王宏坡，周紅，李金平，劉家祺，鄔海濤，吳奇，彭冰

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基于Android的池塘養(yǎng)殖水質遠程監(jiān)控系統(tǒng)

王宏坡，周紅，李金平，劉家祺，鄔海濤，吳奇，彭冰

（天津農學院計算機與信息工程學院，天津 300384）

為滿足現代智能化水產養(yǎng)殖中隨時隨地掌控池塘水質參數的需求，本研究開發(fā)了一種基于Android平臺的池塘養(yǎng)殖水質遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現了對溶解氧等環(huán)境參數的遠程采集，同時也實現了對多控制節(jié)點的遠程控制。系統(tǒng)控制部分采用8051微處理器進行數據的采集和處理，使用GSM（Global System for Mobile Communication）短信的方式來與基于Android客戶端的無線通信，實現用戶對池塘溶解氧情況的遠程實時控制。此外，系統(tǒng)還具有統(tǒng)計功能，以方便用戶了解池塘變化情況。

水產養(yǎng)殖；遠程監(jiān)控；傳感器；GSM；Android

1 引言

在水質環(huán)境監(jiān)測中, 衡量水質的一個重要指標即為溶解氧, 如何準確采集溶解氧數據并實時對其處理具有重要意義[1]。在養(yǎng)殖池塘溶解氧監(jiān)測方面，已經在養(yǎng)殖池塘實現了通過電腦PC機實現了對溶解氧數據的實時接收、分析并根據相應的溶解氧上下限發(fā)出指令讓溶解氧機啟動或停止的溶解氧自動調整系統(tǒng)[2]。但目前的問題是溶解氧的監(jiān)控終端即電腦PC機只能放置在諸如機房或辦公室等固定場所，養(yǎng)殖戶如果想要實時了解養(yǎng)殖池塘溶解氧數據只能回到PC機所在處，不利于查看[3]。本系統(tǒng)基于Android 平臺，采用GSM短信方式對養(yǎng)殖池塘全過程的連續(xù)或持續(xù)監(jiān)控，具有實時性強，操作簡單、不受時空限制等特點。

2 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)主要有8051CPU主控單元、傳感器組單元、GSM模塊、增氧泵以及繼電器等模塊構成。在傳感器組單元中，溶解氧傳感器將電流信號轉換成電信號傳到單片機上，經過8051微處理器處理后，由GSM模塊將要處理的信息發(fā)到用戶客戶端提醒用戶來控制增氧機，客戶通過Android手機端給8051發(fā)送命令來控制增氧機打開的時間，比較方便，不受時空的限制。其他傳感器原理類似，整個系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2.1 硬件系統(tǒng)設計

控制中心選擇基于8051內核的89s52芯片作為控制芯片，該芯片不僅能夠對溶解氧、pH值等參數進行實時采集，而且還支持程序的在線燒寫。此外，在8051CPU模塊中擴展了3個串行E2PROM芯片AT24C512，以用于循環(huán)存儲池塘溶解氧、pH值和溫度等指標數據。

由于系統(tǒng)是通過對池塘水質數據連續(xù)采集，經數據分析管理后再告知執(zhí)行單元進行增氧泵等設備的開啟或關閉，因此對于數據采集和執(zhí)行等部分硬件要求較高，為了確保精度和遠距離傳輸，則在數據采集上使用多點采集且通過RS485總線進行數據傳輸，在本設計中，由于傳感器節(jié)點的數量未超過32個，所以對于RS485采用了SN75176，此外，在本設計中，為了使驅動器使能端（DE）在系統(tǒng)復位時處于未選中狀態(tài)，則通過光耦外接2 kΩ電阻（R6）接地，以保證系統(tǒng)初始化時該端口處于“0”狀態(tài)；為了實現總線與單片機系統(tǒng)之間的隔離，在SN75176與系統(tǒng)芯片之間通過TIL117光耦進行隔離；為了有效抗擊線路干擾的發(fā)生，在485的A、B兩端之間添加了D1和D2兩個穩(wěn)壓管；此外，為了防止某個485芯片不幸被擊穿后而不影響其他485的通信，則在A、B兩端各串聯(lián)了一個20 Ω的電阻（R10、R11）；另外，由于485總選現場總線采用的是雙絞線形式，其阻值大約是120 Ω，為減少信號的發(fā)射發(fā)生，則在485中增加120 Ω的吸收電阻（R8），具體硬件結構設計如圖2所示。

圖2 RS485連接示意圖

溶解氧傳感器采用499ADO隔膜覆蓋的電流型傳感器，該傳感器不僅能夠連續(xù)監(jiān)測液體中的溶解氧含量，而且采用隔膜覆蓋，易于更換，同時還帶有自動的溫度補償和自動壓力平衡，以防止隔膜變形[4]。pH值傳感器采用Signet2724復合電極傳感器[5]。它們與主控單片機之間都是通過485總線方式進行通信，所采用的電路與前面類似就不一一介紹。溶解氧傳感器、pH值傳感器等根據多參數在線水質傳感器的研究與實現[6]，將其設置在距離水面50 cm靠近養(yǎng)殖對象的地方。增氧泵的控制是通過繼電器進行的，為了有效調控增氧泵，繼電器采用了德力西的小型固態(tài)繼電器CDG1-1DA-10 A。該繼電器控制電壓為3～32 VDC，負載電壓為24～480 VAC，輸出電流為10 A控制電路為5～20 mA，在該繼電器中，采用美國仙童光耦，實現了隔離，因此，在電路的設計中，就不需要再額外增加光耦以實現控制隔離。此外，該繼電器采用了無觸點開關，從而沒有機械觸點，無火花的產生，安全性更高。其連接電路示意圖如圖3所示。

圖3 繼電器控制電路示意圖

GSM模塊采用工業(yè)級的TC35i模塊，該模塊不僅可以工作在GSM1800和EGSM900雙頻段，而且還支持中文信息的接收和發(fā)送[7]。波特率自動為1.2 kbps到115.0 kbps，當然也可以選擇300.0 bps到115.0 kbps的波特率，支持AT命令，短消息格式支持Text格式和PDU格式[8]。其與單片機的連接示意圖如圖4所示。

圖4 TC35i與單片機連接示意圖

2.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)上電之后，首先進行一些列初始化，這其中包括對IO端口的初始化、對定時器的初始化、對485總線的初始化、以及對TC35i的初始化等等。初始化結束后開啟系統(tǒng)程序，傳感器模塊則依據在初始化過程中所設定的參數開始不間斷的采集各個池塘環(huán)境參數，并將所得結果按照所規(guī)定的協(xié)議通過GSM發(fā)送到手機端，手機端在接收到相關數據后，根據標準正常值判斷數據是否正常，如果不正常則啟動或關閉相關設備，如果數據正常，則將數據存儲下來，以備統(tǒng)計使用。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示。

2.3 485總線軟件設計

485總線屬于異步半雙工的通信總線，發(fā)送和接收共用同一物理信道，在某個時刻它只能呈現一種狀態(tài)且只允許一個節(jié)點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，要求應答的節(jié)點必須要等到總線上信息發(fā)送完畢，且沒有其他節(jié)點發(fā)出應答信號的情況下，才能應答。這就對主節(jié)點和從節(jié)點之間的通信有比較嚴格的要求，在設計中復位時，主從節(jié)點都處于接收狀態(tài)。此外還要使控制端RE*和DE的信號有效寬度大于發(fā)送或接收幀信號的寬度。發(fā)送和接收流程圖如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)流程圖

圖6 485發(fā)送和接收流程圖

2.4 GSM軟件設計

GSM即為全球移動通信系統(tǒng)，GSM數據通信主要是數據以短信方式通過無線信道，經由短消息服務中心進行傳遞的數據傳送方式[9]。在本系統(tǒng)中TC35i采用PDU（Protocol Data Unit，協(xié)議數據單元）格式，在程序書寫時，數據是以十六進制形式表示，但在傳遞信息時則是以Unicode碼形式進行[10]。單片機向手機發(fā)送的內容為“溶解氧：7.1 mg/L”，短信中心的號碼為：＋8613800220500，要發(fā)送的手機號碼為：＋8613602223649，其過程如下。

步驟1：用addr字符串將處理后的短信中心號碼表示出來。

（1）去掉短信息中心號碼前的＋號，同時查看其長度是否為偶數，若不是則在最后添加F，

即 addr ＝“＋8613800220500”＝＞addr ＝“8613800220500F”。

（2）將addr中奇數位字符和偶數位字符進行互換。

＝＞addr ＝“683108020205F0”。

（3）將addr前面加上字符代表國際化的“91”。

＝＞addr ＝“91683108020205F0”。

（4）通過長度函數計算 addr的長度，并將放置到addr的起始位置。＝“08”，

＝＞addr ＝“0891683108020005F0”。

步驟2：用pHone字符串將處理后的手機號碼表示出來。

（1）去掉手機號碼前的＋號，同時查看其長度是否為偶數，若不是則在最后添加F，

即 pHone ＝“＋8613602223649”＝＞pHone ＝“8613602223649F”。

（2）將pHone中奇數位字符和偶數位字符進行互換。＝＞pHone＝“683106223246F9”

步驟3：用msg字符串將處理后的短信內容表示出來。

（1）使用Unicode碼將要發(fā)送的“溶解氧：7.1 mg/L”表示為“6EB689E36C273A372E316D 672F4C”。

（2）使用長度函數計算出msg的長度并將其放置到msg字符串的起始位置，＝“0E”，

＝＞msg＝“0E6EB689E36C273A372E316D672 F4C”。

步驟4：組合。

組合即按著發(fā)送PDU格式將各個部分合在一起，發(fā)送PDU格式如表1所示。

表1 發(fā)送PDU格式

根據表1可知，當前的發(fā)送數據為：

addr＋1100＋pHone＋0000V8＋msg ＝＞“0891683108020005F01100683106223246F90000V80E6EB689E36C273A372E316D672F4C ”

然后使用AT＋CMGS＝32

＞0891683108020005F01100683106223246F9 0000V80E6EB689E36C273A372E316D672F4C即可將“溶解氧：7.1 mg/L”短消息內容發(fā)送到13602223649手機上。

接收的過程則按著格式解析出來即可得到相應的內容，限于篇幅這里就不做詳細介紹。

3 Android客戶端系統(tǒng)實現

Android是一款基于 Linux 平臺的操作系統(tǒng)，由于其簡潔和開源的特點，使得目前Android智能手機的市場占有率非常高[11-12]。本系統(tǒng)就是在不額外增加設備的前提下，利用養(yǎng)殖戶手中現有的Android手機開發(fā)而成。系統(tǒng)中Android客戶端作為一個控制中心，數據的存儲則利用Android系統(tǒng)已有的嵌入式數據庫 SQLite去完成，養(yǎng)殖戶的每個池塘都可以設置一個監(jiān)測點，或多個監(jiān)測點，各個監(jiān)測點之間相互獨立完成環(huán)境參數查詢、環(huán)境參數極限設定和電機控制。

圖7 客戶端系統(tǒng)結構

3.1 客戶端界面設定

系統(tǒng)是在Eclipse Helios Service Release 2＋Android ADT＋Android SDK環(huán)境下開發(fā)完成的，Android客戶端的界面則是以Android XML File文件形式進行設計[13]。系統(tǒng)的界面主要有用于進入系統(tǒng)的登錄界面、有向用戶概要呈現池塘信息池塘的主控制界面、有向用戶查看詳細信息的查詢界面、還有用于設置環(huán)境極限參數的環(huán)境極限參數設定界面以及針對不同界面而設立不同的菜單界面。

當用戶進入主控制界面，如圖8所示，點擊在線監(jiān)測，則系統(tǒng)會向各池塘發(fā)送查詢池塘環(huán)境參數的短息，并將接收到的池塘的環(huán)境參數顯示出來，如圖9所示。除了環(huán)境參數顯示外，同時還將各增氧機的工作狀態(tài)顯示出來。當然，增氧機除了可以根據之前設定的環(huán)境參數極限值由單片機自動控制外，用戶也可以在池塘遠程控制界面自主啟停增氧機，如圖10所示。環(huán)境參數設定界面主要用于設置溶解氧的上下極限值，以便于底層池塘控制系統(tǒng)根據設定的極限參數自主調控池塘，使池塘維持正常狀況，如圖11所示。

圖8 主界面

3.2 客戶端數據的存儲

環(huán)境參數的監(jiān)控并非只要某一刻的數據，對于用戶來說有時需要查看某一段時間環(huán)境參數的變化情況，此時就需要將檢測到的數據存儲下來。在Android操作系統(tǒng)中，雖然有SQLite嵌入式數據庫，但畢竟容量有限，為了更方便的存儲，則系統(tǒng)中可以將統(tǒng)計的數據以Text文本形式導出到SD卡上，為了便于查看統(tǒng)計數據，在數據導出時文件名后面12位為導出時的系統(tǒng)時間即（XX年XX月XX日XX時XX分XX秒），這樣不同時刻導出的文件名就不會相同，不會出現覆蓋現象，用戶只需要記住保存的時間即可。

3.3 數據的統(tǒng)計顯示

為了便于用戶了解和知道最近一段時間池塘水質參數的變化情況，特在系統(tǒng)中添加了用于連續(xù)追蹤顯示的折線圖。在Android端折線圖的繪制時通過圖表制作引擎AChartEngine來實現的。AChartEngine時一個開源的組件，圖表的繪制則通過調用其相應的API去實現。在AChartEngine中有兩個重要的API，一個是用于進行數據設置的API叫數據設置器，一個是渲染圖形的API叫渲染器，顧名思義，通過前者可以獲得所要顯示的數據，通過后者可以設定或者修改數據的呈現效果。在設計中，通過XYSeriesDataSet mydataset＝getDataSet（cursor）方法創(chuàng)建數據設置器，其中的cursor（游標）則通過讀取數據庫中的相應表格數據得到。而對于渲染器是通過XYSeriesRenderer renderer ＝ getmyRenderer（）實現，getmyRenderer（）是一個自定義方法，在該方法中通過調用XYMultipleSeriesRenderer renderer＝new XYMultiple SeriesRenderer（）語句創(chuàng)建一個XYMultiple SeriesRenderer對象，然后通過所setChartSettings（XYMultipleSeriesRenderer renderer，String title，String xTitle，String yTitle，double xMin，double xMax，double yMin，double yMax，int axesColor，int labels Color）進行折線的配置，進而將數據以折線圖形式呈現出來。圖9則就是將溶解氧的變化情況用折線圖展現出來，由于溶解氧變化不是特別大，所以在顯示上面縱坐標劃分的比較細，從而更能詳細看出溶解氧的微弱變化，從圖中可以看出由于當天天氣發(fā)生陰晴變化，導致溶解氧有了一定波動。

4 結論

基于Android的池塘養(yǎng)殖遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現了通過 Android 手機對池塘的遠程監(jiān)控，此外，該監(jiān)控系統(tǒng)可以通過1臺手機對多個魚塘同時監(jiān)控，該系統(tǒng)相對于同類產品而言，其成本低，尤其是不需要在單獨配置特殊的移動終端設備，只需在現有的安卓智能手機上即可完成所有操作，因此具有較高的性價比，此外，該系統(tǒng)實時性好，同時還具有統(tǒng)計功能，可以讓用戶清晰知道整個周期池塘狀況。

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責任編輯：張愛婷

An Aquiculture Water Quality Remote Monitoring System in the Pool Based on Android

WANG Hong-po, ZHOU Hong, LI Jin-ping, LIU Jia-qi, WU Hai-tao, WU Qi, PENG Bing

（College of Computer and Information Engineering, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

To satisfy the needs of modern intelligent aquaculture to control ponds at anytime and anywhere, an aquaculture ponds remote monitoring system based on Android platform was developed. It realized the remote collection of dissolved oxygen and other environmental parameters and realized the remote control of multiple control nodes at the same time. The control section of the system which using 8051 microprocessor realizes data acquisition and processing. The communication between system and Android client is GSM. The users can real-time remote monitor pool dissolved oxygen conditions. In addition, the system also has statistical functions to facilitate the user to understand the changes in the pond.

aquiculture; remote monitoring; sensor; GSM; Android

1008-5394（2017）01-0069-06

TP311.521

A

2016-07-06

國家星火計劃項目“智能日光溫室及物聯(lián)網技術應用示范”（2013GA610013）；天津市教委重點課題“物聯(lián)網工程專業(yè)應用工程特色構建研究”（C03-0809）

王宏坡（1977-），男，河北保定人，講師，碩士，主要從事無線網絡和傳感器技術在農業(yè)上的應用研究。E-mail：wanghongpo@ tjau.edu.cn。

周紅（1979-），女，河北邢臺人，副教授，博士，主要從事無線網絡和傳感器技術在農業(yè)上的應用研究。E-mail：zhouhong@ tjau.edu.cn。