基于智能手机的水产物联服务系统的设计与应用

施珮++袁永明++张红燕++马晓飞

摘要：为了促进江苏精准化水产养殖的发展，提出并开发了基于智能手机的水产物联服务系统。系统利用多种传感器采集水产养殖环境和气象环境信息数据，通过ZigBee自组网传递数据，实现水产养殖环境的掌上监控。系统以Android操作系统平台为背景、Highcharts为图形开发工具，开发掌上应用程序。同时，基于智能预测的指导，能够帮助渔民实现智能远程养殖。经过系统测试，该软件可正常运行，广泛使用，可以将水产养殖监控中心搬移到每个人的手机上，实现掌上智能监控。

关键词：水产养殖；物联网；Android；传感器；智能监控

中图分类号：TN925；S951 文献标识码：A 文章编号：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

隨着物质生活水平的提高，人们对水产品的需求也改变着水产品的养殖供应方式，传统低效率的养殖方式已经不能满足人们对水产品的需求，高密度、精准化养殖将成为今后水产养殖的发展方向[1，2]。

溶解氧、pH、水温等都是制约水产养殖发展的重要环境因子，气压、气温、光照、雨量等是影响水产养殖的重要气象因子[3，4]，目前的水产养殖中人工控制的数据采集装置使用较为普遍，这种工作方式会降低工作效率，浪费人力、物力的同时，养殖的精准度亦得不到有效地保证。建立精准化的高效水产养殖相关的环境因子研究体系，并实现其自动化控制就尤为重要。目前，国内学者对此提出多种智能控制系统，彭芳等[5]提出基于Profibus现场总线网络智能监控系统，开发基于溶解氧、pH、温度等环境参数的监控PC系统；杜炎城等[6]设计了基于ZigBee无线传感器和PIC单片机的水产养殖物联网监控系统，系统以C++Builder为开发工具完成监测软件的开发；崇庆峰等[7]开发设计了一种基于Android和GPRS通信技术的水质参数无线远程监控，实现对水位、温度、pH和溶解氧等水质参数的远程采集、管理和控制；颜波等[8]提出基于RFID与无线传感网络的水产品智能化养殖监控系统，实现水产养殖环境资源的充分利用。本研究利用无线传感技术和无线通信技术，以江苏省无锡市南泉罗非鱼养殖基地为试验对象，完成对水产养殖环境因子和气象因子的监测，同时结合智能预测指导渔民进行智能控制，实现智能水产养殖。

1 智能手机水产物联服务系统的结构

1.1 系统监控模式

C/S模式是目前广为使用的一种结构，它能够快速响应客户端程序的请求，并且拥有更安全的存取模式[9]。基于智能手机的水产养殖物联网监控系统，选择C/S模式作为开发模式，开发的手机客户端软件通过GPRS技术等远程访问服务器，实现远程通信。为了解决实际水产养殖生产中的问题，保障数据信息的实时性，本系统中手机客户端安装应用程序后即可读取水产养殖现场的环境数据和气象数据并控制设备，除非用户退出应用程序，否则可以一直查看实时数据。

1.2 系统结构

基于Android操作系统在目前智能手机市场中的占有率，本系统选择基于Android平台的智能手机上完成设计和开发。水产养殖物联服务监控系统包括传感器控制、数据传输和客户端监控三部分，其系统结构见图1。

2 系统的设计

2.1 系统硬件设计

ZigBee是一种可靠性强、成本较低的双向无线通信技术[10]，可以通过若干个连接的方式部署在养殖监测区域，它的灵活、省电、传输快的优点能够满足水产养殖对养殖环境和气象环境远程监控的要求。本系统建立的水质参数和自动气象站参数监控无线传感器网络采用CC2530芯片[11]完成ZigBee传输。CC2530芯片拥有一个增强型的8051CPU和可用于2.4 GHz IEEE 802.15.4标准的无线收发器，拥有多种运行模式，其超低功耗的特点为硬件的运行降低了能源消耗。系统工作原理：由CC2530完成对传感信号的AD转换、滤波、计算等，再将这些环境数据、气象数据及控制节点数据经ZigBee无线传感自组网通过RS485串口传输到服务器监控中心，并进行数据处理和存储等。PC机与手机客户端进行数据交互，完成终端控制命令的转换和传递。

系统的终端监控装置包括采集节点和控制节点，分别为养殖环境监测装置、自动气象站监测装置和继电控制装置，系统使用太阳能板充电的方式对锂电池进行供电，提供野外环境底层检测模块工作需要的电能。养殖环境参数监测装置通过不同的传感器获得数据，数据包括pH、温度和溶解氧；自动气象站监测装置也通过不同的传感器获得数据，包括气温、气压、湿度、雨量、风速、风向；继电控制装置可控制连接增氧机、进水泵、排水泵、投饵机。

2.2 无线网络构建

水产物联服务系统的监测区域较少，区域面积相对集中，部分区域分散在其他地方，因此利用ZigBee组件星型无线传感网络是具有可行性的。本系统中的ZigBee无线网络节点包括终端检测节点、协调器。本系统中终点检测节点承担采集监测指标和发送监测信息的任务；协调器承担控制整个无线传感网络和接收、发送传递的监测数据的任务，它在无线传感网络的构建和运行过程中起着至关重要的作用。

2.3 系统软件设计

2.3.1 客户端架构 水产物联服务系统使用Android平台作为开发的操作系统，基于客户机/服务器模式，采用VC完成服务器程序编写，与MySQL一起实现Socket通信，而手机客户端程序则使用Android Java开发，并存储在MySQL数据库中。系统开发以完成的Apk文件的安装和使用为成果监测对象。Apk文件可直接在智能手机上安装和卸载，用户可以自由地在手机应用程序上进行操作，整个操作过程简单、方便，程序运行不受时间和距离的影响，软件系统的基本架构见图2。

2.3.2 系统软件程序设计 基于Android的水产物联服务系统以三星Galax grand2 G7108V智能手机为例，使用Android 4.0版本，手机内核版本是3.4.0。本系统以Eclipse 4.2为开发软件，建立Android SDK和JDK7的开发环境，使用Highcharts图形开发工具[12]，完成软件图形界面的开发。系统目前可以控制3个鱼塘和一个自动气象站，采用MVC模块化设计方法，使用了7个Activity和1个SocketHelper完成通信，连接MySQL数据库，由AndroidManifest.xml存储全局的配置文件，最终完成系统的设计和开发。

3 系统的实现与应用

3.1 系统实现

网络连接：本系统中服务器可以与多个手机进行通信，根据用户的输入信息，从服务器获取IP和端口号，然后符合服务器中数据库存储信息的用户在系统验证之后可以自动进入系统主界面，访问系统，操作系统的各项功能。

在线监测：基于Android的水产物联服务系统的自动监测模块包括对南泉自动气象站和31、32、33号鱼塘的各项指标参数的监测，用户可以实时查看各项监控指标的当前信息，通过对当前实时信息波动情况的分析和观察，判断鱼塘目前的养殖环境是否需要采取应对措施，解决养殖过程中的各种问题。系统可自行设定采样周期，目前本系统中指标的采样周期为默认时间60 s。图3为南泉31号鱼塘养殖环境指标显示界面，图4为南泉31号鱼塘溶解氧信息显示界面。

远程控制：基于Android的水产物联服务系统的远程控制模块用于对增氧机、投饵机、进水泵和排水泵等设备的远程控制，并实时显示这些设备的工作状态。用户根据各项养殖参数的实时情况，自行选择开启或者关闭某些设备，避免鱼塘中不利环境状况的发生或及时改善已发生的养殖不良环境，如溶解氧的降低或pH的变化等。本操作的使用需要一定的权限，目前该权限仅提供给鱼塘的相关管理人员，以避免随意开启或关闭设备影响鱼塘的养殖环境和增加不必要的設备维护成本，保障系统对设备控制的安全性和可靠性。图5为南泉31号鱼塘远程控制模块界面。

3.2 智能预测

为了真正实现精准化水产养殖，系统在手机客户端设计了针对溶解氧的智能预测模块。该模块对采集的环境因子和气象因子数据进行存储和处理，将GRNN神经网络算法、Elman神经网络算法和BP神经网络算法集合在一起，利用MATLAB软件实现算法，利用Eclipse调用MATLAB接口，完成对溶解氧的智能预测。用户可以通过手机客户端访问服务器，选择7 d的数据为训练样本，实时预测当日不同时间溶解氧浓度变化情况，给出当日何时开启或关闭增氧机及其他应对措施的指导意见，实现智能化、精准化的水产养殖。本系统中，选择无锡市南泉试验地2015年11月4日溶解氧浓度进行预测，现列出部分预测结果，见表1。

4 小结

本研究中开发的基于Android的水产物联服务系统将监控系统与智能手机融合在一起，实现了在Android平台上的智能远程无线监测。在合理规划设计终端检测节点、继电器控制节点、协调器和手机客户端的基础上，利用ZigBee技术的野外使用优势传递养殖现场采集参数，控制整个传感网络，从而开发Android客户端应用程序，使得用户可以通过个人智能手机完成对多个养殖鱼塘的远程监管和控制。本系统在无锡市南泉试验基地3个鱼塘和一个自动气象站的24 h监控结果表明，系统的运行状态正常，终端节点检测数据精度较高，手机客户端操作简单灵活，系统稳定性高，整个系统的硬件投入成本较低。智能预测可以为精准化养殖提供一定参考价值，帮助渔民在不确定的环境条件下预知可能发生的事情，算法预测效果较好，精度较高。目前已逐步应用到南泉罗非鱼养殖池塘，系统具有继续完善的空间和一定的实用意义。

参考文献：

[1] 黄 滨，高淳仁，关长涛，等.论节能型工厂化循环水养殖的精准化[J].渔业现代化，2011，38（1）：15-18.

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[3] 巩沐歌，鲍旭腾，朱 浩，等.池塘养殖环境水质因子与气象因子的相关性分析[J].渔业现代化，2015，42（5）：33-38.

[4] 杨爱琴，陈 曙.水产养殖中几个气象影响因子研究[J].科技资讯，2011（28）：151-152.

[5] 彭 芳，周文辉.水产养殖智能监控网络系统的设计与实现[J].自动化与仪表，2012，27（3）：36-39.

[6] 杜炎城，陈 威，曹佃国.水产养殖物联网监控系统的设计[J].电子技术设计与应用，2013（12）：35-38.

[7] 崇庆峰，刘星桥，宦 娟，等.基于Android和GPRS的水产养殖监控系统设计[J].渔业现代化，2013（6）：24-28.

[8] 颜 波，石 平.基于物联网的水产养殖智能化监控系统[J].农业机械学报，2014，45（1）：259-265.

[9] 刘红梅.基于C/S和B/S体系结构应用系统的开发方法[J].计算机与现代化，2007（11）：52-54.

[10] 蒲泓全，贾军营，张小娇，等.ZigBee网络技术研究综述[J].计算机系统应用，2013，22（9）：6-11.

[11] TEXAS I. A True System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Application[EB/OL].http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[12] 吴孟春，丁 岚.High Charts组件在气象业务中的开发和应用[J].计算机与网络，2014（12）：65-68.