基于Android智能手机的户用沼气池管理系统
2014-08-12叶小岭赵二摆朱春阳
叶小岭+赵二摆+朱春阳
摘要：为了提高农村户用沼气池的运行效率，设计了一种基于手机平台的户用沼气池实时监控管理系统。系统结合GPRS、WEB服务器及数据库技术，对沼气池进行监控管理。用户通过Android手机客户端软件进行注册、登录，查看对应沼气池实时运行状态、历史数据曲线及服务器给出的管理意见，还可就一些具体问题与服务器进行交互，有效提高沼气池的运行效率及安全性。
关键词：户用沼气池；WEB；Android智能手机；管理系统
中图分类号： S216.4；TP274文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0358-03
收稿日期：2013-09-07
基金项目：江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（12）3050]；江苏省六大人才高峰项目（编号：WLW-021）。
作者简介：叶小岭（1964—），女，河南封丘人，教授，硕士生导师，主要从事检测技术等研究，E-mial：xyz.nim@163.com。
通信作者：赵二摆。E-mail：zhaoerbai200@163.com。作为人口大国，能源短缺，人均资源不足已成为制约我国可持续发展的重要因素。沼气作为一种可再生能源，不仅是农村新能源建设至关重要的组成部分，也是中国可持续发展建设的重要一环。发展农村沼气可以避免因为焚烧秸秆造成的空气污染，减少化石能源的消耗，降低对环境的压力，改善农民的生存条件和生活质量，而且在一定程度上促进了当地产业的发展[1]。然而沼气的正常使用需要“三分建七分管”，很多地区重视建设，忽视维护管理，导致许多沼气池运行不佳甚至废弃。
随着移动通讯产业的迅速发展，智能手机和3G网络得到快速的发展和普及，预计2013年底，中国智能手机用户可达5×108，其中Android操作系统的安装量占51.4%[2]。此外Android智能手机操作系统开放性好、功能扩展性强，能很好地支持应用程序开发。
基于以上分析，并结合GPRS、WEB服务器及数据库技术设计了一种基于Android手机平台的农村沼气管理系统。系统通过GPRS将沼气池的状态信息发送至统一的WEB服务器进行集中管理，用户可通过Android手机客户端软件进行用户注册、登录，登录后即可查看自家沼气池实时运行状态、历史数据以及服务器给出的管理意见，还可以就一些实际问题与服务器进行交互，获得专家意见。以此提高户用沼气池的运行效率，普及户用沼气使用，减少化石能源消耗，改善民生，推动社会的可持续发展。
1系统框架设计
系统主要由数据采集器、GPRS传输模块、WEB服务器、基本数据库、无线网络以及手机客户端，结构图如图1所示。
数据采集装置采集沼气池状态信息，并通过GPRS传输模块及无线网络上传到服务器，服务器端软件进行相应的信
息处理和数据库存取操作，此外，服务器端还与手机客户端进行信息的交互，响应手机信息请求。
1.1数据采集及GPRS传输模块
甲烷的生产过程实际上是一个厌氧发酵的过程。厌氧发酵过程是一个很不稳定的过程，为了提高沼气产出，同时保证一个稳定发酵过程，就需要对沼气池发酵条件进行过程控制，以优化进料以及发酵条件[3]。针对户用沼气池的特点，数据采集器设计用来采集沼气池内的运行信息（沼液温度、池内气压、沼液pH值及甲烷含量）。
数据采集及GPRS传输模块主要由msp430F149单片机、各种传感器、A/D转换电路、GPRS通信模块及外围电路（时钟电路、Flash存储、电源电路等）组成，框架图如图2所示。
传感器采集到沼气池的信息，先经过信号调理电路，然后经12位A/D芯片ADS7834转换后送至msp430F149，单片机将采集到的信息存储至Flash芯片AT45DB32，单片机使用串口将沼气池ID与采集到的数据送至GPRS通讯模块。GPRS通讯采用工业级无线模块WG-8010-232 GPRS DTU，模块支持GSM、GPRS等多种连接方式，TCP、UDP通讯协议，提供标准RS232数据接口，模块可采用常见5 V电源供电。设置模块串口波特率为9 600、通信方式为TCP、数据中心IP地址等后，即可使用RS232与单片机控制模块通信，通过GPRS与数据中心，从而实现沼气池信息从设备到服务器的全透明传输。
1.2数据库与服务器设计
服务器通过数据采集器和数据库的信息交互，将沼气池信息存储到数据库中，并可将数据库中信息取出通过C/S架构实时响应手机客户端的信息请求。
服务器采用支持Servlet且可方便地部署Java Web应用的Tomcat服务器[4]。服务器中部署所需要的Servlet类，用于实现客户端的注册、登录、数据接收存储以及响应客户端请求。服务器与客户端通信采用Http通信协议的post方法。部署服务器时，继承HttpServlet类，在类中采用覆盖HttpServlet的doGet（）方法，然后通过HttpServletRequest对象获取客户端的请求信息，由HttpServletResponse对象生成响应结果并将之送给客户端。服务器端的Servlet程序完成后，在web.xml文件中进行属性配置，即可通过8080端口连接已部署的服务器[5]。
系统采用关系型数据库管理系统MySQL，服务器利用JDBC（Java数据库连接）建立数据库连接，执行SQL语句，对数据进行处理[4]。在服务器端将mysql-connector-java-50.7-bin.jar文件放到Java安装目录中，并修改环境变量。Servlet程序中的主要步骤：
Class.forName（“com.mysql.jdbc.Driver”）；//加载驱动
Connection conn=DriverManager.getConnection（url，user，password）；//连接数据库
然后通过实例化的Statement对象对数据库执行相应的更新和查询等操作，将取得的数据存放到ResultSet对象中，最后将请求的数据发送至客户端。
2客户端设计
客户端是基于Android 2.2版本（API LEVEL 8），在搭建的Android SDK+Java JDK 6+Eclipse 4.2 的环境中进行开发。客户端主要功能是用户注册、登录、在线实时监控、历史数据显示以及获取服务器参考意见5模块，如图3所示。根据需要客户端创建了5个Activity，使用layout文件夹下的5个xml文件实现UI（用户界面）的设计。
2.1登录模块
客户端开启后的首个界面，用户可在本页面输入用户名和登录密码，点击登录按钮即可将用户信息发送至服务器，采用http post网络通信方式，通过验证即可跳转至监控页面，否则使用Toast方法提示错误信息。页面还提供2个CheckBox用来选择是否记住用户名和密码，采用SharedPreferences方法将用户信息保存到本地，方便下次登录，登录界面如图4所示。模块关键代码如下：
HttpPost request=new HttpPost（urlStr_login）；//request继承HttpPost方法
HttpResponse response=client.execute（request）；//执行请求返回响应
editor.putString（“nameIsChecked”，“1”+“，”+username）；//将信息存储到本地
sp=getSharedPreferences（“sp_user”，Context . MODE_PRIVATE）； //将本地信息取出
2.2注册模块
首次登录需要注册，通过登录界面里的注册按钮跳转到注册界面。在注册界面，用户可根据提示输入用户名、账号密码及相应沼气池编号，客户端将信息发送至服务器进行注册保存。
2.3实时监控
监控界面实时显示沼气池运行参数。为防止UI主线程堵塞和界面假死，可通过实现Runnable接口，覆写接口的run（）方法，并实例化Thread类来创建子线程，让子线程定时向服务器请求数据，取得数据后使用SendMessage（）方法向Handler传送Message对象[6]。Handler接收消息后配合主线程更新UI，从而实现沼气池运行信息的实时显示。此外，系统采用json数据交换格式，程序中引入org.json包，即可使用getJSONObject（）将服务器返回的数据转换成JSONObject对象，并使用JSONObject.getString（）方法将其转换成可方便处理的字符串类型数据。
2.4历史数据显示
用沼气产量与主要关联参数的历史数据变化曲线显示历史数据，从而直观地获得沼气产量变化情况，有利于用户更好地管理沼气池。模块获得数据方式与实时监控模块相同，并引入Canvas与Paint类参与绘制坐标轴及数据变化曲线。首先在Activity中自定义一个继承View的PathView类，在类中实例化3个Paint对象，设置其各自属性来区分不同参数的变化情况。然后在类中使用canvas.getWidth（）和canvas.getHeight（）函数获得Canvas的宽度和高度，Android的 Canvas以左上角点为坐标原点，由此可方便的计算出画笔的起始点和终点，最后应用覆写onDraw（）方法，并在方法中调用 drawLine（）、drawCircle（）和drawText（）等方法实现历史曲线的绘制。
2.5获得参考意见
当沼气池运行出现问题时，用户可在客户端中简要描述故障现象，并上传到服务器，然后通过数据库快速匹配方法给出专家的经验处方。模块主要是采用Httppost（）方法将故障现象发送给服务器并取得反馈信息。
客户端程序完成后还需修改根目录下的AndroidManifest.xml文件，在文件中注册新添加的Activity和开启程序所用到的权限。主要代码如下：
3系统功能测试
在Eclipse中右击工程导出客户端apk（Android安装包），安装到Android版本为2.2及以上的智能手机。数据中心开启服务器和数据库服务，数据采集端开启信息采集和GPRS DTU，手机端开启客户端，完成注册，然后进入登录界面，点击登录按钮进入实时监控界面并刷新数据显示沼气池运行状态，如图5所示，然后分别进入历史曲线和获得参考意见界面，如图6、7所示。经测试，系统运行正常，性能稳定，达到了预期的目标。
参考文献：
[1]王飞，蔡亚庆，仇焕广. 中国沼气发展的现状、驱动及制约因素分析[J]. 农业工程学报，2012，28（1）：184-189.
[2]互联网消费调研中心.2012年第三季度中国手机市场研究报告[R]. 北京：IDC，2012.
[3]林聪. 沼气技术理论与工程[M]. 北京：化学工业出版社，2007：45-48.
[4]孙卫琴. Tomcat与Java Web开发技术详解[M]. 北京：电子工业出版社，2009：156-159.
[5]吴吉义，王中友. MySQL原理与Web系统开发[M]. 北京：清华大学出版社，2009：256-257.
[6]姜凡. 基于Android的网络化遥控器系统的研究与实现[D]. 武汉：武汉理工大学，2010：
然后通过实例化的Statement对象对数据库执行相应的更新和查询等操作，将取得的数据存放到ResultSet对象中，最后将请求的数据发送至客户端。
2客户端设计
客户端是基于Android 2.2版本（API LEVEL 8），在搭建的Android SDK+Java JDK 6+Eclipse 4.2 的环境中进行开发。客户端主要功能是用户注册、登录、在线实时监控、历史数据显示以及获取服务器参考意见5模块，如图3所示。根据需要客户端创建了5个Activity，使用layout文件夹下的5个xml文件实现UI（用户界面）的设计。
2.1登录模块
客户端开启后的首个界面，用户可在本页面输入用户名和登录密码，点击登录按钮即可将用户信息发送至服务器，采用http post网络通信方式，通过验证即可跳转至监控页面，否则使用Toast方法提示错误信息。页面还提供2个CheckBox用来选择是否记住用户名和密码，采用SharedPreferences方法将用户信息保存到本地，方便下次登录，登录界面如图4所示。模块关键代码如下：
HttpPost request=new HttpPost（urlStr_login）；//request继承HttpPost方法
HttpResponse response=client.execute（request）；//执行请求返回响应
editor.putString（“nameIsChecked”，“1”+“，”+username）；//将信息存储到本地
sp=getSharedPreferences（“sp_user”，Context . MODE_PRIVATE）； //将本地信息取出
2.2注册模块
首次登录需要注册，通过登录界面里的注册按钮跳转到注册界面。在注册界面，用户可根据提示输入用户名、账号密码及相应沼气池编号，客户端将信息发送至服务器进行注册保存。
2.3实时监控
监控界面实时显示沼气池运行参数。为防止UI主线程堵塞和界面假死，可通过实现Runnable接口，覆写接口的run（）方法，并实例化Thread类来创建子线程，让子线程定时向服务器请求数据，取得数据后使用SendMessage（）方法向Handler传送Message对象[6]。Handler接收消息后配合主线程更新UI，从而实现沼气池运行信息的实时显示。此外，系统采用json数据交换格式，程序中引入org.json包，即可使用getJSONObject（）将服务器返回的数据转换成JSONObject对象，并使用JSONObject.getString（）方法将其转换成可方便处理的字符串类型数据。
2.4历史数据显示
用沼气产量与主要关联参数的历史数据变化曲线显示历史数据，从而直观地获得沼气产量变化情况，有利于用户更好地管理沼气池。模块获得数据方式与实时监控模块相同，并引入Canvas与Paint类参与绘制坐标轴及数据变化曲线。首先在Activity中自定义一个继承View的PathView类，在类中实例化3个Paint对象，设置其各自属性来区分不同参数的变化情况。然后在类中使用canvas.getWidth（）和canvas.getHeight（）函数获得Canvas的宽度和高度，Android的 Canvas以左上角点为坐标原点，由此可方便的计算出画笔的起始点和终点，最后应用覆写onDraw（）方法，并在方法中调用 drawLine（）、drawCircle（）和drawText（）等方法实现历史曲线的绘制。
2.5获得参考意见
当沼气池运行出现问题时，用户可在客户端中简要描述故障现象，并上传到服务器，然后通过数据库快速匹配方法给出专家的经验处方。模块主要是采用Httppost（）方法将故障现象发送给服务器并取得反馈信息。
客户端程序完成后还需修改根目录下的AndroidManifest.xml文件，在文件中注册新添加的Activity和开启程序所用到的权限。主要代码如下：
3系统功能测试
在Eclipse中右击工程导出客户端apk（Android安装包），安装到Android版本为2.2及以上的智能手机。数据中心开启服务器和数据库服务，数据采集端开启信息采集和GPRS DTU，手机端开启客户端，完成注册，然后进入登录界面，点击登录按钮进入实时监控界面并刷新数据显示沼气池运行状态，如图5所示，然后分别进入历史曲线和获得参考意见界面，如图6、7所示。经测试，系统运行正常，性能稳定，达到了预期的目标。
参考文献：
[1]王飞，蔡亚庆，仇焕广. 中国沼气发展的现状、驱动及制约因素分析[J]. 农业工程学报，2012，28（1）：184-189.
[2]互联网消费调研中心.2012年第三季度中国手机市场研究报告[R]. 北京：IDC，2012.
[3]林聪. 沼气技术理论与工程[M]. 北京：化学工业出版社，2007：45-48.
[4]孙卫琴. Tomcat与Java Web开发技术详解[M]. 北京：电子工业出版社，2009：156-159.
[5]吴吉义，王中友. MySQL原理与Web系统开发[M]. 北京：清华大学出版社，2009：256-257.
[6]姜凡. 基于Android的网络化遥控器系统的研究与实现[D]. 武汉：武汉理工大学，2010：
然后通过实例化的Statement对象对数据库执行相应的更新和查询等操作，将取得的数据存放到ResultSet对象中，最后将请求的数据发送至客户端。
2客户端设计
客户端是基于Android 2.2版本（API LEVEL 8），在搭建的Android SDK+Java JDK 6+Eclipse 4.2 的环境中进行开发。客户端主要功能是用户注册、登录、在线实时监控、历史数据显示以及获取服务器参考意见5模块，如图3所示。根据需要客户端创建了5个Activity，使用layout文件夹下的5个xml文件实现UI（用户界面）的设计。
2.1登录模块
客户端开启后的首个界面，用户可在本页面输入用户名和登录密码，点击登录按钮即可将用户信息发送至服务器，采用http post网络通信方式，通过验证即可跳转至监控页面，否则使用Toast方法提示错误信息。页面还提供2个CheckBox用来选择是否记住用户名和密码，采用SharedPreferences方法将用户信息保存到本地，方便下次登录，登录界面如图4所示。模块关键代码如下：
HttpPost request=new HttpPost（urlStr_login）；//request继承HttpPost方法
HttpResponse response=client.execute（request）；//执行请求返回响应
editor.putString（“nameIsChecked”，“1”+“，”+username）；//将信息存储到本地
sp=getSharedPreferences（“sp_user”，Context . MODE_PRIVATE）； //将本地信息取出
2.2注册模块
首次登录需要注册，通过登录界面里的注册按钮跳转到注册界面。在注册界面，用户可根据提示输入用户名、账号密码及相应沼气池编号，客户端将信息发送至服务器进行注册保存。
2.3实时监控
监控界面实时显示沼气池运行参数。为防止UI主线程堵塞和界面假死，可通过实现Runnable接口，覆写接口的run（）方法，并实例化Thread类来创建子线程，让子线程定时向服务器请求数据，取得数据后使用SendMessage（）方法向Handler传送Message对象[6]。Handler接收消息后配合主线程更新UI，从而实现沼气池运行信息的实时显示。此外，系统采用json数据交换格式，程序中引入org.json包，即可使用getJSONObject（）将服务器返回的数据转换成JSONObject对象，并使用JSONObject.getString（）方法将其转换成可方便处理的字符串类型数据。
2.4历史数据显示
用沼气产量与主要关联参数的历史数据变化曲线显示历史数据，从而直观地获得沼气产量变化情况，有利于用户更好地管理沼气池。模块获得数据方式与实时监控模块相同，并引入Canvas与Paint类参与绘制坐标轴及数据变化曲线。首先在Activity中自定义一个继承View的PathView类，在类中实例化3个Paint对象，设置其各自属性来区分不同参数的变化情况。然后在类中使用canvas.getWidth（）和canvas.getHeight（）函数获得Canvas的宽度和高度，Android的 Canvas以左上角点为坐标原点，由此可方便的计算出画笔的起始点和终点，最后应用覆写onDraw（）方法，并在方法中调用 drawLine（）、drawCircle（）和drawText（）等方法实现历史曲线的绘制。
2.5获得参考意见
当沼气池运行出现问题时，用户可在客户端中简要描述故障现象，并上传到服务器，然后通过数据库快速匹配方法给出专家的经验处方。模块主要是采用Httppost（）方法将故障现象发送给服务器并取得反馈信息。
客户端程序完成后还需修改根目录下的AndroidManifest.xml文件，在文件中注册新添加的Activity和开启程序所用到的权限。主要代码如下：
3系统功能测试
在Eclipse中右击工程导出客户端apk（Android安装包），安装到Android版本为2.2及以上的智能手机。数据中心开启服务器和数据库服务，数据采集端开启信息采集和GPRS DTU，手机端开启客户端，完成注册，然后进入登录界面，点击登录按钮进入实时监控界面并刷新数据显示沼气池运行状态，如图5所示，然后分别进入历史曲线和获得参考意见界面，如图6、7所示。经测试，系统运行正常，性能稳定，达到了预期的目标。
参考文献：
[1]王飞，蔡亚庆，仇焕广. 中国沼气发展的现状、驱动及制约因素分析[J]. 农业工程学报，2012，28（1）：184-189.
[2]互联网消费调研中心.2012年第三季度中国手机市场研究报告[R]. 北京：IDC，2012.
[3]林聪. 沼气技术理论与工程[M]. 北京：化学工业出版社，2007：45-48.
[4]孙卫琴. Tomcat与Java Web开发技术详解[M]. 北京：电子工业出版社，2009：156-159.
[5]吴吉义，王中友. MySQL原理与Web系统开发[M]. 北京：清华大学出版社，2009：256-257.
[6]姜凡. 基于Android的网络化遥控器系统的研究与实现[D]. 武汉：武汉理工大学，2010：
