引言

随着现代化工农业的迅速发展，废渣废水、化肥农药等工农业废弃污染物已经成为破坏现代海洋环境质量的最重要因素.人类活动对海洋水质与生态环境的威胁愈来愈大，特别是近海海域的污染，造成海洋生态的重大破坏，已对海洋生物的生存环境造成了严重影响，成为海洋经济产业发展的障碍〔1〕.近年来，海洋环境问题引起了全球的广泛关注，世界各海洋国家已采取各种积极的措施来保护海洋环境，减少或避免对海洋环境的污染，保护海洋生态环境.海水水质实时监测是预防海水污染、了解海洋生态环境变化及规律的基本方法.从这个层面上讲，海水水质实时监测的水平高低，直接对保护海洋环境以及开发海洋资源产生重大影响〔2〕.本文针对我国海洋水环境监测现状，提出综合采用安卓、ZigBee和GPRS技术，组建远程无线监控系统，实现对海洋水环境的自动化、无线化的实时监测.监控系统不但可以实现海洋水环境中各种参数的连续监测和分析，而且减少了布线带来的一系列问题，可以大大提高监控系统的可靠性与经济性.

中小型工业企业由于缺少人才和资金的支持，普遍存在研发能力较弱的情况，主要是企业家凭着一股韧劲带领科研队伍进行研发。然而新产品的研发需要投入大量的人力物力，经历无数次的失败和大额的资金损失，最终还不一定成功，新产品研发每前进一步都非常困难，新产品研发一旦失败，便会给企业带来巨大的资金压力和经营压力。

1 总体设计思路

为了实现海水水质监测成本低和通用性高的目的，本文把海水质量监测系统设计成分层体系结构，层与层之间既相互独立又相互联系，通过网关模块把各种异构网络连接成为一个整体.为此本文把系统设计成4层架构：远程监控中心、海洋水质采集、ZigBee-GPRS网关和Android手机客户端，如图1所示.

（1）总结了与电动汽车出行路径相关的影响因素，包括电动汽车本身、道路交通以及充电站三方面的因素，有利于对电动汽车出行方案的制定。

  

图1 海水质量监测系统总体结构图Figure 1 General structure diagram of the sea water quality monitoring system

1.1 海洋水质采集模块

海水水质采集位于监测系统的最下层，是整个系统的基石与核心.它的功能包括：采集具体的海水水质参数，并将模拟数据转化为数字数据，然后把数字数据传送给上层的ZigBee-GPRS网关〔3〕.在该部分，水质参数由不同的传感器节点组成，这些节点通过ZigBee网络将采集到的数据汇聚到ZigBee系统中进行存储、融合及发送.简单来说，海水水质采集模块由传感器和ZigBee微处理器构成.

报告显示，第三季度，全球金条和金币投资需求增长28%，增长298 t。这是自2013年第二季度以来幅度最大的同比增长。金价走低使个人投资者选择金条与金币投资避险，印度、中国和整个东南亚的金饰购买量也有所增加。

1.2 ZigBee-GPRS网关

ZigBee-GPRS网关中的CC2530通过UART把ZigBee终端节点采集到的温度、盐度、浊度、pH值、溶氧量等参数数据通过STM32F103x8微控制器发送给GPRS模块，再由GPRS通信协议以网络包的形式发送到远程监控中心，并进行数据的显示、处理和存储.远程监控中心可以根据要求将控制指令以同样的方式发送给STM32F103x8微控制器，并由该微控制器对指令进行识别、处理，从而实现对海洋水质环境的远程无线监控.同时ZigBee-GPRS网关与Android手机客户端之间也进行数据交互，实现手机用户在任意时间、任意地点都可以了解海洋水质环境的实时情况〔7〕.

1.3 远程监控中心

海水质量采集模块处于监测系统最底层，依据监测数据数量的需求，以一定的密度随机分布在监测目标区域，每个模块完成监测海域中某一点的5种水质数据，其硬件组成主要由负责水质参数理化量采集的传感器、负责采集数据并与ZigBee模块通信的CC2530 SoC芯片组成.硬件原理图如图2所示.

1.4 Android手机客户端

（1）从源Activity中读取数据参数：sal=bundle.getString（"salinity"）；获取盐度参数；temp=bundle.get-String（"temperature"）；获取温度参数；ph=bundle.getString（"pH"）；获取 pH值；disO=bundle.getString（"dissolveOxygen"）；获取溶氧参数；tb=bundle.getString（"turbidity"）；获取水位参数.

图9是更新150条数据存在不一致性的情况，没有对应删除的数据有26条，不更新，有125条更新后的数据存在不一致性，白色的柱状图表示有90条数据修复后更新，35条数据不执行插入操作。

2 海水水质采集模块设计

远程监控中心是系统的管理核心，汇聚并处理各监测海域的海水质量参数用于辅助决策.在监测负载范围内设置一个远程监控中心，汇聚管理下层数据，并可经过Internet连接其它远程监控中心形成覆盖面积更为广阔的监测网络.本文远程监控中心采用酷睿i7的个人计算机系统，由于其软硬件构成都是常见产品，本文不再详述.

  

图2 海水水质参数采集模块硬件原理图Figure 2 Hardware schematic diagram of the sea water quality parameter acquisition module

  

图3 海水水质参数采集模块软件流程图Figure 3 Software flow chart of the sea water quality parameter acquisition module

2.1 传感器选型

因为海洋环境的复杂性，传感器的选择必须采用专用的水质检测传感器，这样才能较好适应于海洋水环境监测.上海景飞环保科技有限公司生产的JF-D600A六合一多参数数字传感器，可以采集pH值、溶解氧、浊度、盐度、温度、电导等6种水质参数.具有变送器和电极一体化设计，专门用于水体环境水质参数测量，响应快速，安装方便，美国进口便携式pH/溶解氧电极探头，方便插拔替换，测量精度高，响应快，重复性好的特点，而且可以通过ZigBee网络收发数据.本文所需的5种水质参数传感器，选择JF-D600A六合一多参数数字传感器.

2.2 ZigBee芯片选型

一般情况下CC2530每隔1小时令传感器采集一次水质参数数据，所有数据传送给CC2530进行存储处理，并同时发送给上层的ZigBee-GPRS网关，若各参数数据没有超过阈值，则结束本次数据采集〔5〕.若某一参数大于阈值，则不间断测量该水质参数5次，再取平均值，如果该值仍大于阈值，ZigBee-GPRS网关向监控中心发送参数超标警报信息〔6〕.

TI公司生产的CC253x、CC254x系列芯片，具有开发成本低、功耗低优点.本文采用了最常用的C2530，它不但可以通过ZigBee网络控制水质参数传感器又能够通过GPRS与远程监控中心进行通信.海水水质参数采集模块的软件系统流程图如图3所示.

3ZigBee-GPRS网关设计

Android手机客户端主要由2个Activity活动类、1个SQLiteOpenHelper数据库助手类以及1个Intent意图类构成〔8〕.Android客户端监测界面如图5所示：

  

图4 ZigBee-GPRS网关设计原理图Figure 4 Design schematic diagram of the ZigBee-GPRS gateway

ZigBee-GPRS网关是海水质量监测系统的核心部分，它对监控系统的各个采集模块负责接收、存储、处理它们获取到的各种水质数据，并经过GPRS移动网络连接Internet，为远程监控中心提供海水质量监测数据〔4〕.

4 Android手机客户端设计

GR64 GPRS模块和CC2530模块分别通过UART接口连接STM32F103x8微控制器.ZigBee-GPRS网关设计原理图如图4所示.

  

图5 Android手机客户端Figure 5 Android handset app

Activity活动类用作为与用户交互的接口显示采集到的各种水质数据；Intent意图类用来在不同的Activity活动类之间传递数据参数；SQLiteOpenHelper助手类用来创建海洋水质参数数据库，对于手机用户来讲，借助数据库可以方便的查询相关海洋水域的海水参数.Activity类与Activity类之间的数据传递通过借助Intent组件的Extra属性进行，每个文件的属性以及权限在全局配置文件Android Manifest.xml中定义.Android当中，不同Activity之间不能通过全局变量共享数据，而是使用Bundle类通过Intent组件在Activity之间进行数据传递.从源Activity获取数据使用getString（）方法，向目标Activity传递数据用putString（）方法.具体的操作过程如下：

Android手机客户端自动接收监控中心或者ZigBee-GPRS网关发来的周期性水质参数数据，当点击手机客户端主界面的查询实时水质时，控制命令由手机客户端通过GPRS网络发传递给ZigBee-GPRS网关，再经过网关网络帧格式转换为ZigBee网络帧数据，发送给ZigBee网络中的海水水质采集模块，由采集模块实时采集水质参数，回传给手机客户端.除此之外，手机客户端还能够实现水质参数数据的查询和存储.

（ix）通过加权集结算子将个体标准决策矩阵（i=1，2，...，10，j=1，2，…，4，y==80）转化为子组Ey（y=1，2，…，10）群决策矩阵

（2）向目标Activity中传递参数数据：bundle.putString（"salinity"，sal）；传递盐度参数；bundle.putString（"temperature"，temp）；传递温度参数；bundle.putString（"pH"，ph）；传送pH值；bundle.putString（"dissolve-Oxygen"，disO）；传递溶氧参数；bundle.putString（"turbidity"，tb）；传递水位参数.

对从ZigBee-GPRS网关读取数据使用split函数进行数据分离处理〔9〕，将读出的字符串数据转化为数值数据进行运算处理，处理之后再把数值数据转化为字符串数据在Activity活动界面显示，供手机用户查看.

5 系统测试结果及分析

2017年5月，本系统在广东湛江某海域进行测试，实验实时采集温度、浊度、盐度、酸碱度、溶氧等参数数据.实验所用的传感器为上海景飞环保科技有限公司生产的JF-D600A六合一多参数数字传感器，采集温度、盐度、浊度、酸碱度、溶解氧等5种海水参数.通过对测试海域进行10小时不间断数据采集，部分采集数据如表1所示.

步态选择方面，选取稳定性高的三角步态作为四足机器人在斜面上的运动步态，并采用LF-RH-RF-LH的腿部运动顺序以获得最优的稳定裕度[6]。本文的运动步态时序图如图3所示。其中，黑色矩形表示腿部处于支撑相，白色矩形表示腿部处于摆动相。

 

表1 温度、盐度、浊度、pH值、溶氧测试数据Table 1 Temperature，salinity，turbidity，pH value，dissolved oxygen and water level test data

  

9：00 10：00 11：00 12：00 13：00 14：00 15：00 16：00 17：00 18：00 24.8 25.1 25.4 26.2 26.8 27.1 27.2 27.0 26.9 26.8 27 27 28 28 28 29 28 28 28 28 513 506 499 507 486 487 492 504 502 510 7.8 7.8 7.9 7.9 8.1 8.1 8.2 8.2 8.0 7.9 8.0 8.0 7.9 7.9 7.8 7.8 7.9 8.0 8.1 8.0

从表1可得出，在10小时内，本系统可以获取实时温度、盐度、浊度、pH值、溶解氧等5种海水水质参数数据.系统采集到的数据基本稳定，体现了较高的可靠性，达到了系统设计需求.

6 结语

本系统采用ZigBee、GPRS和Android技术实现了海水质量监测的远程化、无线化要求.Android手机客户端实时获取特定海域的水质参数，速度快、成本低、响应及时、性价比高.经过实际测试海洋水质参数数据表明，本监测系统达到了设计要求，系统具有扩展性好、操作简单、实时性强的特点.

参考文献

〔1〕万雪芬，杨义，郑涛，等.基于NFC与ZigBee技术的农业种植监测系统〔J〕.物联网技术，2017（3）:32-35.

〔2〕陈美镇，王纪章，李萍萍，等.基于Android系统的温室异构网络环境监测智能网关开发〔J〕.农业工程学报，2015，31（5）:218-225.

〔3〕过团挺，廖胜利，曹璐，等.基于Android平台的小水电信息采集系统〔J〕.电网技术，2014，38（3）:750-755.

〔4〕Farahani S.ZigBee and IEEE 802.15.4 Protocol Layers-ZigBee Wireless Networks and Transceivers-Chapter 3〔J〕.Zigbee Wireless Networks&Transceivers，2008:33-135.

〔5〕钟章队.GPRS通用分组无线业务〔M〕.北京：人民邮电出版社，2001:80-110.

〔6〕李松涛，尹清爽.基于Android和ZigBee的移动环境监控系统〔J〕.计算机技术与发展，2017，27（3）:197-200.

〔7〕余晓玫.ZigBee技术的研究及应用〔J〕.民营科技，2016（3）:96.

〔8〕ZigurdMednieks.祝洪凯，李妹芳译.Android程序设计〔M〕.北京：机械工业出版社，2014:31-84.

〔9〕钟成梁，谢艳新，杨璐嘉，等.基于ZigBee的物联网智能管家系统〔J〕.农业网络信息，2017（1）:85-89.