基于Android的源水水质监测手机终端软件开发

基于Android的源水水质监测手机终端软件开发 1选题的背景及研究的意义

1.1选题背景

水是地球生物赖以生存的物质基础，是维系地球生态环境可持续发展的首要条件，对于生物和人类的生存具有极为重大的意义。我们知道，水在生命中扮演不可替代的角色，但是人们所用的淡水资源极为有限，加上我国是一个缺水严重的国家，大约到上世纪末，我国很多城市出现了供水不足的问题，部分城市达到了严重缺水的地步。除此之外，水在人类社会发展中更是不可缺少的自然资源，它不仅广泛应用于工业、农业、生活，同时还在水利、发电、水产、环境改造等领域中发挥着巨大的作用。随着需水量的迅猛增长，水资源紧缺成为了人们需要面对的严峻问题，同时伴随着水污染的加剧趋势，极大的威胁着人们的身体健康，并且制约了经济的发展，甚至威胁到国家的长治久安。所以水质监测对整个水环境保护、水污染控制以及维护水环境健康方面起着至关重要的作用。

1.2 研究意义

在基于移动终端的水质监测实现中，主要的任务是完成终端环境水质数据的实时采集、保存及管理功能。客观地记录水质状况，及时发现水质异常变化，进而实现对该流域或下游的水质污染预报，借助远程数据通信网络对水质监测服务器的数据共享，通过移动终端使公司管理人员和相关人员不受地点与时间的限制，实时共享水务管理，使水污染应急预案能够及时地贯彻执行。环保、卫生防疫部门则客通过公司提供的客户权限实现水质监测信息的共享。基于Android水质监测终端的实现体现了水环境测技术手段的科学化、现代化。在这基本功能完成的基础之上，又对Android终端与服务器的通信方式进行了进一步的探索和研宄，从而达到了远程监控和数据网络共享以及智能高速通信的研宄目的。 基于Android终端的软件开发应用越来越受到追捧，不管是个人需求还是工作需求市场越来越广阔。能够在无线通讯技术发展逐渐成熟的大环境下，在手机等终端实现相应的应用也越来越具有划时代的意义。能够在手机等终端完成实时

数据的采集又给先前的采集方式提供了一个新的发展空间，实现了更灵活人性化的服务方式。

2 本课题研究领域国内外的研究动态与发展趋势

2.1 研究动态

随着我国经济的不断发展, 水资源对经济的影响越来越大, 社会对水环境的状况也越来越关注。需要水质监测系统达到以下要求, ①能够自动采集水样, 分析得到各个参数原始数据; ②能够远距离地传输数据; ③在保存原始数据的基础上, 能都进行分析、综合; ④能够远程监控采样设备的工作状态。过去人工采集水样, 进行数据统计, 传送统计表的监测模式, 根本无法满足现代水质监测的要求。为了满足水质监测系统的需求, 系统采用 B/S 模式构建。基于 B/S 模式的系统具有信息共享程度高、维护简单、易于进行二次开发、对数据提供更好的保护的特点。不论是水质监测单位、水力监管部门, 还是普通的用户, 只要通过浏览器, 就可以查询水质信息, 了解实时和历史水质信息, 通过报表和图形直观地获得所监测地域的水环境情况。

基于android水质监测系统主要是通过通信技术实现对水质的监控以及水质数据与图像数据的无线传输。用户既可以通过手动遥控的方式对水质监控平台进行操控，也可以让水质监控平台运行在自主导航的模式。通过自主开发的手机APP软件可以非常方便的查看监控平台上采集的数据，包括水质测量数据、图像数据、GPS数据等。

2.2 发展趋势

Android平台的开放性等特点既能促进技术(包括平台自身)的创新，又有助于降低开发成本, 还可以使运营商能非常方便地制定特色化的产品，因此，它具有很大的市场发展潜力。需要通过专门的技术，为开发者提供可视化的手段来开发软件系统。基于Android 应用程序框架设计的各个模块可以进行修改和替换，极大地提高了系统的可定制性。所以针对水质监测系统在开源的Android移动终端实现了人机交换的软件设计。

目前，国内外水质监测技术都在迅猛发展，欧美日等国在这方面取得了较好

的成就，由于其产品的技术，欧美日等国产品占有了水质监测仪器领域的大部分市场。目前国外较先进的水质检测仪有德国生产的IQSensorNet，它采用全新测试技术的数字化的在线监测系统，它采用按钮式的操作，具有直观的数字化显示界面。奥地利公司生产的传感器系统是基于紫外—可见光连续光谱测量原理，利用算法分析光谱和各水质参数的关系，建立相关预测模型，再根据模型演算未知水样的NO2、BTX、色度、氨氮、BOD、COD、TOC、DOC、ph、ORP、电导率等指标的一套多参数水质在线监测系统。它同样采用数字化的显示界面，拥有良好的人机交换。这些处于国际先进水平的多参数水质检测仪，基本上是基于光谱分析技术或者将多个传感器集成。它们拥有强大的软件系统作为支撑并具有良好的人机界面。但它们普遍存在着价格昂贵的缺点，并对我国保持着技术垄断。

到目前为止，我国已经基本完成重点水域的水质监测系统的建设。目前在水质监测方面我国面临的主要问题：一是监测站点数量少，往往不及被监测水域的数量，从而难以从整体上反映一个地区的水质状况。二是各个监测部门的监测能力不足，存在设备老化、采样频率低等缺点。三是现场监测能力不足，移动水质监测设备太少，机动性能不足。

总的来说，无论是国外比较先进的水质检测仪，还是我国处于探索阶段研制出的水质监测系统，都离不开功能强大的软件系统和人性化的图形系统设计。在目前的这些仪器或者系统中。它们都拥有直观、方便的人机交换软件系统。 3 本课题拟采取的研究方案，技术路线

3.1本文工作

本文主要任务是在运行Android操作系统的手机终端完成实时数据管理系统应用,实现了对选定地点环境水质数据的实时采集和终端监控反馈，并且在Android终端与服务器的连接通信状态方面做了进一步的深入研宄。其中手机终端需要实现的功能包括:对控平台发送控制命令、采集监控平台上所具有的各种有用数据如GPS数据和图像等、以及与监控中心实现良好的交互通信。

本文手机端软件的开发，首先是在pc上的Android模拟器中进行，当在模拟器中代码调试完毕，则把由模拟器bin文件夹生成的apk文件下载到手机中，

再在手机上对该apk文件进行安装。之后利用3G与wifi无线网络为数据传输通道，与远程服务器模拟数据库连接来接收数据，并实现在android手机上实现对水质信息的查询、分析、统计、预警、通信以及及时做出防汛指挥。本文android终端软件开发主要功能包括水情预警、最新雨情、水库水情、河道水情、特殊水情、统计分析、图片采集、资料下载、卫星云图浏览、系统管理等模块。

3.1.1 管理员登陆的实现

管理员登录界面如下所示。管理员通过输入正确的用户名和密码登录进入管理员界面，对整个系统用户、资源统一管理。如果输入不正确，则会出现相应的信息提示框。

管理员登陆界面

3.1.2 软件设计需求

水质监测是指针对特定的水环境，根据不同的目的和要求，按照一定的原则和方法分析水质状况，研究水质污染程度及发展趋势，找出水质可持续发展的影响因素，为制定水环境保护的方针政策和实施具体措施提供可靠的科学依据。本论文所设计的水质监测软件系统主要以三个监测点的水质数据来实时显示各监测点各项监测指标的当前值；实时显示各监测点监测设备的当前状态；对水质监测数据实现实时接收、显示、查询、存储、统计分析和预警等。通过充分论证以

后，分析得出系统软件应实现以下功能：

由上图可知，系统主要包括的功能有：GIS地图管理、生物数据监测、水质数据监测、水质预测、历史水质数据管理和预警模块。针对各个功能说明如下：

1．GIS地图管理

系统中使用电子地图作为载体来可视化地实现位置的显示、监测点的定位、水质数据的查询、水质预测操作等功能。电子地图，也叫做数字地图，是采用计算机技术，以数字方式实现存储、查阅、检索、分析等功能的地图。电子地图其存储在计算机存储设备上，并且内容是通过专用计算机软件读取以栅格、影像、瓦片等数字方式在计算机屏幕上可视化显示，所以相对传统的普通纸质地图，电子地图具有信息量大、存取快速、地图要素分层显示、虚拟现实、便于传输、自动化测量等优点。为了使水质预测操作更便捷简单，本系统中地图上实现的操作主要有放大、缩小、平移、信息显示、长度测量、鹰眼功能。其中放大和缩小可以按设定的比例显示地图中的要素，平移可以自由地移动游览地图，鹰眼操作从俯视角度确定所查阅的地图位置，信息显示以弹出信息框的形式提示地图中重要信息。电子地图由于所有信息都是存储在计算机存储设备中，因此可以很方便的编写算法实现查询功能。本系统针对番禺区河涌分布情况和水质预测操作，需要满足的功能包括完成对指定监测点和地理区域的搜索，同时以冒泡的方式显示搜

水质监测系统功能模块

索结果的关键信息，便于进一步查看和分析操作。

2.生物数据监测

水质的生物监测属于水质监测科学。它是利用水环境中滋生的生物群落组成、结构等变化来预测、评价当地水环境的水质情况。因为生物群落与水体水质变化进程关系密切，它们的种群组成、群落结构等的变化直接或间接地反映着水体状况及其发展趋势。本文选择了细菌总数、总大肠菌群两个参数作为水质指标，生物监测中的群落指标和毒性试验方法等虽然不能揭示污染水体含有的污染物和浓度，但是却能够反映污染物对生物毒性的大小或污染程度。

3.水质数据监测

由于污染水质的污染物种类繁多，成分复杂，干扰严重，需要有一系列的化学前处理操作，而且水质污染往往是痕量的，需要建立各种提取方法及各种痕量分析方法。所有这些都为监测技术带来了一系列困难。基于上述原因，水质污染检测系统首先要选择那些能够反映水质污染的综合标度的项目，建成监测系统，及时发现水质是否已经污染或是否出现异常，然后再逐步增加具体污染项目，来确定具体污染物的污染程度。这里选择了能够反应水质综合指标的八个重要参数水温、pH、DO、电导率、浊度、高猛酸盐指数、TOC和氨氮。

4.历史水质数据管理

水质历史数据是进行水质预测的前提，是研究水质状况重要参考依据。因此，为了便于信息的获取，系统提供了水质历史信息的查询、搜索、翻页、报表输出、打印等功能。同时为了能够直观的显示数据的变化,可以将一段时间的历史数据绘画成曲线。选取一段时间并且把时间等分成若干份作为坐标轴的横坐标,对应每个时间点从SQLite数据库中获取相应的参数值作为纵坐标。从所绘制的图像中可以很直观的看出参数的最大值很最小值所在的时间点。由于数据库中每个数据都是绑定时间点和GPS数据 ,因此都可以很容易找到所查看的数据对应的地理位置。

5.水质预测

根据水质预测的流程，系统主要针对指定监测点以历史水质数据为参考，通

过水质预测模型进行水质预测，并将结果进行可视化显示和初步分析。因此水质预测功能主要包括监测点选择，预测参数选择，预测模型选择，预测结果显示和分析几个步骤。

6.预警模块

“预警系统”是水质数据及时分析反馈的深层次应用系统。通过研究建立水污染预测模型和污染预警预报模型，对监测数据及现场检测数据进行即时分析，对相关检测数据进行处理，并通过消息系统发布预警或者报警，辅助决策。同时监测技术和预警预报技术想结合可以帮助管理人员在水质进一步恶化前，及早发现水质安全隐患，分析影响水质变化的因素，预测水质恶化趋势，评估预防措施的有效性。

3.1.3 软件开发GIS结构设计

根据上面所分析的系统业务流程和功能需求可知，水质预测系统主要包括用GIS地图管理、生物水质监测、水质数据监测、历史水质数据管理、水质预测和预警模块六个部分。

其中GIS地图管理在绘制电子地图的前提下，通过GIS相关软件将存储在GIS数据库中的空间数据以电子地图的形式发布到服务器，给用户在浏览器中提供可视化空间信息和操作；在历史水质数据管理部分，用户通过点击地图中的监测点连接存储在数据库管理系统中的历史水质数据，然后对历史水质数据进行增加，删除，修改，查找等操作；在水质预测模型管理中，所查询到的历史水质数据作为水质预测模型的输入，经过存储在水质模型数据库中的水质模型计算分析，输出水质预测结果；最后，将输出结果显示在浏览器中，供用户查看，其中的显示页面由服务器进行统一管理。

“查看历史数据”用来查看历史数据采集结果以报表的形式反映出较长一段时间内水质参数的变化情况，并可将历史数据打印。“查看实时曲线” 用来查看实时数据采集曲线为现场操作人员提供了在一定时间段内水质参数变化的对比结果有利于操作人员从比较宏观的角度了解水质参数的变化趋势。通过添加项目中的各项可以实现一条或者多条曲线的显示。

水质监测GIS体系结构图

3.2 技术路线

3.2.1 基于Android终端的数据采集流程

当监控中心、监控平台、手机终端三者之间的通信关系建立起来之后，监控平台会定时向监控中心发送数据，监控中心将数据转发给手机终端，这样就完成了数据的被动采集。所采集到的数据是按照预定的格式组织的，如果直接对数据进行显示没有任何意义，因此需要对数据进行解析，根据格式提取有用的信息,利用Android平台本身拥有的SQLite数据库对提取的信息进行组织和存储，SQLite数据库文件保存在SD卡中以便后期分析时使用。

3.2．2 基于socket实现Android终端远程访问服务器数据库

本文中手机终端和监控中心之间的通信是基于Socket通信，Socket通常也称作“套接字”，用于描述IP地址和端口，是一个通信链接的句柄。利用Socket进行通信时，服务器端的程序可以打开多个线程与多个客户进行通信，还可以通过服务器使各个客户之间进行通信。如果协议设计的比较好，Socket性能毫无疑问是最高，同时灵活性和复杂度也最高，效率也高。Socket依赖于TCP/IP协议提供的可靠性链接进行数据传送。Socket通信的一般流程图如图

监控中心

手机终端 Socket通信流程图

建立Socket连接至少需要一对套接字，其中一个运行于客户端，称为Client Socket，另一个运行于服务器端，称为Server Socket 。套接字之间的连接过程分为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。服务器监听：服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字，而是处于等待连接的状态，实时监控网络状态，等待客户端的连接请求。客户端请求：指客户端的套接字提出连接请求，要连接的目标是服务器端的套接字。为此，客户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字，指出服务器端套接字的地址和端口号，然后就向服务器端套接字提出连接请求。

3.2.3 利用JSON 实现Android 客户端与Web 服务器间的数据交互

由于移动设备的性能及内存等无法与台式机及笔记本电脑相比，访问数据库也不可能像桌面安装各种数据库的客户端，而且目前绝大多数数据库也没有直接运行在移动设备的客户端。为了能够让移动设备访问后台数据库，本文借用Web服务接口以及轻量级的JSON数据格式作为Android设备访问远程数据库的中间桥梁，再通过web应用服务器访问数据库，实现了Android跨平台、快速、安全

地访问远程服务器端数据。

其中，现在服务器和手机之间传输的数据格式比较流行的有XML和JSON。很多服务器都提供以上两种格式，但由于Android系统已经对JSON的数据格式进行了封装，所有处理JSON格式的数据要比XML效率高。本文也就采用了JSON数据格式，来把服务器端的数据传输到手机中，手机接收到信息后解析JSON数据。

Android客户端访问远程数据库的具体实现方式：（1）Android客户端提交请求；（2）服务器根据提交的请求，生成相应的SQL语句访问数据库服务器，把读取的数据信息封装成JSON格式，以JSON格式返回到Android客户端；（3）Android客户端得到响应后，对JSON数据解析，并展示到相应的UI上。

JSON数据交互流程图

3.3 Android系统概述 本方案提出的水质监测系统终端应用程序的开发是基于Android开发的。Android一词的本义指“机器人”，同时也是Google于2007年11月5日宣布的基于Linux平台的开源手机操作系统的名称，该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成。Android的系统架构和其操作系统一样，采用了分层的架构。从架构图看，Android结构分为四个层，从高层到低层分别是应用程序层、应用程序框架层、系统运行库层和Linux内核层。其中各个模块的功能如下：

(1)应用程序:Android本身提供很多核心应用程序包括主屏幕(Home)

、联系人

(Contact)、电话(Phone)、測览器(Browers)，同时Android会同一系列核心应用程序包一起发布，该应用程序包包括客户端，SMS短消息程序，日历，地图，浏览器，联系人管理程序等。由于应用层主要是实现系统和用户交互的功能，所以我们也可以使用Android应用框架提供的接口自己编写一些实用的应用程序。这也是Android巨大潜力的体现。

(2)应用程序框架: 开发人员也可以完全访问核心应用程序所使用的API框架。该应用程序的架构设计简化了组件的重用; 任何一个应用程序都可以发布它的功能块并且任何其它的应用程序都可以使用其所发布的功能块(不过得遵循框架的安全性)。同样，该应用程序重用机制也使用户可以方便的替换程序组件。并且隐藏在每个应用程序后面的是一系列的服务和系统，其中包括: 丰富而又可扩展的视图(Views)，可以用来构建应用程序， 它包括列表(Lists)，网格(Grids)，文本框(Text boxes)，按钮(Buttons)， 甚至可嵌入的web浏览器。内容提供器(Content Providers)使得应用程序可以访问另一个应用程序的数据(如联系人数据库)， 或者共享它们自己的数据 资源管理器(Resource Manager)提供 非代码资源的访问，如本地字符串，图形，和布局文件(Layout files )。通知管理器 (Notification Manager) 使得应用程序可以在状态栏中显示自定义的提示信息。活动管理器( Activity Manager) 用来管理应用程序生命周期并提供常用的导航回退功能。

(3)系统运行库: Android 包含一些C/C++库，这些库能被Android系统中不同的组件使用。它们通过 Android 应用程序框架为开发者提供服务包含了核心库、第三方库和dalvik虚拟机。

(4)Uinux内核:主要负责内存管理、进程调度等系统管理以及终端的硬件驱动。Android 是运行于Linux kernel之上。Android 的 Linux kernel控制包括安全（Security），存储器管理（Memory Management），程序管理（Process Management），网络堆栈（Network Stack），驱动程序模型（Driver Model）等。下载Android源码之前，先要安装其构建工具Repo来初始化源码。Repo是Android用来辅助Git工作的一个工具。Android 为了达到商业应用，必须移除被GNU GPL授权证所约束的部份，例如Android将驱动程序移到Userspace，使得Linux driver与Linux kernel彻底分开。Bionic/Libc/Kernel/ 并非标准的Kernel header files。

Android的Kernel header 是利用工具由Linux Kernel header 所产生的，这样做是为了保留常数、数据结构与宏。 3.4数据库管理系统

每个应用程序都要使用数据，Android应用程序也不例外，Android使用开源的、与操作系统无关的SQL数据库—SQLite。SQLite第一个Alpha版本诞生于2000年5月，它是一款轻量级数据库，它的设计目标是嵌入式的，占用资源非常的低，只需要几百K的内存就够了。SQLite已经被多种软件和产品使用，Mozilla FireFox就是使用SQLite来存储配置数据的，Android和iPhone都是使用SQLite来存储数据的。SQLite数据库是D.Richard Hipp用C语言编写的开源嵌入式数据库，支持的数据库大小为2TB。它具有如下特征：

1、轻量级：SQLite和C\S模式的数据库软件不同，它是进程内的数据库引擎，因此不存在数据库的客户端和服务器。使用SQLite一般只需要带上它的一个动态库，就可以享受它的全部功能。而且那个动态库的尺寸也相当小。

2、独立性：SQLite数据库的核心引擎本身不依赖第三方软件，使用它也不需要“安装”，所以在使用的时候能够省去不少麻烦。

3、隔离性：SQLite数据库中的所有信息（比如表、视图、触发器）都包含在一个文件内，方便管理和维护。

4、跨平台：SQLite数据库支持大部分操作系统，除了我们在电脑上使用的操作系统之外，很多手机操作系统同样可以运行，比如Android、Windows Mobile、Symbian、Palm等。

5、多语言接口：SQLite数据库支持很多语言编程接口，比如C\C++、Java、Python、dotNet、Ruby、Perl等，得到更多开发者的喜爱。

6、安全性：SQLite数据库通过数据库级上的独占性和共享锁来实现独立事务处理。这意味着多个进程可以在同一时间从同一数据库读取数据，但只有一个可以写入数据。在某个进程或线程向数据库执行写操作之前，必须获得独占锁定。在发出独占锁定后，其他的读或写操作将不会再发生。

4 研究过程中可能遇到的困难和问题，提出解决的初步设想

4.1.遇到的困难和问题

1）基于android的软件开发对学习者的要求是比较高的，本文是基于android手机终端上实现水质监测远程管理，并且利用3G作为数据传输通道访问远程服务器端的数据库。所以涉及到对人机界面的设计的高要求，同时搭建服务器，了解服务器端虚拟数据库的功能，做到后台对数据库的处理，能准确实时的传输给手机客户端。这样工作量就比较大，学习任务繁重。

2)在对软件开发的过程中，会涉及到对软件语言java以及c++的熟练掌握，并且手机终端与pc机服务端使用Socket通信接口，这就要求做到对TCP/IP协议的了解和对IP地址和端口的设置的掌握，同时对服务器和手机之间传输的数据格式JSON的语法及后期语言转换格式的学习有深刻的认知。

4.2 解决问题的初步设想

1）大量查阅资料、观看学习视频以及询问有过android软件开发经验的同学，多出学习，做到不耻下问。

2)自己编写小程序在pc机上的手机模拟器中执行，反复训练，并且多度成功的开发案列程序。

5 本课题预期达到的目标

本软件系统以预装的Android操作系统智能手机为载体，利用3G与WIFI无线网络为数据传输通道，在智能手机上实现对水质信息的查询、分析、统计、预警、通信等功能。其系统特点如下：

1.系统使用者不受时间、空间的限制，可以及时获取汛情资料；信息服务方便快捷，符合贴身服务的新理念；

2.具有多种水情报警方式，监测到的预警信息可以通过短信、彩信、Email方式自动将预警预报信息发送给特定用户。

3.系统管理员可以根据预警指标的不同，设定不同的警报发布级别，指定发布等级、发布内容和发布对象范围。

4.软件升级灵活方便，系统可以设置自动升级和手动升级两种方式，可以保证用

户及时升级到软件的最新版本。 5.在线/离线访问自动切换技术，提供离线与在线两种工作模式，可以降低对无线网络的实时依赖性，减少通讯费用；

6.统计分析功能强大，提供多种多样的统计分析模式；统计图显示方式丰富直观，操作灵活。

6 论文工作量、进度安排及经费来源

1 课题研究的进度现初步安排如下：

2013.9-2013.11：查阅参考文献，熟悉研究背景与研究现状，对研究课题形成总体认识与计划；

2013.12-2014.03：阅读相关资料，学习开发环境，提交开题报告；

2014.03-2014.06：完成虚拟数据库服务器搭建，并运行简单的程序，熟悉开发环境，编写程序；

2014.07-2014.09：完成各个系统程序的设计；

2014.10-2014.12：完成论文初稿，提交导师审阅；

2015.01-2015.02：修改毕业论文；

2015.03 预答辩；

2015.04-2015.05：进一步完善论文；

2015.06 毕业答辩

2 本论文经费来自于研究生科研经费。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/l02m.html