基于智能手機的水產物聯服務系統的設計與應用

施珮++袁永明++張紅燕++馬曉飛

摘要：為了促進江蘇精準化水產養殖的發展，提出并開發了基于智能手機的水產物聯服務系統。系統利用多種傳感器采集水產養殖環境和氣象環境信息數據，通過ZigBee自組網傳遞數據，實現水產養殖環境的掌上監控。系統以Android操作系統平臺為背景、Highcharts為圖形開發工具，開發掌上應用程序。同時，基于智能預測的指導，能夠幫助漁民實現智能遠程養殖。經過系統測試，該軟件可正常運行，廣泛使用，可以將水產養殖監控中心搬移到每個人的手機上，實現掌上智能監控。

關鍵詞：水產養殖；物聯網；Android；傳感器；智能監控

中圖分類號：TN925；S951 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）13-2528-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.13.033

Design and Application of Aquatic Product Service System Based on Smart Phone

SHI Pei， YUAN Yong-ming， ZHANG Hong-yan， MA Xiao-fei

（Freshwater Fisheries Research Center of Chinese Academy of Fishery Sciences/The National Tilapia Industry Technology Development Center/Key Laboratory of Freshwater Fisheries and Germplasm Resources Utilization， Ministry of Agriculture，Wuxi 214081，Jiangsu，China）

Abstract：Aquaculture has developed rapidly in Jiangsu， and precision aquaculture has become more and more widespread. A kind of aquaculture internet things service system based on smart phone is developed. The aquaculture environment monitoring on the palm is realized by sensor and ZigBee technology. Aquaculture environment and meteorological environment data arecomposed of sensorsand passed by the ZigBee network. The system determines the Android operating system asthe platform， the Highchartsas graphical tools to develop the handheld applications. The intelligent predictive guidance can guide fishermen to realize intelligent remote farming. The system testing results indicate that the system works well. System can be successfully used to move the aquaculture monitoring center to smart phone.

Key words：aquaculture；internet of things；Android；sensor；intelligent monitoring

隨著物質生活水平的提高，人們對水產品的需求也改變著水產品的養殖供應方式，傳統低效率的養殖方式已經不能滿足人們對水產品的需求，高密度、精準化養殖將成為今后水產養殖的發展方向[1，2]。

溶解氧、pH、水溫等都是制約水產養殖發展的重要環境因子，氣壓、氣溫、光照、雨量等是影響水產養殖的重要氣象因子[3，4]，目前的水產養殖中人工控制的數據采集裝置使用較為普遍，這種工作方式會降低工作效率，浪費人力、物力的同時，養殖的精準度亦得不到有效地保證。建立精準化的高效水產養殖相關的環境因子研究體系，并實現其自動化控制就尤為重要。目前，國內學者對此提出多種智能控制系統，彭芳等[5]提出基于Profibus現場總線網絡智能監控系統，開發基于溶解氧、pH、溫度等環境參數的監控PC系統；杜炎城等[6]設計了基于ZigBee無線傳感器和PIC單片機的水產養殖物聯網監控系統，系統以C++Builder為開發工具完成監測軟件的開發；崇慶峰等[7]開發設計了一種基于Android和GPRS通信技術的水質參數無線遠程監控，實現對水位、溫度、pH和溶解氧等水質參數的遠程采集、管理和控制；顏波等[8]提出基于RFID與無線傳感網絡的水產品智能化養殖監控系統，實現水產養殖環境資源的充分利用。本研究利用無線傳感技術和無線通信技術，以江蘇省無錫市南泉羅非魚養殖基地為試驗對象，完成對水產養殖環境因子和氣象因子的監測，同時結合智能預測指導漁民進行智能控制，實現智能水產養殖。

1 智能手機水產物聯服務系統的結構

1.1 系統監控模式

C/S模式是目前廣為使用的一種結構，它能夠快速響應客戶端程序的請求，并且擁有更安全的存取模式[9]。基于智能手機的水產養殖物聯網監控系統，選擇C/S模式作為開發模式，開發的手機客戶端軟件通過GPRS技術等遠程訪問服務器，實現遠程通信。為了解決實際水產養殖生產中的問題，保障數據信息的實時性，本系統中手機客戶端安裝應用程序后即可讀取水產養殖現場的環境數據和氣象數據并控制設備，除非用戶退出應用程序，否則可以一直查看實時數據。

1.2 系統結構

基于Android操作系統在目前智能手機市場中的占有率，本系統選擇基于Android平臺的智能手機上完成設計和開發。水產養殖物聯服務監控系統包括傳感器控制、數據傳輸和客戶端監控三部分，其系統結構見圖1。

2 系統的設計

2.1 系統硬件設計

ZigBee是一種可靠性強、成本較低的雙向無線通信技術[10]，可以通過若干個連接的方式部署在養殖監測區域，它的靈活、省電、傳輸快的優點能夠滿足水產養殖對養殖環境和氣象環境遠程監控的要求。本系統建立的水質參數和自動氣象站參數監控無線傳感器網絡采用CC2530芯片[11]完成ZigBee傳輸。CC2530芯片擁有一個增強型的8051CPU和可用于2.4 GHz IEEE 802.15.4標準的無線收發器，擁有多種運行模式，其超低功耗的特點為硬件的運行降低了能源消耗。系統工作原理：由CC2530完成對傳感信號的AD轉換、濾波、計算等，再將這些環境數據、氣象數據及控制節點數據經ZigBee無線傳感自組網通過RS485串口傳輸到服務器監控中心，并進行數據處理和存儲等。PC機與手機客戶端進行數據交互，完成終端控制命令的轉換和傳遞。

系統的終端監控裝置包括采集節點和控制節點，分別為養殖環境監測裝置、自動氣象站監測裝置和繼電控制裝置，系統使用太陽能板充電的方式對鋰電池進行供電，提供野外環境底層檢測模塊工作需要的電能。養殖環境參數監測裝置通過不同的傳感器獲得數據，數據包括pH、溫度和溶解氧；自動氣象站監測裝置也通過不同的傳感器獲得數據，包括氣溫、氣壓、濕度、雨量、風速、風向；繼電控制裝置可控制連接增氧機、進水泵、排水泵、投餌機。

2.2 無線網絡構建

水產物聯服務系統的監測區域較少，區域面積相對集中，部分區域分散在其他地方，因此利用ZigBee組件星型無線傳感網絡是具有可行性的。本系統中的ZigBee無線網絡節點包括終端檢測節點、協調器。本系統中終點檢測節點承擔采集監測指標和發送監測信息的任務；協調器承擔控制整個無線傳感網絡和接收、發送傳遞的監測數據的任務，它在無線傳感網絡的構建和運行過程中起著至關重要的作用。

2.3 系統軟件設計

2.3.1 客戶端架構 水產物聯服務系統使用Android平臺作為開發的操作系統，基于客戶機/服務器模式，采用VC完成服務器程序編寫，與MySQL一起實現Socket通信，而手機客戶端程序則使用Android Java開發，并存儲在MySQL數據庫中。系統開發以完成的Apk文件的安裝和使用為成果監測對象。Apk文件可直接在智能手機上安裝和卸載，用戶可以自由地在手機應用程序上進行操作，整個操作過程簡單、方便，程序運行不受時間和距離的影響，軟件系統的基本架構見圖2。

2.3.2 系統軟件程序設計 基于Android的水產物聯服務系統以三星Galax grand2 G7108V智能手機為例，使用Android 4.0版本，手機內核版本是3.4.0。本系統以Eclipse 4.2為開發軟件，建立Android SDK和JDK7的開發環境，使用Highcharts圖形開發工具[12]，完成軟件圖形界面的開發。系統目前可以控制3個魚塘和一個自動氣象站，采用MVC模塊化設計方法，使用了7個Activity和1個SocketHelper完成通信，連接MySQL數據庫，由AndroidManifest.xml存儲全局的配置文件，最終完成系統的設計和開發。

3 系統的實現與應用

3.1 系統實現

網絡連接：本系統中服務器可以與多個手機進行通信，根據用戶的輸入信息，從服務器獲取IP和端口號，然后符合服務器中數據庫存儲信息的用戶在系統驗證之后可以自動進入系統主界面，訪問系統，操作系統的各項功能。

在線監測：基于Android的水產物聯服務系統的自動監測模塊包括對南泉自動氣象站和31、32、33號魚塘的各項指標參數的監測，用戶可以實時查看各項監控指標的當前信息，通過對當前實時信息波動情況的分析和觀察，判斷魚塘目前的養殖環境是否需要采取應對措施，解決養殖過程中的各種問題。系統可自行設定采樣周期，目前本系統中指標的采樣周期為默認時間60 s。圖3為南泉31號魚塘養殖環境指標顯示界面，圖4為南泉31號魚塘溶解氧信息顯示界面。

遠程控制：基于Android的水產物聯服務系統的遠程控制模塊用于對增氧機、投餌機、進水泵和排水泵等設備的遠程控制，并實時顯示這些設備的工作狀態。用戶根據各項養殖參數的實時情況，自行選擇開啟或者關閉某些設備，避免魚塘中不利環境狀況的發生或及時改善已發生的養殖不良環境，如溶解氧的降低或pH的變化等。本操作的使用需要一定的權限，目前該權限僅提供給魚塘的相關管理人員，以避免隨意開啟或關閉設備影響魚塘的養殖環境和增加不必要的設備維護成本，保障系統對設備控制的安全性和可靠性。圖5為南泉31號魚塘遠程控制模塊界面。

3.2 智能預測

為了真正實現精準化水產養殖，系統在手機客戶端設計了針對溶解氧的智能預測模塊。該模塊對采集的環境因子和氣象因子數據進行存儲和處理，將GRNN神經網絡算法、Elman神經網絡算法和BP神經網絡算法集合在一起，利用MATLAB軟件實現算法，利用Eclipse調用MATLAB接口，完成對溶解氧的智能預測。用戶可以通過手機客戶端訪問服務器，選擇7 d的數據為訓練樣本，實時預測當日不同時間溶解氧濃度變化情況，給出當日何時開啟或關閉增氧機及其他應對措施的指導意見，實現智能化、精準化的水產養殖。本系統中，選擇無錫市南泉試驗地2015年11月4日溶解氧濃度進行預測，現列出部分預測結果，見表1。

4 小結

本研究中開發的基于Android的水產物聯服務系統將監控系統與智能手機融合在一起，實現了在Android平臺上的智能遠程無線監測。在合理規劃設計終端檢測節點、繼電器控制節點、協調器和手機客戶端的基礎上，利用ZigBee技術的野外使用優勢傳遞養殖現場采集參數，控制整個傳感網絡，從而開發Android客戶端應用程序，使得用戶可以通過個人智能手機完成對多個養殖魚塘的遠程監管和控制。本系統在無錫市南泉試驗基地3個魚塘和一個自動氣象站的24 h監控結果表明，系統的運行狀態正常，終端節點檢測數據精度較高，手機客戶端操作簡單靈活，系統穩定性高，整個系統的硬件投入成本較低。智能預測可以為精準化養殖提供一定參考價值，幫助漁民在不確定的環境條件下預知可能發生的事情，算法預測效果較好，精度較高。目前已逐步應用到南泉羅非魚養殖池塘，系統具有繼續完善的空間和一定的實用意義。

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