基于物聯網的漁業水質參數多點監測報警系統

李慧等

摘要：提出了一種在Android手機上實現的基于物聯網的智能水質環境監測系統，通信參數以及報警閾值參數保存都采用文本方式，能夠對多水域下的多水質參數（水位、鹽度、pH、流速、溫度、溶氧度）進行在線監測并自動報警，采用了基于消息通知機制的Socket網絡通信方式，具有較強的實時性，實時采集的數據采用數據庫方式進行存儲。系統設計對網絡要求低，具有較高的性價比。在江蘇省溧陽市長蕩湖試驗基地進行多次反復試驗調試，系統各項指標反應良好，使用方便，為指導漁業生產增加漁民收入提供了保證。

關鍵詞：物聯網；水質參數；閾值；數據庫；性價比

中圖分類號：DF413.4；TP277 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）02-0437-04

The Monitoring and Alarming System of Fishery Water Quality Parameter

in Many Water Areas Based on IOT

LI Hui1，2，LIU Xing-qiao1，LI Jing2，NI Wei2

（1.School of Electrical and Information Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， Jiangsu， China；

2.Faculty of Electronic and Electrical Engineering， Huaiyin Institute of Technology， Huaian 223001， Jiangsu， China）

Abstract： Monitoring and alarming the fishery water quality parameter accurately and quickly plays an important role in the fishery production. A design of intelligent water environment monitoring system based on IOT operating on the Android mobile phone was put forward. Communication parameters and alarm threshold parameters are saved in text format. Using the system， many of water quality parameters （water level， salinity， pH， flow rate， temperature， oxygen content） in many water areas can be monitored and automatically alarmed online. The mode of socket network communication based on message notification mechanism was used in the design. The design has strong real-time characteristic， and storages real-time data using the database. The design has low requirement on the network and a high cost effectiveness. After experimenting and debugging in Liyang Changdang lake experiment base of Jiangsu province， the indicators of the system response are good. The syetem is easy for use and can provide guidance for fishery production and increase the income of fishermen.

Key words： internet of things； water quality； threshold； data base； cost effectiveness

漁業的發展離不開優質的水域環境，隨著科學技術的快速發展，物聯網技術的應用越來越廣泛。基于物聯網的漁業水質參數多點在線監測并自動報警為漁業的大力發展提供了保障。目前國內的物聯網技術起步較晚，水質參數監測多為人工方式，實時性較差，操作不方便[1-4]。國外物聯網技術發展較快，例如在美國、荷蘭等地，水質環境監測精度較高，但成本偏高，不能滿足中國目前中小規模漁業發展的需要[5-10]。

基于物聯網的漁業水質參數多點監測報警的研究，目前尚未見報道，本監測報警系統采用物聯網技術，在Android手機上對漁業多水域水質參數進行在線監測，如有參數超限，本監測報警系統會自動給出報警提示，提示漁民關注漁情。系統操作簡單，反應靈敏，實時性好，為漁民實時了解多水域漁情提供了參考。

1 系統總體結構

系統由8個無線傳感網絡單元、本地服務器、遠程客戶機以及遠程手機用戶客戶機等幾大模塊組成。系統結構如圖1所示。

2 無線傳感網絡單元

1個無線傳感網絡單元主要負責采集1個水域的4個點的水質參數，每個點包含6個參數（水位、鹽度、pH、流速、溫度、溶氧度），經過8051CPU綜合平均處理后通過串行口RS232發送給現場監控計算機，上傳到Internet。每個無線傳感網絡單元由4個傳感器節點以及一個中心協調節點構成[11，12]，具體結構如圖2所示。中心協調節點和覆蓋范圍內的傳感器節點采用能耗最低的星形網絡拓撲結構，處理器采用SOC系統芯片CC2430，系統采用ZigBee協議。

傳感器節點由兩部分組成：無線收發模塊和傳感器模塊[13]。傳感器模塊將采集到的水質參數模擬信號通過信號處理后進行A/D轉換，通過無線模塊發送給中心協調節點的無線接收模塊。

中心協調節點相比傳感器節點少了傳感器模塊[14，15]，主要由8051單片機和ZigBee無線收發模塊組成。中心協調節點首先組建星形拓撲結構的網絡，為每個無線傳感器分配地址，然后向每個無線傳感器發送請求數據命令，等待接收各個無線傳感器發送的參數信息，平均化處理后通過RS232串行口發送給計算機。

同時對8個水域進行在線監測，對現場計算機要求能夠同時擴展8個串行口。

3 Android手機客戶機部分

Android是Google于2007年11月5日宣布的基于Linux平臺的開源手機操作系統的名稱，它主要由操作系統、中間件、用戶界面和應用軟件等幾部分組成。本設計基于Android系統，系統測試采用聯想A288t手機，Android2.3.5版本，內核2.6.35.7。開發環境為AndroidSDK+JAVA JDK6+Eclipse3.5。采用客戶機/服務器模式，客戶機部分采用Android JAVA開發，利用數據庫SQLite實現數據存儲，調用Socket控件完成網絡通信，服務器部分采用Delphi結合SQL以及調用Socket編程實現。Android客戶機程序在Eclipse編譯環境中最終編譯之后打包生成APK文件，設置Android手機開發權限后在Android手機上可以直接安裝[16]。

3.1 系統界面設計

系統界面設計采用XML腳本語言來完成[17]，主要由登錄界面、主監測報警界面以及若干水域監測界面組成。登錄界面負責用戶的登錄，采用數據庫管理用戶密碼；主監測報警界面是本系統的主界面，如圖3所示，主要負責所有水域水質環境的監測和報警，在該界面上有8組狀態，每組狀態用1個燈泡配合1只標簽來表示，如果某個水域的水質超限，燈泡點亮同時標簽提示“報警”，同時在每組狀態下面設置了“查看”按鈕，點擊后可以自動跳轉到具體的某個水域水質監測界面；若干水域監測界面如圖4所示，主要包含6組水質參數以及4個控制按鈕。

3.2 系統主工作流程介紹

系統主工作流程如圖5所示。首先初始化系統，讀取初始化文件中的通信參數信息以及各個水域報警閾值信息，然后連接服務器啟動接收1組數據，分配給各個水域供調用顯示，查詢比較各個水域的讀取數據與閾值進行比較，給出報警提示。

3.3 報警及通信參數輸入模塊設計

報警及通信參數輸入模塊設計方法較多，可以采用數據庫的方法，也可以采用文件的方法。此處本著設計簡單方便考慮，選用第二種文件設計方案。將通信參數和各個水域的水質參數的報警閾值以固定的格式存放到初始化文件中，存入SD卡中，格式為TXT文本。用戶在首次執行本應用程序之前，要在根目錄下打開初始化文件Ini.txt，按照預定格式修改通信參數（IP和端口號）以及8個水域的水質參數（溫度、pH、水位、溶氧度、鹽度、流速）的報警上下限。Ini.txt文件的數據存放格式如下：

IP：XXXX；端口：XXXX；

1#溫度上限：XXXX；1#溫度下限：XXXX；

1# pH上限：XXXX；1# pH下限：XXXX；

1#水位上限：XXXX；1#水位下限：XXXX；

1#溶氧度上限：XXXX；1#溶氧度下限：XXXX；

1#鹽度上限：XXXX；1#鹽度下限：XXXX；

1#流速上限：XXXX；1#流速下限：XXXX；

…

8#溫度上限：XXXX；8#溫度下限：XXXX；

8# pH上限：XXXX；8# pH下限：XXXX；

8#水位上限：XXXX；8#水位下限：XXXX；

8#溶氧度上限：XXXX；8#溶氧度下限：XXXX；

8#鹽度上限：XXXX；8#鹽度下限：XXXX；

8#流速上限：XXXX；8#流速下限：XXXX；

Android系統首先以數據流的方式讀取初始化文件中的內容，然后進行解析，取出有用的數據傳給Android的全局變量。具體主要實現方法如下：

String fileName = “/sdcard/ini.txt”；

//文件路徑

String res =“” ；

Try {

FileInputStream fin = new FileInputStream（fileName）；

Int length = Fin.available（）；

Byte[] buffer = New byte[length]；

Fin.read（buffer）；

Res = EncodingUtils.getString（buffer，

"GB2312"）；

//以數據流的方式讀取文本數據到res中，采用GB2312編碼方式

然后采用分離函數split以“：”和“；”為分離點對讀到的數據流進行分離處理，實現如下：

String spStr[] = Res.split（“：|；”）；

String ip=SpStr[1]；

//從數據流中分離出ip，端口port，

//1#溫度上限Wd_up1，下限Wd_down1 …

String port=SpStr[3]；

String wd_up1=SpStr[5]；

String wd_down1=SpStr[7]；

…

最后在讀寫SD卡文件時要在配置文件Manifest.xml中申明權限，否則無法使用。

3.4 數據庫模塊設計

系統采用Android自帶的SQLite數據庫，SQLite數據庫具有系統開銷小，檢索效率高的特性，系統中兩處使用到數據庫，一處是用戶登錄時，用來保存用戶名稱和密碼；另外一處是在系統運行時，用來保存8個水域的各個水質參數信息。Android不自動提供數據庫。在Android應用程序中使用SQLite，必須自己創建數據庫，然后創建表、索引，填充數據。因此要創建數據庫，然后創建兩個表，如表1和表2所示。在Android中主要有兩種方法來實現對數據庫的訪問，一種是Adb shell方式，另一種是通過相關的Android的Java類來間接地對數據庫進行操作。本設計主要采用后一種方式，采用抽象類SQLiteOpenHelper來創建數據庫。SQLiteOpenHelper類根據開發應用程序的需要，封裝了創建和更新數據庫使用的邏輯。SQLiteOpenHelper的子類，實現需要以下方法：

OnCreate（）方法；

//創建數據庫后，對數據庫的操作

通過SQLiteDatabase類來實現數據庫的插入數據、刪除數據、查詢數據、修改數據等操作。當完成了對數據庫的操作后，調用SQLiteDatabase的Close（ ）方法來釋放掉數據庫連接。

3.5 網絡通信模塊設計

系統通信模塊主要采用Socket網絡通信方式。套接字（Socket）是通信的基石，是支持TCP/IP協議的網絡通信的基本操作單元。創建Socket連接時，可以指定使用的傳輸層協議，Socket支持兩種不同的傳輸層協議：TCP和UDP協議。TCP協議：首先連接接收方，然后發送數據，保證成功率，速度慢；UDP協議：把數據打包成數據包，然后直接發送到對應的IP地址，速度快，但是成功率得不到保證，并且數據大小有限。考慮到數據安全，本系統設計采用TCP協議，為了提高系統的通信效率，Socket接收采用消息機制接收，保證了響應的快速性。

手機客戶機首先讀取初始化文件（Ini.txt）中的數據流并成功分離出IP地址和通信端口號后，創建套接字Socket向服務器發出連接申請，然后一直等待接收服務器的信息。服務器接收到客戶機的連接請求后，獲取該客戶機的IP地址和端口號，然后定時向客戶機發送8個水域的水質參數信息。接收數據以握手字符AA開始，BB結束。

具體格式為：AA：1#水域溫度，1#水域pH，1#水域水位，1#水域溶氧度，1#水域鹽度，1#水域流速，…，8#水域溫度，8#水域pH，8#水域水位，8#水域溶氧度，8#水域鹽度，8#水域流速，BB。每個數據占4個字節，發送和接收數據都以數據流的方式進行，對待發送或者已接收的數據采用GB2312編碼方式進行編碼轉換。在執行通信程序時在配置文件Manifest.xml中要申明權限。

4 系統試驗結果

利用本系統在江蘇省溧陽市長蕩湖河蟹試驗基地30 m×30 m魚塘進行試驗，實時獲取溫度、pH、水位、溶氧度、鹽度、流速信息，保存入數據庫，以文本方式進行數據導出并進行數據分析比對。通過數據比對可以看出，在24 h內，通過本水質參數多點監測報警系統，可以實時在線獲取多個水域的溫度、pH、水位、溶氧度、鹽度、流速信息，在參數指標超限的情況下能準時報警提示，達到了系統設計要求。

5 結論

通過本監測報警系統長時間的使用測試表明，系統運行穩定，不死機，操作界面靈活，控制方便，擺脫了時間、地域環境等因素的影響，只要有GPRS網絡信號就能同時對多個水域進行在線監測并自動報警，對網絡信號要求低，具有很高的性價比，在江蘇省高校優勢學科建設工程資助項目以及江蘇省經濟和信息化委員會智能農業物聯網應用示范等項目中都得到了廣泛的應用，具有很強的推廣和實用價值。

參考文獻：

[1] 劉東紅，周建偉，莫凌飛.物聯網技術在食品及農產品中應用的研究進展[J].農業機械學報，2012，43（1）：146-152.

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[3] 冷淑君，徐衛紅.基于物聯網技術水資源環境監測仿真研究[J].計算機仿真，2012，29（2）：131-134，228.

[4] 柳平增，孟祥偉，田 盼，等.基于物聯網的精準農業信息感知系統設計[J].計算機工程與科學，2012，34（3）：137-141.

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[6] 楊林楠，郜魯濤，林爾升，等.基于Android系統手機的甜玉米病蟲害智能診斷系統[J].農業工程學報，2012，28（18）：163-168.

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[9] 韓 迪，潘志宏.基于Android移動設備傳感器的體感應用[J]. 華南理工大學學報（自然科學版），2012，40（9）：75-80.

[10] 詹成國，朱 偉，徐 敏.基于Android的測控裝置人機界面的設計與開發[J].電力自動化設備，2012，32（1）：119-122.

[11] 史 兵，趙德安，劉星橋，等.工廠化水產養殖智能監控系統設計[J].農業機械學報，2011，42（9）：191-196.

[12] 宋 文.無線傳感器網絡技術與應用[M].北京：電子工業出版社，2007.

[13] 孫玉文，沈明霞，張祥甫，等.基于嵌入式ZigBee技術的農田信息服務系統設計[J].農業機械學報，2010，41（5）：148-151.

[14] 史 兵，趙德安，劉星橋，等.基于無線傳感網絡的規模化水產養殖智能監控系統[J].農業工程學報，2011，27（9）：136-140.

[15] 宦 娟，劉星橋，程立強，等.基于ZigBee的水產養殖水環境無線監控系統設計[J].漁業現代化，2012，39（1）：34-39.

[16] 韓 超，梁 泉.Android系統原理及開發要點詳解[M].北京：電子工業出版社，2010.

[17] 尚明華，秦磊磊，王風云，等.基于Android智能手機的小麥生產風險信息采集系統[J].農業工程學報，2011，27（5）：178-182.

String wd_down1=SpStr[7]；

…

最后在讀寫SD卡文件時要在配置文件Manifest.xml中申明權限，否則無法使用。

3.4 數據庫模塊設計

系統采用Android自帶的SQLite數據庫，SQLite數據庫具有系統開銷小，檢索效率高的特性，系統中兩處使用到數據庫，一處是用戶登錄時，用來保存用戶名稱和密碼；另外一處是在系統運行時，用來保存8個水域的各個水質參數信息。Android不自動提供數據庫。在Android應用程序中使用SQLite，必須自己創建數據庫，然后創建表、索引，填充數據。因此要創建數據庫，然后創建兩個表，如表1和表2所示。在Android中主要有兩種方法來實現對數據庫的訪問，一種是Adb shell方式，另一種是通過相關的Android的Java類來間接地對數據庫進行操作。本設計主要采用后一種方式，采用抽象類SQLiteOpenHelper來創建數據庫。SQLiteOpenHelper類根據開發應用程序的需要，封裝了創建和更新數據庫使用的邏輯。SQLiteOpenHelper的子類，實現需要以下方法：

OnCreate（）方法；

//創建數據庫后，對數據庫的操作

通過SQLiteDatabase類來實現數據庫的插入數據、刪除數據、查詢數據、修改數據等操作。當完成了對數據庫的操作后，調用SQLiteDatabase的Close（ ）方法來釋放掉數據庫連接。

3.5 網絡通信模塊設計

系統通信模塊主要采用Socket網絡通信方式。套接字（Socket）是通信的基石，是支持TCP/IP協議的網絡通信的基本操作單元。創建Socket連接時，可以指定使用的傳輸層協議，Socket支持兩種不同的傳輸層協議：TCP和UDP協議。TCP協議：首先連接接收方，然后發送數據，保證成功率，速度慢；UDP協議：把數據打包成數據包，然后直接發送到對應的IP地址，速度快，但是成功率得不到保證，并且數據大小有限。考慮到數據安全，本系統設計采用TCP協議，為了提高系統的通信效率，Socket接收采用消息機制接收，保證了響應的快速性。

手機客戶機首先讀取初始化文件（Ini.txt）中的數據流并成功分離出IP地址和通信端口號后，創建套接字Socket向服務器發出連接申請，然后一直等待接收服務器的信息。服務器接收到客戶機的連接請求后，獲取該客戶機的IP地址和端口號，然后定時向客戶機發送8個水域的水質參數信息。接收數據以握手字符AA開始，BB結束。

具體格式為：AA：1#水域溫度，1#水域pH，1#水域水位，1#水域溶氧度，1#水域鹽度，1#水域流速，…，8#水域溫度，8#水域pH，8#水域水位，8#水域溶氧度，8#水域鹽度，8#水域流速，BB。每個數據占4個字節，發送和接收數據都以數據流的方式進行，對待發送或者已接收的數據采用GB2312編碼方式進行編碼轉換。在執行通信程序時在配置文件Manifest.xml中要申明權限。

4 系統試驗結果

利用本系統在江蘇省溧陽市長蕩湖河蟹試驗基地30 m×30 m魚塘進行試驗，實時獲取溫度、pH、水位、溶氧度、鹽度、流速信息，保存入數據庫，以文本方式進行數據導出并進行數據分析比對。通過數據比對可以看出，在24 h內，通過本水質參數多點監測報警系統，可以實時在線獲取多個水域的溫度、pH、水位、溶氧度、鹽度、流速信息，在參數指標超限的情況下能準時報警提示，達到了系統設計要求。

5 結論

通過本監測報警系統長時間的使用測試表明，系統運行穩定，不死機，操作界面靈活，控制方便，擺脫了時間、地域環境等因素的影響，只要有GPRS網絡信號就能同時對多個水域進行在線監測并自動報警，對網絡信號要求低，具有很高的性價比，在江蘇省高校優勢學科建設工程資助項目以及江蘇省經濟和信息化委員會智能農業物聯網應用示范等項目中都得到了廣泛的應用，具有很強的推廣和實用價值。

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[17] 尚明華，秦磊磊，王風云，等.基于Android智能手機的小麥生產風險信息采集系統[J].農業工程學報，2011，27（5）：178-182.

String wd_down1=SpStr[7]；

…

最后在讀寫SD卡文件時要在配置文件Manifest.xml中申明權限，否則無法使用。

3.4 數據庫模塊設計

系統采用Android自帶的SQLite數據庫，SQLite數據庫具有系統開銷小，檢索效率高的特性，系統中兩處使用到數據庫，一處是用戶登錄時，用來保存用戶名稱和密碼；另外一處是在系統運行時，用來保存8個水域的各個水質參數信息。Android不自動提供數據庫。在Android應用程序中使用SQLite，必須自己創建數據庫，然后創建表、索引，填充數據。因此要創建數據庫，然后創建兩個表，如表1和表2所示。在Android中主要有兩種方法來實現對數據庫的訪問，一種是Adb shell方式，另一種是通過相關的Android的Java類來間接地對數據庫進行操作。本設計主要采用后一種方式，采用抽象類SQLiteOpenHelper來創建數據庫。SQLiteOpenHelper類根據開發應用程序的需要，封裝了創建和更新數據庫使用的邏輯。SQLiteOpenHelper的子類，實現需要以下方法：

OnCreate（）方法；

//創建數據庫后，對數據庫的操作

通過SQLiteDatabase類來實現數據庫的插入數據、刪除數據、查詢數據、修改數據等操作。當完成了對數據庫的操作后，調用SQLiteDatabase的Close（ ）方法來釋放掉數據庫連接。

3.5 網絡通信模塊設計

系統通信模塊主要采用Socket網絡通信方式。套接字（Socket）是通信的基石，是支持TCP/IP協議的網絡通信的基本操作單元。創建Socket連接時，可以指定使用的傳輸層協議，Socket支持兩種不同的傳輸層協議：TCP和UDP協議。TCP協議：首先連接接收方，然后發送數據，保證成功率，速度慢；UDP協議：把數據打包成數據包，然后直接發送到對應的IP地址，速度快，但是成功率得不到保證，并且數據大小有限。考慮到數據安全，本系統設計采用TCP協議，為了提高系統的通信效率，Socket接收采用消息機制接收，保證了響應的快速性。

手機客戶機首先讀取初始化文件（Ini.txt）中的數據流并成功分離出IP地址和通信端口號后，創建套接字Socket向服務器發出連接申請，然后一直等待接收服務器的信息。服務器接收到客戶機的連接請求后，獲取該客戶機的IP地址和端口號，然后定時向客戶機發送8個水域的水質參數信息。接收數據以握手字符AA開始，BB結束。

具體格式為：AA：1#水域溫度，1#水域pH，1#水域水位，1#水域溶氧度，1#水域鹽度，1#水域流速，…，8#水域溫度，8#水域pH，8#水域水位，8#水域溶氧度，8#水域鹽度，8#水域流速，BB。每個數據占4個字節，發送和接收數據都以數據流的方式進行，對待發送或者已接收的數據采用GB2312編碼方式進行編碼轉換。在執行通信程序時在配置文件Manifest.xml中要申明權限。

4 系統試驗結果

利用本系統在江蘇省溧陽市長蕩湖河蟹試驗基地30 m×30 m魚塘進行試驗，實時獲取溫度、pH、水位、溶氧度、鹽度、流速信息，保存入數據庫，以文本方式進行數據導出并進行數據分析比對。通過數據比對可以看出，在24 h內，通過本水質參數多點監測報警系統，可以實時在線獲取多個水域的溫度、pH、水位、溶氧度、鹽度、流速信息，在參數指標超限的情況下能準時報警提示，達到了系統設計要求。

5 結論

通過本監測報警系統長時間的使用測試表明，系統運行穩定，不死機，操作界面靈活，控制方便，擺脫了時間、地域環境等因素的影響，只要有GPRS網絡信號就能同時對多個水域進行在線監測并自動報警，對網絡信號要求低，具有很高的性價比，在江蘇省高校優勢學科建設工程資助項目以及江蘇省經濟和信息化委員會智能農業物聯網應用示范等項目中都得到了廣泛的應用，具有很強的推廣和實用價值。

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