeschlagene System nutzt zunächst Sensoren des Internets der Dinge, um Daten zu sammeln. Anschließend werden Ausreißer und fehlende Werte im Rahmen der Datenbereinigung eliminiert. Anschließend werden unerwünschte Merkmale eliminiert und Merkmale ermittelt, die den erkannten Daten zugeordnet sind. Um das Problem der unausgeglichenen Klasse zu lösen, bieten wir als Nächstes einen brandneuen M-SMOTE-Ansatz an. Schließlich wird im vorgeschlagenen Ansatz die Multimodellklassifizierung für das aquaponische Ökosystem verwendet. Der vorgeschlagene Ansatz bewertet die Wirksamkeit von sechs Klassifikatoren mithilfe des Mechanismus der optimalen Vorhersage basierend auf Abstimmungen. Basierend auf dem Abstimmungskonzept wählt die vorgeschlagene Technik XGBoost und Random Forest als die besten Klassifikatoren aus. Das vorgeschlagene System wird auf seine Leistung hin bewertet, wobei die Ergebnisse darauf hindeuten, dass das vorgeschlagene System eine Genauigkeit von 99,13 % aufweist.The present disclosure relates to an IoT based water quality prediction system for aquaponics farming applications. To support aquaponics farming, the proposed system provides breeding predictions for warm and cold water fish, plants and microorganisms. The proposed system first uses Internet of Things sensors to collect data. Outliers and missing values are then eliminated as part of the data cleaning. Undesirable features are then eliminated and features associated with the recognized data are determined. Next, to solve the imbalanced class problem, we propose a brand new M-SMOTE approach. Finally, the proposed approach uses multi-model classification for the aquaponic ecosystem. The proposed approach evaluates the effectiveness of six classifiers using the mechanism of optimal prediction based on voting. Based on the voting concept, the proposed technique selects XGBoost and Random Forest as the best classifiers. The proposed system is evaluated for its performance, with the results indicating that the proposed system has an accuracy of 99.13%.

Die Offenbarung bezieht sich darauf, ein IoT-basiertes System zur Vorhersage der Wasserqualität für Anwendungen in der Aquaponik-Landwirtschaft bereitzustellen. Das System umfasst: eine Reihe mehrerer IoT- Sensoren, die so konfiguriert sind, dass sie Echtzeitdaten aus der aquaponischen Umgebung sammeln; eine Speichereinheit zum Speichern der gesammelten Echtzeitdaten mithilfe eines Sensorarrays, wobei die Speichereinheit dazu ein Speichergerät verwendet; eine zentralisierte Verarbeitungseinheit, die einen konfigurierten Prozessor zur Überwachung und Vorhersage der Wasserqualität für die Aquaponik-Landwirtschaft umfasst, indem die in der Speichereinheit gespeicherten Daten verwendet werden, um den Prozessor für die Vorhersage zu trainieren; und eine Benutzerschnittstelle in Verbindung mit der zentralen Verarbeitungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die vorhergesagten Ergebnisse in Bezug auf Kaltwasser, Warmwasserfische, Pflanzen und Bakterien anzeigt, um das Aquaponik-Landwirtschaftsgeschäft zu verbessern.The disclosure relates to providing an IoT-based water quality prediction system for aquaponic farming applications. The system includes: a series of multiple IoT sensors configured to collect real-time data from the aquaponic environment; a storage unit for storing the collected real-time data using a sensor array, the storage unit using a storage device for this purpose; a centralized processing unit comprising a processor configured to monitor and predict water quality for aquaponic farming by using the data stored in the storage unit to train the processor to predict; and a user interface in conjunction with the central processing unit configured to display the predicted results related to cold water, warm water fish, plants and bacteria to improve the aquaponics farming business.

In einer Ausführungsform sind die mehreren IoT- Sensoren an mehreren Standorten platziert.In one embodiment, the multiple IoT sensors are placed in multiple locations.

In einer Ausführungsform umfasst das System außerdem ein Kommunikationsmodul, das die Kommunikation von Daten von Sensoren zur Speichereinheit und weiter zur zentralen Verarbeitungseinheit erleichtert.In one embodiment, the system further comprises a communication module that facilitates the communication of data from sensors to the storage unit and further to the central processing unit.

In einer Ausführungsform ist die zentralisierte Verarbeitungseinheit, die einen Prozessor zur Vorhersage auf der Grundlage der in Echtzeit gesammelten Daten umfasst, so konfiguriert, dass sie: die gesammelten Daten bereinigt, indem fehlende Werte ersetzt und Ausreißer entfernt werden; Extrahieren Sie die Merkmale, die mit den erfassten Daten korrelieren, und entwickeln Sie einen Datensatz extrahierter Merkmale. Behandeln Sie das Problem der unausgeglichenen Daten innerhalb des Datensatzes, indem Sie einen M-SMOTE-Algorithmus für den Datensatz implementieren. und Vorhersage des Endergebnisses mithilfe einer multimodalen Klassifizierung für das aquaponische Ökosystem, wobei ein Abstimmungsmechanismus zur Bewertung der Leistung von Klassifikatoren verwendet wird.In one embodiment, the centralized processing unit, including a processor for making predictions based on the real-time collected data, is configured to: clean the collected data by replacing missing values and removing outliers; Extract the features that correlate with the collected data and develop a data set of extracted features. Address the problem of imbalanced data within the dataset by implementing an M-SMOTE algorithm on the dataset. and predicting the final outcome using multimodal classification for the aquaponic ecosystem, using a voting mechanism to evaluate the performance of classifiers.

In einer Ausführungsform wird die Merkmalsextraktion unter Verwendung einer Korrelationsmatrix mit Heatmap durchgeführt und Merkmale ausgewählt, die am meisten zu den vorhergesagten Variablen beitragen.In one embodiment, feature extraction is performed using a heatmap correlation matrix and features that contribute most to the predicted variables are selected.

In einer Ausführungsform wird der Datensatz in der Speichereinheit gespeichert, die ein Speichergerät umfasst.In one embodiment, the data set is stored in the storage unit, which includes a storage device.

In einer Ausführungsform wird durch die Implementierung des M-SMOTE-Algorithmus auf den Datensatz ein neuer Datensatz erstellt, der den in der Speichereinheit gespeicherten alten Datensatz ersetzt, keine Ausreißerwerte aufweist und einen rauschfreien Datensatz zum Erzeugen der synthetischen Stichproben für Minderheitsklassen bereitstellt.In one embodiment, implementing the M-SMOTE algorithm on the data set creates a new data set that replaces the old data set stored in the storage device, has no outlier values, and provides a noise-free data set for generating the synthetic samples for minority classes.

In einer Ausführungsform werden sechs verschiedene Klassifikatoren verwendet, die trainiert werden und deren Leistung bewertet wird, und der Klassifikator mit der besten Leistung wird als Vorhersagemodell ausgewählt, das das Ergebnis auf der Grundlage der eingegebenen verarbeiteten Daten vorhersagt.In one embodiment, six different classifiers are used, which are trained and whose performance is evaluated, and the best performing classifier is selected as a prediction model that predicts the outcome based on the input processed data.

Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung besteht darin, ein IoT- basiertes System zur Vorhersage der Wasserqualität für Anwendungen in der Aquaponik-Landwirtschaft bereitzustellen.An objective of the present disclosure is to provide an IoT-based water quality prediction system for aquaponic farming applications.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung besteht darin, ein System bereitzustellen, das eine landwirtschaftliche Vorhersage für Kaltwasser- und Warmwasserfische, Pflanzen und Bakterien liefert, um das Aquaponik-Landwirtschaftsgeschäft zu verbessern.Another objective of the present disclosure is to provide a system that provides agricultural prediction for cold water and warm water fish, plants and bacteria to improve the aquaponics farming business.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung besteht darin, Kaltwasserfische, Warmwasserfische, Pflanzen und nützliche Bakterien vorherzusagen, die für Süßwasser geeignet sind.Another objective of the present disclosure is to predict cold water fish, warm water fish, plants and beneficial bacteria suitable for fresh water.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Offenbarung besteht darin, Strategien und Abhilfemaßnahmen für eine effiziente Fischzucht unter Berücksichtigung anderer Wasserorganismen wie Bakterien und Pflanzen bereitzustellen, um ein ausgewogenes Ökosystem zu schaffen.Another objective of the present disclosure is to provide strategies and remedies for efficient fish farming taking into account other aquatic organisms such as bacteria and plants to create a balanced ecosystem.

Um die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung weiter zu verdeutlichen, erfolgt eine detailliertere Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Es versteht sich, dass diese Zeichnungen nur typische Ausführungsformen der Erfindung darstellen und daher nicht als deren Umfang einschränkend anzusehen sind. Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen genauer und detaillierter beschrieben und erläutert.In order to further illustrate the advantages and features of the present disclosure, a more detailed description of the invention will be made with reference to specific embodiments thereof shown in the accompanying drawings. It is understood that these drawings represent only typical embodiments of the invention and are therefore not to be viewed as limiting its scope. The invention is described and explained in more detail and in greater detail with reference to the accompanying drawings.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser verständlich, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile darstellen, wobei:

  • 1 veranschaulicht ein Blockdiagramm eines IoT- basierten Wasserqualitätsvorhersagesystems für Aquaponik-Landwirtschaftsanwendungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; Und
  • 2 zeigt ein Diagramm, das den Rahmen des vorgeschlagenen Systems zur Vorhersage der Wasserqualität für die Aquaponik-Landwirtschaft gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
These and other features, aspects and advantages of the present disclosure will be better understood when the following detailed description is read with reference to the accompanying drawings, in which like reference numerals represent like parts throughout the drawings, in which:
  • 1 illustrates a block diagram of an IoT-based water quality prediction system for aquaponics farming applications according to an embodiment of the present disclosure; And
  • 2 Fig. 12 is a diagram showing the framework of the proposed water quality prediction system for aquaponic farming according to an embodiment of the present disclosure.

Darüber hinaus werden erfahrene Handwerker erkennen, dass Elemente in den Zeichnungen der Einfachheit halber dargestellt sind und möglicherweise nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Beispielsweise veranschaulichen die Flussdiagramme die Methode anhand der wichtigsten Schritte, die dazu beitragen, das Verständnis von Aspekten der vorliegenden Offenbarung zu verbessern. Darüber hinaus können im Hinblick auf die Konstruktion des Geräts eine oder mehrere Komponenten des Geräts in den Zeichnungen durch herkömmliche Symbole dargestellt worden sein, und die Zeichnungen zeigen möglicherweise nur die spezifischen Details, die für das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung relevant sind um die Zeichnungen nicht durch Details zu verdecken, die für den Durchschnittsfachmann, der die Beschreibung hierin nutzt, leicht ersichtlich sind.Additionally, experienced craftsmen will recognize that elements in the drawings are presented for convenience and may not necessarily have been drawn to scale. For example, the flowcharts illustrate the method through key steps that help improve understanding of aspects of the present disclosure. Additionally, in view of the construction of the device, one or more components of the device may have been represented in the drawings by conventional symbols, and the drawings may show only the specific details relevant to understanding the embodiments of the present disclosure around the drawings not to be obscured by details that would be readily apparent to one of ordinary skill in the art using the description herein.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG:DETAILED DESCRIPTION:

Um das Verständnis der Prinzipien der Erfindung zu fördern, wird nun auf die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform Bezug genommen und für deren Beschreibung eine spezifische Sprache verwendet. Es versteht sich jedoch, dass dadurch keine Einschränkung des Umfangs der Erfindung beabsichtigt ist, da Änderungen und weitere Modifikationen des dargestellten Systems und weitere Anwendungen der darin dargestellten Prinzipien der Erfindung in Betracht gezogen werden, wie sie einem Fachmann normalerweise in den Sinn kommen würden in der Technik, auf die sich die Erfindung bezieht.In order to promote understanding of the principles of the invention, reference will now be made to the embodiment shown in the drawings and specific language will be used to describe the same. It is to be understood, however, that this is not intended to limit the scope of the invention, since changes and further modifications to the system illustrated and further applications of the principles of the invention set forth therein are contemplated as would normally occur to one skilled in the art Technology to which the invention relates.

Der Fachmann versteht, dass die vorstehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd für die Erfindung sind und diese nicht einschränken sollen.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and illustrative of the invention and are not intended to limit the same.

Verweise in dieser Spezifikation auf „einen Aspekt“, „einen anderen Aspekt“ oder eine ähnliche Sprache bedeuten, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder ein bestimmtes Merkmal, das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten ist. Daher beziehen sich die Formulierungen „in einer Ausführungsform“, „in einer anderen Ausführungsform“ und ähnliche Formulierungen in dieser Spezifikation möglicherweise, aber nicht unbedingt, auf dieselbe Ausführungsform.References in this specification to “an aspect,” “another aspect,” or similar language mean that a particular feature, structure, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment of the present disclosure is included. Therefore, the phrases “in one embodiment,” “in another embodiment,” and similar phrases in this specification may, but not necessarily, refer to the same embodiment.

Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“ oder andere Variationen davon sollen eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken, sodass ein Prozess oder eine Methode, die eine Liste von Schritten umfasst, nicht nur diese Schritte umfasst, sondern möglicherweise andere Schritte nicht umfasst ausdrücklich aufgeführt oder diesem Prozess oder dieser Methode innewohnend sind. Ebenso schließen ein oder mehrere Geräte oder Subsysteme oder Elemente oder Strukturen oder Komponenten, denen „umfasst...a“ vorangestellt ist, nicht ohne weitere Einschränkungen die Existenz anderer Geräte oder anderer Subsysteme oder anderer Elemente oder anderer Strukturen aus andere Komponenten oder zusätzliche Geräte oder zusätzliche Subsysteme oder zusätzliche Elemente oder zusätzliche Strukturen oder zusätzliche Komponenten.The terms “includes,” “comprising,” or other variations thereof are intended to cover non-exclusive inclusion, such that a process or method that includes a list of steps not only includes those steps, but may include other steps not specifically listed or following this inherent in the process or method. Likewise, one or more devices or subsystems or elements or structures or components prefixed with "comprises...a" do not exclude, without further limitation, the existence of other devices or other subsystems or other elements or other structures from other components or additional devices or additional subsystems or additional elements or additional structures or additional components.

Sofern nicht anders definiert, haben alle hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung, wie sie von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, allgemein verstanden werden. Das hier bereitgestellte System, die Methoden und Beispiele dienen nur der Veranschaulichung und sollen nicht einschränkend sein.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as generally understood by one of ordinary skill in the art to which this invention pertains. The system, methods and examples provided herein are for illustrative purposes only and are not intended to be limiting.

Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden im Folgenden ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.Embodiments of the present disclosure are described in detail below with reference to the accompanying drawings.

Die in dieser Spezifikation beschriebenen Funktionseinheiten sind als Geräte gekennzeichnet. Ein Gerät kann in programmierbaren Hardwaregeräten wie Prozessoren, digitalen Signalprozessoren, Zentraleinheiten, feldprogrammierbaren Gate-Arrays, programmierbarer Array-Logik, programmierbaren Logikgeräten, Cloud-Verarbeitungssystemen oder dergleichen implementiert werden. Die Geräte können auch in Software zur Ausführung durch verschiedene Prozessortypen implementiert werden. Ein identifiziertes Gerät kann ausführbaren Code enthalten und beispielsweise einen oder mehrere physische oder logische Blöcke von Computeranweisungen umfassen, die beispielsweise als Objekt, Prozedur, Funktion oder anderes Konstrukt organisiert sein können. Dennoch muss die ausführbare Datei eines identifizierten Geräts nicht physisch zusammen angeordnet sein, sondern kann aus unterschiedlichen, an unterschiedlichen Orten gespeicherten Anweisungen bestehen, die, wenn sie logisch zusammengefügt werden, das Gerät bilden und den angegebenen Zweck des Geräts erfüllen.The functional units described in this specification are identified as devices. A device may be implemented in programmable hardware devices such as processors, digital signal processors, central processing units, field programmable gate arrays, programmable array logic, programmable logic devices, cloud processing systems, or the like. The devices can also be implemented in software for execution by different types of processors. An identified device may contain executable code and, for example, include one or more physical or logical blocks of computer instructions, which may be organized, for example, as an object, procedure, function, or other construct. However, the executable file of an identified device does not have to be physically located together, but may consist of different files stored in different locations Instructions exist which, when logically put together, form the device and fulfill the stated purpose of the device.

Tatsächlich könnte ein ausführbarer Code eines Geräts oder Moduls eine einzelne Anweisung oder mehrere Anweisungen sein und sogar über mehrere verschiedene Codesegmente, zwischen verschiedenen Anwendungen und über mehrere Speichergeräte verteilt sein. In ähnlicher Weise können Betriebsdaten hier innerhalb des Geräts identifiziert und dargestellt werden und können in jeder geeigneten Form verkörpert und in jeder geeigneten Art von Datenstruktur organisiert werden. Die Betriebsdaten können als einzelner Datensatz erfasst oder über verschiedene Standorte, einschließlich verschiedener Speichergeräte, verteilt werden und können zumindest teilweise als elektronische Signale in einem System oder Netzwerk vorliegen.In fact, a device or module's executable code could be a single instruction or multiple instructions, and even distributed across several different code segments, between different applications and across multiple storage devices. Similarly, operational data may be identified and represented herein within the device and may be embodied in any suitable form and organized into any suitable type of data structure. The operational data may be collected as a single data set or distributed across various locations, including various storage devices, and may exist, at least in part, as electronic signals in a system or network.

Verweise in dieser Spezifikation auf „eine ausgewählte Ausführungsform“, „eine Ausführungsform“ oder „eine Ausführungsform“ bedeuten, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder ein bestimmtes Merkmal, das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform des offenbarten Gegenstands enthalten ist. Daher beziehen sich die Ausdrücke „eine ausgewählte Ausführungsform“, „in einer Ausführungsform“ oder „in einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen in dieser Spezifikation nicht unbedingt auf dieselbe Ausführungsform.References in this specification to “a selected embodiment,” “an embodiment,” or “an embodiment” mean that a particular feature, structure, or feature described in connection with the embodiment is disclosed in at least one embodiment of the Item is included. Therefore, the expressions “a selected embodiment,” “in one embodiment,” or “in one embodiment” used elsewhere in this specification do not necessarily refer to the same embodiment.

Darüber hinaus können die beschriebenen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in einer oder mehreren Ausführungsformen auf jede geeignete Weise kombiniert werden. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details bereitgestellt, um ein umfassendes Verständnis der Ausführungsformen des offenbarten Gegenstands zu ermöglichen. Ein Fachmann auf dem betreffenden Gebiet wird jedoch erkennen, dass der offenbarte Gegenstand ohne eines oder mehrere der spezifischen Details oder mit anderen Methoden, Komponenten, Materialien usw. in die Praxis umgesetzt werden kann. In anderen Fällen können wohlbekannte Strukturen, Materialien, oder Vorgänge werden nicht im Detail gezeigt oder beschrieben, um Aspekte des offengelegten Gegenstands nicht zu verschleiern.Additionally, the features, structures, or properties described may be combined in any suitable manner in one or more embodiments. In the following description, numerous specific details are provided to provide a thorough understanding of embodiments of the disclosed subject matter. However, one skilled in the art will recognize that the disclosed subject matter may be practiced without one or more of the specific details or with other methods, components, materials, etc. In other cases, well-known structures, materials, or processes may not be shown or described in detail so as not to obscure aspects of the subject matter disclosed.

Gemäß den beispielhaften Ausführungsformen können die offenbarten Computerprogramme oder -module auf viele beispielhafte Arten ausgeführt werden, beispielsweise als Anwendung, die sich im Speicher eines Geräts befindet, oder als gehostete Anwendung, die auf einem Server ausgeführt wird und mit diesem kommuniziert Geräteanwendung oder Browser über eine Reihe von Standardprotokollen wie TCP/IP, HTTP, XML, SOAP, REST, JSON und andere ausreichende Protokolle. Die offenbarten Computerprogramme können in beispielhaften Programmiersprachen geschrieben sein, die aus dem Speicher des Geräts oder von einem gehosteten Server ausgeführt werden, wie etwa BASIC, COBOL, C, C++, Java, Pascal, oder Skriptsprachen wie JavaScript, Python, Ruby, PHP, Perl oder andere geeignete Programmiersprachen.According to exemplary embodiments, the disclosed computer programs or modules may be executed in many exemplary ways, for example, as an application residing in a device's memory or as a hosted application executing on and communicating with a server via a device application or browser Set of standard protocols such as TCP/IP, HTTP, XML, SOAP, REST, JSON and other sufficient protocols. The disclosed computer programs may be written in exemplary programming languages that are executed from the device's memory or from a hosted server, such as BASIC, COBOL, C, C++, Java, Pascal, or scripting languages such as JavaScript, Python, Ruby, PHP, Perl or other suitable programming languages.

Einige der offenbarten Ausführungsformen beinhalten oder beinhalten auf andere Weise die Datenübertragung über ein Netzwerk, beispielsweise die Übermittlung verschiedener Eingaben oder Dateien über das Netzwerk. Das Netzwerk kann beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Elemente umfassen: Internet, Wide Area Networks (WANs), Local Area Networks (LANs), analoge oder digitale drahtgebundene und drahtlose Telefonnetzwerke z. B. ein PSTN, Integrated Services Digital Network (ISDN), ein Mobilfunknetz und Digital Subscriber Line (xDSL), Radio, Fernsehen, Kabel, Satellit und/oder andere Übertragungs- oder Tunnelmechanismen zur Datenübertragung. Das Netzwerk kann mehrere Netzwerke oder Teilnetzwerke umfassen, von denen jedes beispielsweise einen drahtgebundenen oder drahtlosen Datenweg umfassen kann. Das Netzwerk kann ein leitungsvermitteltes Sprachnetzwerk, ein paketvermitteltes Datennetzwerk oder jedes andere Netzwerk umfassen, das elektronische Kommunikation übertragen kann. Das Netzwerk kann beispielsweise Netzwerke umfassen, die auf dem Internetprotokoll (IP) oder dem asynchronen Übertragungsmodus (ATM) basieren, und kann Sprache beispielsweise mithilfe von VoIP, Voice-over-ATM oder anderen vergleichbaren Protokollen unterstützen, die für Sprachdatenkommunikation verwendet werden . In einer Implementierung umfasst das Netzwerk ein Mobilfunknetz, das so konfiguriert ist, dass es den Austausch von Text- oder SMS-Nachrichten ermöglicht.Some of the disclosed embodiments involve or otherwise involve data transmission over a network, such as the transmission of various inputs or files over the network. The network may include, for example, one or more of the following: Internet, Wide Area Networks (WANs), Local Area Networks (LANs), analog or digital wired and wireless telephone networks, e.g. B. a PSTN, Integrated Services Digital Network (ISDN), a cellular network and Digital Subscriber Line (xDSL), radio, television, cable, satellite and / or other transmission or tunneling mechanisms for data transmission. The network may include multiple networks or subnetworks, each of which may include, for example, a wired or wireless data path. The network may include a circuit-switched voice network, a packet-switched data network, or any other network capable of transmitting electronic communications. The network may include, for example, networks based on Internet Protocol (IP) or Asynchronous Transfer Mode (ATM), and may support voice using, for example, VoIP, Voice over ATM, or other comparable protocols used for voice data communications. In one implementation, the network includes a cellular network configured to enable the exchange of text or SMS messages.

Beispiele für das Netzwerk sind unter anderem ein Personal Area Network (PAN), ein Storage Area Network (SAN), ein Home Area Network (HAN), ein Campus Area Network (CAN) und ein Local Area Network (LAN), ein Wide Area Network (WAN), ein Metropolitan Area Network (MAN), ein Virtual Private Network (VPN), ein Enterprise Private Network (EPN), Internet, ein Global Area Network (GAN) und so weiter.Examples of the network include a Personal Area Network (PAN), a Storage Area Network (SAN), a Home Area Network (HAN), a Campus Area Network (CAN) and a Local Area Network (LAN), a Wide Area Network (WAN), a Metropolitan Area Network (MAN), a Virtual Private Network (VPN), an Enterprise Private Network (EPN), Internet, a Global Area Network (GAN) and so on.

1 zeigt ein Blockdiagramm eines IoT- basierten Wasserqualitätsvorhersagesystems (100) für Aquaponik-Landwirtschaftsanwendungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das System (100) umfasst eine Reihe mehrerer IoT- Sensoren (102), die so konfiguriert sind, dass sie Echtzeitdaten aus der Aquaponikumgebung sammeln. 1 shows a block diagram of an IoT-based water quality prediction system (100) for aquaponics farming applications according to an embodiment of the present disclosure. The System (100) includes an array of multiple IoT sensors (102) configured to collect real-time data from the aquaponics environment.

In einer Ausführungsform eine Speichereinheit (104) zum Speichern der gesammelten Echtzeitdaten mithilfe eines Sensorarrays, wobei die Speichereinheit dazu ein Speichergerät (104a) verwendet.In one embodiment, a storage unit (104) for storing the collected real-time data using a sensor array, the storage unit using a storage device (104a) for this purpose.

In einer Ausführungsform umfasst eine zentralisierte Verarbeitungseinheit (106) einen konfigurierten Prozessor (106a) zur Überwachung und Vorhersage der Wasserqualität für die Aquaponik-Landwirtschaft, indem die in der Speichereinheit (104) gespeicherten Daten verwendet werden, um den Prozessor (106a) zu trainieren Vorhersage.In one embodiment, a centralized processing unit (106) includes a processor (106a) configured to monitor and predict water quality for aquaponics farming by using the data stored in the storage unit (104) to train the processor (106a) to predict .

In einer Ausführungsform ist eine Benutzeroberfläche (108) in Verbindung mit der zentralen Verarbeitungseinheit (106) so konfiguriert, dass sie die vorhergesagten Ergebnisse in Bezug auf Kaltwasser, Warmwasserfische, Pflanzen und Bakterien anzeigt, um das Aquaponik-Landwirtschaftsgeschäft zu verbessern.In one embodiment, a user interface (108) in conjunction with the central processing unit (106) is configured to display the predicted results related to cold water, warm water fish, plants and bacteria to improve the aquaponics farming business.

In einer Ausführungsform sind die mehreren IoT- Sensoren (102) an mehreren Standorten platziert.In one embodiment, the multiple IoT sensors (102) are placed at multiple locations.

In einer Ausführungsform umfasst das System (100) außerdem ein Kommunikationsmodul (110), das die Kommunikation von Daten von Sensoren (102) an die Speichereinheit (104) und weiter an die zentrale Verarbeitungseinheit (106) ermöglicht.In one embodiment, the system (100) also comprises a communication module (110) that enables data from sensors (102) to be communicated to the storage unit (104) and further to the central processing unit (106).

In einer Ausführungsform ist die zentralisierte Verarbeitungseinheit (106), die einen Prozessor (106a) zur Vorhersage auf der Grundlage der in Echtzeit gesammelten Daten umfasst, so konfiguriert, dass sie: die gesammelten Daten bereinigt, indem fehlende Werte ersetzt und Ausreißer entfernt werden; Extrahieren Sie die Merkmale, die mit den erfassten Daten korrelieren, und entwickeln Sie einen Datensatz extrahierter Merkmale. Behandeln Sie das Problem der unausgeglichenen Daten innerhalb des Datensatzes, indem Sie einen M-SMOTE-Algorithmus für den Datensatz implementieren. und Vorhersage des Endergebnisses mithilfe einer multimodalen Klassifizierung für das aquaponische Ökosystem, wobei ein Abstimmungsmechanismus zur Bewertung der Leistung von Klassifikatoren verwendet wird.In one embodiment, the centralized processing unit (106), including a processor (106a) for making predictions based on the real-time collected data, is configured to: clean the collected data by replacing missing values and removing outliers; Extract the features that correlate with the collected data and develop a data set of extracted features. Address the problem of imbalanced data within the dataset by implementing an M-SMOTE algorithm on the dataset. and predicting the final outcome using multimodal classification for the aquaponic ecosystem, using a voting mechanism to evaluate the performance of classifiers.

In einer Ausführungsform wird die Merkmalsextraktion unter Verwendung einer Korrelationsmatrix mit Heatmap durchgeführt und Merkmale ausgewählt, die am meisten zu den vorhergesagten Variablen beitragen.In one embodiment, feature extraction is performed using a heatmap correlation matrix and features that contribute most to the predicted variables are selected.

In einer Ausführungsform wird der Datensatz in der Speichereinheit (104) gespeichert, die ein Speichergerät (104a) umfasst.In one embodiment, the data set is stored in the storage unit (104), which includes a storage device (104a).

In einer Ausführungsform wird durch die Implementierung des M-SMOTE-Algorithmus auf den Datensatz ein neuer Datensatz erstellt, der den in der Speichereinheit (104) gespeicherten alten Datensatz ersetzt, keine Ausreißerwerte aufweist und einen rauschfreien Datensatz zum Erzeugen der synthetischen Stichproben für Minderheiten bereitstellt Klassen.In one embodiment, implementing the M-SMOTE algorithm on the data set creates a new data set that replaces the old data set stored in the storage unit (104), has no outlier values, and provides a noise-free data set for generating the synthetic samples for minority classes .

In einer Ausführungsform werden sechs verschiedene Klassifikatoren verwendet, die trainiert werden und deren Leistung bewertet wird, und der Klassifikator mit der besten Leistung wird als Vorhersagemodell ausgewählt, das die Ergebnisse auf der Grundlage der eingegebenen verarbeiteten Daten vorhersagt.In one embodiment, six different classifiers are used, which are trained and whose performance is evaluated, and the best performing classifier is selected as a prediction model that predicts the results based on the input processed data.

In einer Ausführungsform kann die zentralisierte Verarbeitungseinheit (106) in programmierbaren Hardwaregeräten wie Prozessoren, digitalen Signalprozessoren, Zentraleinheiten, feldprogrammierbaren Gate-Arrays, programmierbarer Array-Logik, programmierbaren Logikgeräten, Cloud-Verarbeitungssystemen oder dergleichen implementiert sein.In one embodiment, the centralized processing unit (106) may be implemented in programmable hardware devices such as processors, digital signal processors, central processing units, field programmable gate arrays, programmable array logic, programmable logic devices, cloud processing systems, or the like.

In einer Ausführungsform umfasst das System (100) außerdem eine Merkmalsextraktionseinheit, um Merkmale unter Verwendung einer Korrelationsmatrix mit Heatmap zu extrahieren, und Merkmale, die am meisten zu den vorhergesagten Variablen beitragen, werden aus den Daten ausgewählt.In one embodiment, the system (100) further includes a feature extraction unit to extract features using a heatmap correlation matrix, and features that contribute most to the predicted variables are selected from the data.

In einer Ausführungsform ist die zentralisierte Verarbeitungseinheit (106) so konfiguriert, dass sie fehlende Werte und Ausreißer entfernt und unerwünschte Merkmale bei der Korrelation mit den erfassten Daten entfernt.In one embodiment, the centralized processing unit (106) is configured to remove missing values and outliers and remove unwanted features when correlated with the acquired data.

In einer Ausführungsform ist die zentralisierte Verarbeitungseinheit (106) so konfiguriert, dass sie den M-SMOTE-Technikalgorithmus auf den von Sensoren gesammelten Datensatz implementiert und einen neuen Datensatz erstellt, der den alten, in der Speichereinheit gespeicherten Datensatz ersetzt.In one embodiment, the centralized processing unit (106) is configured to implement the M-SMOTE technique algorithm on the data set collected from sensors and create a new data set that replaces the old data set stored in the storage unit.

2 zeigt ein Diagramm, das den Rahmen des vorgeschlagenen Systems zur Vorhersage der Wasserqualität für die Aquaponik-Landwirtschaft gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. 2 Fig. 12 is a diagram showing the framework of the proposed water quality prediction system for aquaponic farming according to an embodiment of the present disclosure.

Die Aquaponik-Landwirtschaft hat ihr volles Potenzial noch nicht ausgeschöpft, da es den Landwirten an Verständnis und Fähigkeiten in diesem Bereich mangelt. Landwirte müssen moderne Technologien zur Rassenauswahl, zur Auswahl von krankheitsfreiem Saatgut und Arten sowie zur Überwachung der Wasserqualitätsparameter einsetzen, um die Aquaponik-Landwirtschaft zu verbessern.Aquaponics farming has not yet reached its full potential because farmers lack understanding and skills in this area. Farmers need to use modern technologies for breed selection, selection of disease-free seeds and species, and monitoring of water quality parameters to improve aquaponic farming.

Das System sagt Pflanzen und nützliche Bakterien voraus, die für Süßwasser-, Kaltwasser- und Warmwasserfische geeignet sind. Um ein ausgewogenes Ökosystem zu schaffen, bietet das vorgeschlagene System auch Techniken und Lösungen für eine effektive Fischzucht, die andere Wasserorganismen wie Bakterien und Pflanzen berücksichtigen.The system predicts plants and beneficial bacteria suitable for freshwater, coldwater and warmwater fish. To create a balanced ecosystem, the proposed system also provides techniques and solutions for effective fish farming that take into account other aquatic organisms such as bacteria and plants.

Bezugnehmend auf umfasst das vorgeschlagene System: Echtzeit-Datenerfassung, Datenbereinigung, Merkmalsextraktion, Umgang mit verzerrten Daten, bevorzugte Klassifikatoren und eine optimale Vorhersage basierend auf Abstimmungen bilden die sechs Komponenten des vorgeschlagenen Systems.Referring to The proposed system includes: Real-time data collection, data cleaning, feature extraction, handling biased data, preferred classifiers and optimal prediction based on voting form the six components of the proposed system.

Zunächst werden Sensorgeräte verwendet, um erfasste Daten zu sammeln. Bei der Datenbereinigung geht es darum, Ausreißer und fehlende Zahlen zu eliminieren. Unerwünschte Merkmale werden eliminiert, mit den erkannten Daten verknüpfte Merkmale werden extrahiert und ein Datensatz erstellt. Unausgeglichene Datensätze werden durch den M-SMOTE-Ansatz berücksichtigt. Die Multimodell-Kategorisierung wird vom vorgeschlagenen System verwendet, um Vorhersagen zu treffen.First, sensor devices are used to collect captured data. Data cleaning is about eliminating outliers and missing numbers. Unwanted features are eliminated, features associated with the detected data are extracted, and a data set is created. Imbalanced datasets are taken into account by the M-SMOTE approach. Multi-model categorization is used by the proposed system to make predictions.

Jede Phase des vorgeschlagenen Systems wird im Folgenden ausführlich beschrieben.Each phase of the proposed system is described in detail below.

Datenerfassung in Echtzeit: IOT-Sensorgeräte werden verwendet, um die Wasserqualitätsparameter zunächst von mehreren Knoten an verschiedenen Standorten zu erfassen. Die gesammelten Informationen werden wie folgt numerisch dargestellt. D s = { D 1 , D 2 , D 3 , , D m }

Figure DE202023107102U1_0001
Real-time data collection: IOT sensor devices are used to initially collect the water quality parameters from multiple nodes at different locations. The information collected is presented numerically as follows. D s = { D 1 , D 2 , D 3 , , D m }
Figure DE202023107102U1_0001

Dabei Ds bezeichnet es den Datensatz und Dn impliziert die mAnzahl der Sensordaten D.Where D s denotes the data set and D n implies the m number of sensor data D.

Datenbereinigung: Das vorgeschlagene System ersetzt fehlende Werte und eliminiert Ausreißer aus den Daten durch ein Datenbereinigungsverfahren. An die Stelle des fehlenden Wertes tritt der Durchschnitt der beiden Zahlen davor und danach. Um beispielsweise den fehlenden 20. Wert zu ersetzen, wird der Durchschnitt aus dem 18., 19., 21. und 22. Wert berechnet. Die Medianformel wird verwendet, um den Datensatz anzupassen, der die Ausreißer enthält. Bei mehreren fehlenden Werten wird der Mittelwert der beiden Werte vor oder neben der Position des fehlenden Werts verwendet.Data Cleansing: The proposed system replaces missing values and eliminates outliers from the data through a data cleaning procedure. The missing value is replaced by the average of the two numbers before and after. For example, to replace the missing 20th value, the average of the 18th, 19th, 21st and 22nd values is calculated. The median formula is used to adjust the data set containing the outliers. If there are multiple missing values, the average of the two values before or next to the position of the missing value is used.

Merkmalsauswahl: Mithilfe einer Korrelationsmatrix und einer Heatmap werden in diesem Schritt die wesentlichen Merkmale sowie die Merkmale ausgewählt, die den größten Einfluss auf die Vorhersagevariable haben.Feature selection: Using a correlation matrix and a heatmap, this step selects the essential features and the features that have the greatest influence on the predictor variable.

Unausgewogene Datenverarbeitung: Der Datensatz wird vom vorgeschlagenen System in neun Klassen eingeteilt. Zunächst wird festgestellt, dass diese Klassen im gesamten Datensatz ungleichmäßig verteilt sind. Das Verhältnis der neun Klassen (NS: P: C: B: BW: BP: BPW: BC: BCP) in Prozent wird in der Klassifizierung mit 6: 4: 6: 7: 17: 13: 25: 10: 13 ermittelt Problem mit 7338 Instanzen (Zeilen). Aufgrund der ungleichen Verteilung der Klassen für die Klassifizierung mehrerer Klassen ist der Datensatz des vorgeschlagenen Systems unausgeglichen.Unbalanced Data Processing: The dataset is divided into nine classes by the proposed system. First, it is found that these classes are unevenly distributed throughout the dataset. The ratio of the nine classes (NS: P: C: B: BW: BP: BPW: BC: BCP) in percent is determined in the classification problem with 6: 4: 6: 7: 17: 13: 25: 10: 13 with 7338 instances (rows). Due to the uneven distribution of classes for multi-class classification, the dataset of the proposed system is unbalanced.

Das vorgeschlagene System schlägt mehrere Ansätze vor, um die Probleme mit dem Datenungleichgewicht anzugehen. Dazu gehört die Verwendung mehrerer Leistungsmessungen (Genauigkeit wird für den Ungleichgewichtsdatensatz nicht empfohlen), wie z. B. Rückruf, F1-Score, ROC-Kurven und Präzision. Der Einsatz von Techniken zur Über- und Unterabtastung des Datensatzes kann dabei helfen, das Problem eines unausgeglichenen Datensatzes zu lösen. Zufällige Zeilen (Instanzen) aus der Minderheitsklasse werden durch das Oversampling-Verfahren unter Verwendung einer Ersetzung zum Trainingsdatensatz hinzugefügt. Zeilen mit mehr Kopien einer Instanz werden durch das Undersampling-Verfahren aus der Klasse entfernt. Ein schwieriges Optimierungsproblem ist die Auswahl von Instanzen aus der Minderheitsklasse, dem Stichprobenattribut, den Stichprobenarten, der Stichprobenrate und der Stichprobenverteilungstechnik aus der Minderheitsklasse.The proposed system proposes several approaches to address the data imbalance issues. This includes using multiple performance measures (accuracy is not recommended for the imbalance data set), such as: B. Recall, F1 score, ROC curves and precision. Using techniques to oversample and undersample the data set can help solve the problem of an unbalanced data set. Random rows (instances) from the minority class are added to the training data set through the oversampling method using replacement. Rows with more copies of an instance are removed from the class by the undersampling method. A difficult optimization problem is selecting instances from the minority class, sampling attribute, sampling types, sampling rate, and sampling distribution technique from the minority class.

SMOTE verwendet Stichproben aus mehreren Klassen, anstatt benachbarte Stichproben zu untersuchen, um neue Beispiele für Minderheitsklassen zu generieren, was zu mehr Rauschen und Klassenüberlappungen führt. Da SMOTE nicht in der Lage ist, hochdimensionale Daten zu verarbeiten, werden mehrere Stichproben für Minderheitenklassen erstellt. Der Datensatz kann daher nach der Anwendung von SMOTE eine große Anzahl doppelter Proben enthalten, was die Genauigkeit des Modells beeinträchtigt. Diese stellen einen großen Nachteil der SMOTE-Technik dar.SMOTE uses samples from multiple classes instead of examining neighboring samples to generate new examples of minority classes, resulting in more noise and class overlap. Since SMOTE is unable to process high-dimensional data, multiple samples are created for minority classes. Therefore, the dataset may contain a large number of duplicate samples after applying SMOTE, which affects the accuracy of the model. These represent a major disadvantage of SMOTE technology.

Als Lösung für unausgeglichene Klassenprobleme wird eine einzigartige modifizierte synthetische Minderheits-Oversampling-Technik namens M-SMOTE vorgeschlagen. Ohne Klassenüberschneidungen zu verursachen, bewältigt das vorgeschlagene M-SMOTE das Oversampling für Minderheitsklassen. Zwei Eingabeparameter wie Dataset und Dy (der Name der abhängigen Variablen) werden an M-SMOTE übergeben. Die Erkennung und Behebung von Ausreißern bilden die Anfangsphase des M-SMOTE-Ansatzes. Die RemoveOutlier- Funktion, die den Z-Score-Ansatz zum Identifizieren und Entfernen von Ausreißern verwendet, wird von M-SMOTE verwendet.A unique modified synthetic minority oversampling technique called M-SMOTE is proposed as a solution to imbalanced class problems. Without causing class overlap, the proposed M-SMOTE handles oversampling for minority classes. Two input parameters such as Dataset and Dy (the name of the dependent variable) are passed to M-SMOTE. Outlier detection and remediation form the initial phase of the M-SMOTE approach. The RemoveOutlier function, which uses the Z-score approach to identify and remove outliers, is used by M-SMOTE.

M-SMOTE-Algorithmus:

Figure DE202023107102U1_0002
Figure DE202023107102U1_0003
Figure DE202023107102U1_0004
M-SMOTE algorithm:
Figure DE202023107102U1_0002
Figure DE202023107102U1_0003
Figure DE202023107102U1_0004

Dies wird wiederholt durchgeführt, bis der Datensatz die eindeutigen Stichproben innerhalb des zulässigen Bereichs des Attributs enthält.This is done repeatedly until the dataset contains the unique samples within the allowed range of the attribute.

Im obigen Algorithmus berechnet Gleichung 2 den Z-Score unter Verwendung der Gleichungen 3 und 4. Der Mittelwert und die Standardabweichung werden jeweils durch die Gleichungen 3 und 4 berechnet. Die Gleichungen 5 und 6 werden verwendet, um die Ober- und Untergrenzen zu erhalten. jeweils. Die Ausreißer werden durch Gleichung 7 ermittelt. Um einen Datensatz ohne Rauschen und Ausreißer zu erstellen, verwenden Sie Gleichung 8, um die Ausreißer zu eliminieren. Gleichung 9 wird verwendet, um den Datensatz in die unabhängigen ( Dx) und abhängigen (Dy) Variablen aufzuteilen. Ein Datensatz, der sowohl Dx als auch Dy enthält , wird dann an die M-SMOTE-Funktion zurückgegeben. Gleichung 10, wobei CMJ der Name der Mehrheitsklasse ist, wird verwendet, um die Länge der Mehrheitsklasse zu bestimmen. Gleichung 11, die CMN zugeschrieben wird, wird bei der Berechnung der Minderheitenklassenliste verwendet. Gleichung 12 wird verwendet, um die Gesamtzahl der Minderheitenklassen (M) zu ermitteln. Gleichung 13 wird verwendet, um das Verhältnis der Minderheitsklassen zur dominanten Klasse zu berechnen. Die Klasse gilt als unausgeglichen, wenn das Verhältnis weniger als 0,8 beträgt. Gleichung 1 wird verwendet, um die Gesamtzahl der synthetischen G-Proben zu berechnen, die für Minderheitenklassen produziert wurden. Die Gleichungen 15 und 16 werden verwendet, um G-Stichproben zu erstellen, die dann dem Datensatz hinzugefügt werden. Durch die Erstellung eines neuen Datensatzes ohne Ausreißerwerte bietet diese Technik einen rauschfreien Datensatz, der zur Erstellung synthetischer Stichproben für Minderheitenklassen verwendet werden kann.In the above algorithm, Equation 2 calculates the Z-score using Equations 3 and 4. The mean and standard deviation are calculated by Equations 3 and 4, respectively. Equations 5 and 6 are used to obtain the upper and lower bounds. respectively. The outliers are determined by Equation 7. To create a data set without noise and outliers, use Equation 8 to eliminate the outliers. Equation 9 is used to split the data set into the independent (Dx) and dependent (Dy) variables. A data set containing both Dx and Dy is then returned to the M-SMOTE function. Equation 10, where CMJ is the name of the majority class, is used to determine the length of the majority class. Equation 11, attributed to CMN, is used in computing the minority class list. Equation 12 is used to find the total number of minority classes (M). Equation 13 is used to calculate the ratio of the minority classes to the dominant class. The class is considered unbalanced if the ratio is less than 0.8. Equation 1 is used to calculate the total number of synthetic G samples produced for minority classes. Equations 15 and 16 are used to create G samples which are then added to the data set. By creating a new data set with no outlier values, this technique provides a noise-free data set that can be used to create synthetic samples for minority classes.

Aquaponics-Farming-Vorhersage: Basierend auf Leistungskennzahlen wie Genauigkeit, Zeit (Sek.), Präzision und Rückruf wird die Klassifizierungsmethode ausgewählt. Um die Vorhersageleistung zu steigern, umfasst das vorgeschlagene System sechs Klassifikatoren, die jeweils anhand von Leistungsmaßen bewertet werden. Mithilfe des Validierungsdatensatzes trainieren und bewerten die vorgeschlagenen Methoden jeden Klassifikator, um bessere Klassifikatoren auszuwählen. Die Klassifikatoren CatBoost , Gradient Boosting, XGBoost , Decision Tree, Random Forest und KNN wurden alle in die empfohlene Klassifikatorkonfiguration aufgenommen. Für einen bestimmten Satz von Wasserqualitätsmetriken weisen verschiedene Modelle, die unterschiedliche Techniken verwenden, unterschiedliche Merkmale auf. Mithilfe des bevorzugten Klassifikators wählt das vorgeschlagene System das beste Vorhersagemodell für neue Eingabedaten aus und verwendet dieses Vorhersagemodell dann, um das erwartete Ergebnis zu erzielen.Aquaponics Farming Prediction: Based on performance metrics such as accuracy, time (sec), precision and recall, the classification method is selected. To increase the prediction performance, the proposed system includes six classifiers, each of which is evaluated based on performance metrics. Using the validation dataset, the proposed methods train and evaluate each classifier to select better classifiers. The CatBoost, Gradient Boosting, XGBoost, Decision Tree, Random Forest, and KNN classifiers have all been included in the recommended classifier configuration. For a given set of water quality metrics, different models using different techniques will have different characteristics. Using the preferred classifier, the proposed system selects the best prediction model for new input data and then uses this prediction model to achieve the expected result.

Die experimentellen Ergebnisse des vorgeschlagenen IoT -basierten effizienten Vorhersagesystems werden analysiert, um festzustellen, ob Wasser für Warmwasserfische, Kaltwasserfische, Pflanzen und Mikroorganismen geeignet ist. Zur Umsetzung des vorgeschlagenen Ansatzes wird Python verwendet. Zur Leistungsbewertung nutzt der vorgeschlagene Ansatz einen Wasserqualitätsdatensatz aus dem Water Quality Information Sheet (WBPCBWQIS) des West Bengal Pollution Control Board. Der Datensatz besteht aus 7338 Datensätzen, die für Süßwasser aus verschiedenen Flüssen und Seen in 27 indischen Bundesstaaten gesammelt wurden. Der vorgeschlagene Ansatz nutzt die Eigenschaften des Datensatzes, einschließlich Temperatur, Ammoniak, gelöster Sauerstoff, Nitrit und Nitrat. 15 % werden für die Validierung verwendet, 15 % werden für Tests verwendet und 70 % des Datensatzes werden für das Training verwendet.The experimental results of the proposed IoT -based efficient prediction system are analyzed to determine whether water is suitable for warm-water fish, cold-water fish, plants and microorganisms. Python is used to implement the proposed approach. For performance evaluation, the proposed approach uses a water quality dataset from the Water Quality Information Sheet (WBPCBWQIS) of the West Bengal Pollution Control Board. The dataset consists of 7338 records collected for freshwater from various rivers and lakes in 27 Indian states. The proposed approach exploits the properties of the dataset including temperature, ammonia, dissolved oxygen, nitrite and nitrate. 15% is used for validation, 15% is used for testing, and 70% of the dataset is used for training.

Die Auswahl der Kategorisierungsalgorithmen erfolgt entsprechend den verschiedenen Leistungskennzahlen. Das Modell wird mit verschiedenen Klassifikatoren trainiert und die Leistung jedes Klassifikators wird anhand verschiedener Leistungsmaße bewertet, darunter Genauigkeit, Präzision, Rückruf, F1-Maß, Kappa, ROC- Kurve, MCC und Ausführungszeit, abhängig vom Validierungsdatensatz. Die Abstimmung wird vom vorgeschlagenen System verwendet, um zu bestimmen, welche Prognose die beste ist. Hier werden Ausführungszeit, Kappa, Genauigkeit und F1-Maß als Leistungsmetriken für die Abstimmung in diesem vorgeschlagenen System verwendet.The categorization algorithms are selected according to the various performance metrics. The model is trained using different classifiers and the performance of each classifier is evaluated using different performance metrics including accuracy, precision, recall, F1 measure, Kappa, ROC curve, MCC and execution time depending on the validation dataset. Voting is used by the proposed system to determine which forecast is the best. Be here Execution time, kappa, precision and F1 measure used as performance metrics for tuning in this proposed system.

Die Leistung des vorgeschlagenen Systems wird ohne Verwendung des M-SMOTE-Ansatzes bewertet. Die Wirksamkeit mehrerer Klassifikatoren, darunter CatBoost , Gradient Boosting, XGBoost , Decision Tree, Random Forest und KNN, wird anhand von Leistungsmetriken wie Genauigkeit, AUC-Kurve, Rückruf, Präzision, F1-Score, Kappa und MCC bewertet. Mit Ausnahme von KNN weisen alle Klassifikatoren bei Verwendung der vorgeschlagenen Methode eine Vorhersageleistung von über 93 % auf.The performance of the proposed system is evaluated without using the M-SMOTE approach. The effectiveness of several classifiers, including CatBoost, Gradient Boosting, XGBoost, Decision Tree, Random Forest and KNN, is evaluated using performance metrics such as accuracy, AUC curve, recall, precision, F1 score, Kappa and MCC. Except for KNN, all classifiers have a prediction performance of over 93% using the proposed method.

Der M-SMOTE-Ansatz wird verwendet, um die Leistung des vorgeschlagenen Systems zu bewerten. Klassifikatoren wie CatBoost, Gradient Boosting, XGBoost , Decision Tree, Random Forest und KNN werden anhand von Leistungsmetriken wie Genauigkeit, AUC-Kurve, Rückruf, Präzision, F1-Score, Kappa und MCC bewertet. Mit Ausnahme von KNN weisen alle Klassifikatoren im vorgeschlagenen System eine Vorhersageleistung von mehr als 97 % auf. Es wurde festgestellt, dass die Klassifikatoren Random Forest und XGBoost jeweils Genauigkeitsprozentsätze von 99.13 % und 98.97 % aufweisen.The M-SMOTE approach is used to evaluate the performance of the proposed system. Classifiers such as CatBoost, Gradient Boosting, Except for ANN, all classifiers in the proposed system have a prediction performance of more than 97%. The Random Forest and XGBoost classifiers were found to have accuracy percentages of 99.13% and 98.97%, respectively.

Ohne M-SMOTE benötigt CatBoost 15.9 Sekunden, während es mit M-SMOTE 11.899 Sekunden dauert. Gradient Boosting benötigt 1.34 Sekunden, wenn M-SMOTE verwendet wird, und 2.87 Sekunden, wenn es nicht verwendet wird. Ebenso benötigt XGBoost 1.505 und 0.701 Sekunden, in dieser Reihenfolge. In beiden Szenarien dauern Decision Tree, Random Forest und KNN weniger als eine Sekunde. Hinsichtlich der Ausführungszeit liefern Random Forest und Decision Tree hinsichtlich der Genauigkeit die besten Ergebnisse. Für den Random Forest-Klassifikator und den Entscheidungsbaum werden weniger als 0.5 Sekunden benötigt. Nach der Bewertung der Leistung jedes Klassifikators verwendet das vorgeschlagene System die beste Vorhersage, die durch Abstimmung ermittelt wurde. Die abstimmungsbasierte Vorhersage bewertet die Wirksamkeit der verschiedenen Klassifikatoren anhand von Benchmark-Kriterien wie Vorhersageergebnis, Genauigkeit, Zeit, Rückruf und Kappa-Score. Das vorgeschlagene System wählt XGBoost und Random Forest als die besten Klassifikatoren aus, die auf dem Abstimmungsprinzip basieren.Without M-SMOTE, CatBoost takes 15.9 seconds, while with M-SMOTE it takes 11,899 seconds. Gradient Boosting takes 1.34 seconds when M-SMOTE is used and 2.87 seconds when not used. Likewise, XGBoost takes 1.505 and 0.701 seconds, in that order. In both scenarios, Decision Tree, Random Forest and KNN take less than a second. In terms of execution time, Random Forest and Decision Tree deliver the best results in terms of accuracy. The random forest classifier and decision tree take less than 0.5 seconds. After evaluating the performance of each classifier, the proposed system uses the best prediction determined by voting. Voting-based prediction evaluates the effectiveness of the different classifiers using benchmark criteria such as prediction score, accuracy, time, recall and kappa score. The proposed system selects XGBoost and Random Forest as the best classifiers based on the voting principle.

Die Zeichnungen und die vorstehende Beschreibung geben Beispiele für Ausführungsformen. Fachleute werden erkennen, dass eines oder mehrere der beschriebenen Elemente durchaus zu einem einzigen Funktionselement kombiniert werden können. Alternativ können bestimmte Elemente in mehrere Funktionselemente aufgeteilt werden. Elemente einer Ausführungsform können zu einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Beispielsweise können die Reihenfolgen der hier beschriebenen Prozesse geändert werden und sind nicht auf die hier beschriebene Weise beschränkt. Darüber hinaus müssen die Aktionen eines Flussdiagramms nicht in der gezeigten Reihenfolge implementiert werden; Es müssen auch nicht unbedingt alle Handlungen ausgeführt werden. Auch solche Handlungen, die nicht von anderen Handlungen abhängig sind, können parallel zu den anderen Handlungen durchgeführt werden. Der Umfang der Ausführungsformen wird durch diese spezifischen Beispiele keineswegs eingeschränkt. Zahlreiche Variationen, ob explizit in der Spezifikation angegeben oder nicht, wie z. B. Unterschiede in Struktur, Abmessung und Materialverwendung, sind möglich. Der Umfang der Ausführungsformen ist mindestens so breit wie durch die folgenden Ansprüche angegeben.The drawings and the description above provide examples of embodiments. Those skilled in the art will recognize that one or more of the elements described can certainly be combined into a single functional element. Alternatively, certain elements can be divided into several functional elements. Elements of one embodiment may be added to another embodiment. For example, the orders of the processes described herein may be changed and are not limited to the manner described herein. Additionally, the actions of a flowchart do not have to be implemented in the order shown; Not all actions necessarily have to be carried out. Even those actions that are not dependent on other actions can be carried out in parallel with the other actions. The scope of the embodiments is in no way limited by these specific examples. Numerous variations, whether explicitly stated in the specification or not, such as: B. Differences in structure, dimensions and material use are possible. The scope of the embodiments is at least as broad as indicated by the following claims.

Vorteile, andere Vorzüge und Problemlösungen wurden oben im Hinblick auf spezifische Ausführungsformen beschrieben. Die Vorteile, Vorzüge, Problemlösungen und alle Komponenten, die dazu führen können, dass ein Nutzen, ein Vorteil oder eine Lösung eintritt oder ausgeprägter wird, dürfen jedoch nicht als kritische, erforderliche oder wesentliche Funktion oder Komponente von ausgelegt werden einzelne oder alle Ansprüche.Advantages, other benefits, and solutions to problems have been described above with respect to specific embodiments. However, the advantages, benefits, solutions to problems and any components that may cause a benefit, advantage or solution to occur or become more pronounced should not be construed as a critical, necessary or essential function or component of any or all of the claims.

REFERENZENCREDENTIALS

100100
Ein Iot-Basiertes System Zur Vorhersage Der Wasserqualität Für Die Aquaponik-Landwirtschaft.An IoT-Based Water Quality Prediction System for Aquaponics Agriculture.
102102
Array Aus Mehreren Iot- SensorenArray Of Multiple IoT Sensors
104104
LagereinheitStorage unit
104a104a
Speichergerätstorage device
106106
Zentrale VerarbeitungseinheitCentral processing unit
106a106a
Konfigurierter ProzessorConfigured processor
108108
Benutzeroberflächeuser interface
110110
KommunikationsmodulCommunication module
202202
Gemessene Daten Zur WasserqualitätMeasured Water Quality Data
202a202a
DatenreinigungData cleaning
202b202b
MerkmalsauswahlFeature selection
202c202c
M-SMOTEM-SMOTE
204204
Bevorzugter KlassifikatorPreferred classifier
204a204a
Catboost- KlassifikatorCatboost classifier
204b204b
Steigungsverstärkung KlassifikatorSlope gain classifier
204c204c
Xgboost -KlassifikatorXgboost classifier
204d204d
Entscheidungsbaum KlassifikatorDecision tree classifier
204e204e
Zufälliger Wald KlassifikatorRandom forest classifier
204f204f
DatenreinigungData cleaning
206206
Optimal Vorhersage Basierend An WählenOptimal Prediction Based On Select

Claims (6)

Ein IoT- basiertes System zur Vorhersage der Wasserqualität für Anwendungen in der Aquaponik- Landwirtschaft, wobei das System Folgendes umfasst: eine Reihe mehrerer IoT- Sensoren, die so konfiguriert sind, dass sie Echtzeitdaten aus der aquaponischen Umgebung sammeln; eine Speichereinheit zum Speichern der gesammelten Echtzeitdaten mithilfe eines Sensorarrays, wobei die Speichereinheit dazu ein Speichergerät verwendet; eine zentralisierte Verarbeitungseinheit, die einen konfigurierten Prozessor zur Überwachung und Vorhersage der Wasserqualität für die Aquaponik-Landwirtschaft umfasst, indem die in der Speichereinheit gespeicherten Daten verwendet werden, um den Prozessor für die Vorhersage zu trainieren; und eine Benutzeroberfläche in Verbindung mit der zentralen Verarbeitungseinheit, die so konfiguriert ist, dass sie die vorhergesagten Ergebnisse in Bezug auf Kaltwasser-, Warmwasserfische, Pflanzen und Bakterien anzeigt, um das Aquaponik-Landwirtschaftsgeschäft zu verbessern.An IoT based water quality prediction system for aquaponic farming applications, the system comprising: a series of multiple IoT sensors configured to collect real-time data from the aquaponic environment; a storage unit for storing the collected real-time data using a sensor array, the storage unit using a storage device for this purpose; a centralized processing unit comprising a processor configured to monitor and predict water quality for aquaponic farming by using the data stored in the storage unit to train the processor to predict; and a user interface in conjunction with the central processing unit configured to display the predicted results related to cold water, warm water fish, plants and bacteria to improve the aquaponics farming business. System nach Anspruch 1, wobei die mehreren IoT- Sensoren an mehreren Standorten platziert sind.System after Claim 1 , where the multiple IoT sensors are placed in multiple locations. System nach Anspruch 1, das außerdem ein Kommunikationsmodul umfasst, das die Kommunikation von Daten von Sensoren zur Speichereinheit und weiter zur zentralen Verarbeitungseinheit ermöglicht.System after Claim 1 , which also includes a communication module that enables communication of data from sensors to the storage unit and further to the central processing unit. System nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Merkmalsextraktionseinheit zum Extrahieren von Merkmalen unter Verwendung einer Korrelationsmatrix mit Heatmap, und Merkmale, die am meisten zu den vorhergesagten Variablen beitragen, werden aus den Daten ausgewählt.System after Claim 1 , further comprising a feature extraction unit for extracting features using a heatmap correlation matrix, and features that contribute most to the predicted variables are selected from the data. System nach Anspruch 1, wobei die zentralisierte Verarbeitungseinheit so konfiguriert ist, dass sie fehlende Werte und Ausreißer entfernt und unerwünschte Merkmale bei der Korrelation mit den erfassten Daten entfernt.System after Claim 1 , wherein the centralized processing unit is configured to remove missing values and outliers and remove unwanted features when correlating with the acquired data. System nach Anspruch 1, wobei die zentralisierte Verarbeitungseinheit so konfiguriert ist, dass sie den M-SMOTE-Technikalgorithmus auf den von Sensoren erfassten Datensatz implementiert und einen neuen Datensatz erstellt, der den in der Speichereinheit gespeicherten alten Datensatz ersetzt.System after Claim 1 , wherein the centralized processing unit is configured to implement the M-SMOTE technique algorithm on the data set acquired by sensors and create a new data set that replaces the old data set stored in the storage unit.
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