基于智能手機(jī)的水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

施珮++袁永明++張紅燕++馬曉飛

摘要：為了促進(jìn)江蘇精準(zhǔn)化水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展，提出并開(kāi)發(fā)了基于智能手機(jī)的水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)。系統(tǒng)利用多種傳感器采集水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境和氣象環(huán)境信息數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee自組網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的掌上監(jiān)控。系統(tǒng)以Android操作系統(tǒng)平臺(tái)為背景、Highcharts為圖形開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)掌上應(yīng)用程序。同時(shí)，基于智能預(yù)測(cè)的指導(dǎo)，能夠幫助漁民實(shí)現(xiàn)智能遠(yuǎn)程養(yǎng)殖。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試，該軟件可正常運(yùn)行，廣泛使用，可以將水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)控中心搬移到每個(gè)人的手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)掌上智能監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖；物聯(lián)網(wǎng)；Android；傳感器；智能監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TN925；S951 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(zhì)生活水平的提高，人們對(duì)水產(chǎn)品的需求也改變著水產(chǎn)品的養(yǎng)殖供應(yīng)方式，傳統(tǒng)低效率的養(yǎng)殖方式已經(jīng)不能滿足人們對(duì)水產(chǎn)品的需求，高密度、精準(zhǔn)化養(yǎng)殖將成為今后水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展方向[1，2]。

溶解氧、pH、水溫等都是制約水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展的重要環(huán)境因子，氣壓、氣溫、光照、雨量等是影響水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要?dú)庀笠蜃覽3，4]，目前的水產(chǎn)養(yǎng)殖中人工控制的數(shù)據(jù)采集裝置使用較為普遍，這種工作方式會(huì)降低工作效率，浪費(fèi)人力、物力的同時(shí)，養(yǎng)殖的精準(zhǔn)度亦得不到有效地保證。建立精準(zhǔn)化的高效水產(chǎn)養(yǎng)殖相關(guān)的環(huán)境因子研究體系，并實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化控制就尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此提出多種智能控制系統(tǒng)，彭芳等[5]提出基于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)控系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)基于溶解氧、pH、溫度等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控PC系統(tǒng)；杜炎城等[6]設(shè)計(jì)了基于ZigBee無(wú)線傳感器和PIC單片機(jī)的水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)以C++Builder為開(kāi)發(fā)工具完成監(jiān)測(cè)軟件的開(kāi)發(fā)；崇慶峰等[7]開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種基于Android和GPRS通信技術(shù)的水質(zhì)參數(shù)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)水位、溫度、pH和溶解氧等水質(zhì)參數(shù)的遠(yuǎn)程采集、管理和控制；顏波等[8]提出基于RFID與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的水產(chǎn)品智能化養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境資源的充分利用。本研究利用無(wú)線傳感技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，以江蘇省無(wú)錫市南泉羅非魚(yú)養(yǎng)殖基地為試驗(yàn)對(duì)象，完成對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境因子和氣象因子的監(jiān)測(cè)，同時(shí)結(jié)合智能預(yù)測(cè)指導(dǎo)漁民進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)智能水產(chǎn)養(yǎng)殖。

1 智能手機(jī)水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)監(jiān)控模式

C/S模式是目前廣為使用的一種結(jié)構(gòu)，它能夠快速響應(yīng)客戶端程序的請(qǐng)求，并且擁有更安全的存取模式[9]?；谥悄苁謾C(jī)的水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，選擇C/S模式作為開(kāi)發(fā)模式，開(kāi)發(fā)的手機(jī)客戶端軟件通過(guò)GPRS技術(shù)等遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。為了解決實(shí)際水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中的問(wèn)題，保障數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)性，本系統(tǒng)中手機(jī)客戶端安裝應(yīng)用程序后即可讀取水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)并控制設(shè)備，除非用戶退出應(yīng)用程序，否則可以一直查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于Android操作系統(tǒng)在目前智能手機(jī)市場(chǎng)中的占有率，本系統(tǒng)選擇基于Android平臺(tái)的智能手機(jī)上完成設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。水產(chǎn)養(yǎng)殖物聯(lián)服務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)包括傳感器控制、數(shù)據(jù)傳輸和客戶端監(jiān)控三部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee是一種可靠性強(qiáng)、成本較低的雙向無(wú)線通信技術(shù)[10]，可以通過(guò)若干個(gè)連接的方式部署在養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)區(qū)域，它的靈活、省電、傳輸快的優(yōu)點(diǎn)能夠滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)養(yǎng)殖環(huán)境和氣象環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求。本系統(tǒng)建立的水質(zhì)參數(shù)和自動(dòng)氣象站參數(shù)監(jiān)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用CC2530芯片[11]完成ZigBee傳輸。CC2530芯片擁有一個(gè)增強(qiáng)型的8051CPU和可用于2.4 GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線收發(fā)器，擁有多種運(yùn)行模式，其超低功耗的特點(diǎn)為硬件的運(yùn)行降低了能源消耗。系統(tǒng)工作原理：由CC2530完成對(duì)傳感信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換、濾波、計(jì)算等，再將這些環(huán)境數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)及控制節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee無(wú)線傳感自組網(wǎng)通過(guò)RS485串口傳輸?shù)椒?wù)器監(jiān)控中心，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)等。PC機(jī)與手機(jī)客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成終端控制命令的轉(zhuǎn)換和傳遞。

系統(tǒng)的終端監(jiān)控裝置包括采集節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)，分別為養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置、自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)裝置和繼電控制裝置，系統(tǒng)使用太陽(yáng)能板充電的方式對(duì)鋰電池進(jìn)行供電，提供野外環(huán)境底層檢測(cè)模塊工作需要的電能。養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)不同的傳感器獲得數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括pH、溫度和溶解氧；自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)裝置也通過(guò)不同的傳感器獲得數(shù)據(jù)，包括氣溫、氣壓、濕度、雨量、風(fēng)速、風(fēng)向；繼電控制裝置可控制連接增氧機(jī)、進(jìn)水泵、排水泵、投餌機(jī)。

2.2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)區(qū)域較少，區(qū)域面積相對(duì)集中，部分區(qū)域分散在其他地方，因此利用ZigBee組件星型無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是具有可行性的。本系統(tǒng)中的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器。本系統(tǒng)中終點(diǎn)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)承擔(dān)采集監(jiān)測(cè)指標(biāo)和發(fā)送監(jiān)測(cè)信息的任務(wù)；協(xié)調(diào)器承擔(dān)控制整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和接收、發(fā)送傳遞的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的任務(wù)，它在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和運(yùn)行過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 客戶端架構(gòu) 水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)使用Android平臺(tái)作為開(kāi)發(fā)的操作系統(tǒng)，基于客戶機(jī)/服務(wù)器模式，采用VC完成服務(wù)器程序編寫，與MySQL一起實(shí)現(xiàn)Socket通信，而手機(jī)客戶端程序則使用Android Java開(kāi)發(fā)，并存儲(chǔ)在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)以完成的Apk文件的安裝和使用為成果監(jiān)測(cè)對(duì)象。Apk文件可直接在智能手機(jī)上安裝和卸載，用戶可以自由地在手機(jī)應(yīng)用程序上進(jìn)行操作，整個(gè)操作過(guò)程簡(jiǎn)單、方便，程序運(yùn)行不受時(shí)間和距離的影響，軟件系統(tǒng)的基本架構(gòu)見(jiàn)圖2。

2.3.2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì) 基于Android的水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)以三星Galax grand2 G7108V智能手機(jī)為例，使用Android 4.0版本，手機(jī)內(nèi)核版本是3.4.0。本系統(tǒng)以Eclipse 4.2為開(kāi)發(fā)軟件，建立Android SDK和JDK7的開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用Highcharts圖形開(kāi)發(fā)工具[12]，完成軟件圖形界面的開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)目前可以控制3個(gè)魚(yú)塘和一個(gè)自動(dòng)氣象站，采用MVC模塊化設(shè)計(jì)方法，使用了7個(gè)Activity和1個(gè)SocketHelper完成通信，連接MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，由AndroidManifest.xml存儲(chǔ)全局的配置文件，最終完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)連接：本系統(tǒng)中服務(wù)器可以與多個(gè)手機(jī)進(jìn)行通信，根據(jù)用戶的輸入信息，從服務(wù)器獲取IP和端口號(hào)，然后符合服務(wù)器中數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)信息的用戶在系統(tǒng)驗(yàn)證之后可以自動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)主界面，訪問(wèn)系統(tǒng)，操作系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

在線監(jiān)測(cè)：基于Android的水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊包括對(duì)南泉自動(dòng)氣象站和31、32、33號(hào)魚(yú)塘的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，用戶可以實(shí)時(shí)查看各項(xiàng)監(jiān)控指標(biāo)的當(dāng)前信息，通過(guò)對(duì)當(dāng)前實(shí)時(shí)信息波動(dòng)情況的分析和觀察，判斷魚(yú)塘目前的養(yǎng)殖環(huán)境是否需要采取應(yīng)對(duì)措施，解決養(yǎng)殖過(guò)程中的各種問(wèn)題。系統(tǒng)可自行設(shè)定采樣周期，目前本系統(tǒng)中指標(biāo)的采樣周期為默認(rèn)時(shí)間60 s。圖3為南泉31號(hào)魚(yú)塘養(yǎng)殖環(huán)境指標(biāo)顯示界面，圖4為南泉31號(hào)魚(yú)塘溶解氧信息顯示界面。

遠(yuǎn)程控制：基于Android的水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制模塊用于對(duì)增氧機(jī)、投餌機(jī)、進(jìn)水泵和排水泵等設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，并實(shí)時(shí)顯示這些設(shè)備的工作狀態(tài)。用戶根據(jù)各項(xiàng)養(yǎng)殖參數(shù)的實(shí)時(shí)情況，自行選擇開(kāi)啟或者關(guān)閉某些設(shè)備，避免魚(yú)塘中不利環(huán)境狀況的發(fā)生或及時(shí)改善已發(fā)生的養(yǎng)殖不良環(huán)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(quán)限，目前該權(quán)限僅提供給魚(yú)塘的相關(guān)管理人員，以避免隨意開(kāi)啟或關(guān)閉設(shè)備影響魚(yú)塘的養(yǎng)殖環(huán)境和增加不必要的設(shè)備維護(hù)成本，保障系統(tǒng)對(duì)設(shè)備控制的安全性和可靠性。圖5為南泉31號(hào)魚(yú)塘遠(yuǎn)程控制模塊界面。

3.2 智能預(yù)測(cè)

為了真正實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化水產(chǎn)養(yǎng)殖，系統(tǒng)在手機(jī)客戶端設(shè)計(jì)了針對(duì)溶解氧的智能預(yù)測(cè)模塊。該模塊對(duì)采集的環(huán)境因子和氣象因子數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，將GRNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法集合在一起，利用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)算法，利用Eclipse調(diào)用MATLAB接口，完成對(duì)溶解氧的智能預(yù)測(cè)。用戶可以通過(guò)手機(jī)客戶端訪問(wèn)服務(wù)器，選擇7 d的數(shù)據(jù)為訓(xùn)練樣本，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)當(dāng)日不同時(shí)間溶解氧濃度變化情況，給出當(dāng)日何時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉增氧機(jī)及其他應(yīng)對(duì)措施的指導(dǎo)意見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)智能化、精準(zhǔn)化的水產(chǎn)養(yǎng)殖。本系統(tǒng)中，選擇無(wú)錫市南泉試驗(yàn)地2015年11月4日溶解氧濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)，現(xiàn)列出部分預(yù)測(cè)結(jié)果，見(jiàn)表1。

4 小結(jié)

本研究中開(kāi)發(fā)的基于Android的水產(chǎn)物聯(lián)服務(wù)系統(tǒng)將監(jiān)控系統(tǒng)與智能手機(jī)融合在一起，實(shí)現(xiàn)了在Android平臺(tái)上的智能遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)。在合理規(guī)劃設(shè)計(jì)終端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、繼電器控制節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器和手機(jī)客戶端的基礎(chǔ)上，利用ZigBee技術(shù)的野外使用優(yōu)勢(shì)傳遞養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)采集參數(shù)，控制整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)，從而開(kāi)發(fā)Android客戶端應(yīng)用程序，使得用戶可以通過(guò)個(gè)人智能手機(jī)完成對(duì)多個(gè)養(yǎng)殖魚(yú)塘的遠(yuǎn)程監(jiān)管和控制。本系統(tǒng)在無(wú)錫市南泉試驗(yàn)基地3個(gè)魚(yú)塘和一個(gè)自動(dòng)氣象站的24 h監(jiān)控結(jié)果表明，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)正常，終端節(jié)點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)精度較高，手機(jī)客戶端操作簡(jiǎn)單靈活，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，整個(gè)系統(tǒng)的硬件投入成本較低。智能預(yù)測(cè)可以為精準(zhǔn)化養(yǎng)殖提供一定參考價(jià)值，幫助漁民在不確定的環(huán)境條件下預(yù)知可能發(fā)生的事情，算法預(yù)測(cè)效果較好，精度較高。目前已逐步應(yīng)用到南泉羅非魚(yú)養(yǎng)殖池塘，系統(tǒng)具有繼續(xù)完善的空間和一定的實(shí)用意義。

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