摘 要

水是生命之源，我们的身体、生活都离不开水。如果我们饮用了被污染的水，会产生疾病严重的话甚至会死亡。目前，全世界每年约有4200多亿立方米的污水排入江河湖海，污染了5.5万亿立方米的淡水，这相当于全球径流总量的14%以上，由此可见治理水污染变得越来越有意义。在此背景下，本项目组设计开发了自动巡航环保监测与治理船，该船针对因水体富营养化而导致的水污染进行监测与治理。主要工作原理是：通过在深水进机械曝气，可以在不改变水体分层的状态下提高溶解氧浓度。通过曝气还可以降低氨氮、铁、锰等离子性物质的浓度,可有效改善厌氧状况，从而达到治理的目的。

在船体自动巡航时，操作者有必要对船的状况以及水质进行实时了解，避免船体停止工作和出现故障。本作品设计并完成了该船体的用户移动端系统，利用该系统实现对船体和水质的远程监控，并对船体进行远程控制。通过采用面向对象UML分析方法，分别进行了业务建模、需求分析和系统分析，明确了系统设计的内容。在系统设计开发部分，采用了基于B/S设计模式，Android开发架构，并通过运用当前比较流行和适用的IDEA AndroidStudio进行开发，完成了界面开发和功能实现，达到了显示和控制的目的。

关键字：环保检测与治理无人船； 用户移动端系统开发； 面向对象UML分析；AndroidStudio

Abstract

Water resources are the source of human life, and people's survival is inseparable from water. But drinking contaminated water can cause illness and even death. At present, more than 420 billion cubic meters of sewage is discharged into rivers and lakes every year, polluting 5.5 trillion m3 of fresh water, which is equivalent to more than 14% of the total global runoff. The more meaningful it is. In this context, the project team designed and developed an automatic cruise environmental monitoring and control vessel that monitors and manages water pollution caused by eutrophication of water bodies. The main working principle is: By performing machine aeration in deep water, the dissolved oxygen concentration can be increased without changing the stratification of the water body. Aeration can also reduce the concentration of ionic substances such as ammonia nitrogen, iron, manganese, etc., and can effectively improve the anaerobic condition, thereby achieving the purpose of treatment.

When the hull is automatically cruising, it is necessary for the operator to know the condition of the ship and the water quality in real time to avoid the hull stopping work and malfunction. This work designs and completes the user's mobile end system of the hull. The system is used to remotely monitor the hull and water quality and remotely control the hull. Through the use of object-oriented UML analysis methods, business modeling, requirements analysis and system analysis were carried out respectively, and the content of system design was clarified. In the system design and development part, the C/S design mode is adopted, and the development and interface realization of the interface is completed by using the currently popular and applicable IDEA AndroidStudio, achieving the purpose of display and control.

Keywords:unmanned ship; user mobile system development;object-oriented UML analysis;AndroidStudio

目 录

1绪论 1

1.1选题背景介绍 1

1.2开发研究现状 2

1.3选题意义 3

1.4可行性分析 3

1.4.1经济可行性分析 3

1.4.2技术可行性分析 4

1.4.3社会可行性分析 4

2需求分析 5

2.1系统目标 5

2.2系统描述 5

2.3系统范围和系统边界 8

2.4参与者 8

2.5系统用例 9

2.6细化用例 10

2.7系统用例场景 13

3系统设计 15

3.1系统功能分析 15

3.2总体方案设计 16

3.2.1界面设计 16

3.2.2功能函数的设计 20

3.2.3 HTTP通讯和数据解析 24

3.2.4 服务器建设 25

4系统开发与测试 26

4.1相关配置 26

4.1.1开发环境及语言 26

4.1.2配置jdk和sdk 26

4.1.3其他配置 26

4.2移动端测试 28

5结论与展望 30

6参考文献 31

致 谢 33

1绪论

1.1选题背景介绍

面临问题：水是生命之源，我们的身体、生活都离不开水。如果我们饮用了被污染的水，会产生疾病严重的话甚至会死亡。全世界每年约有4200多亿m3(立方米)的污水排入江河湖海，污染了5.5万亿m3的淡水，这相当于全球径流总量的14%以上^[1]。经多方面研究表明，影响水质的最大的化学污染及最主要的水体污染情况就是水体的富营养化^[2]。富营养化会影响河流、湖泊的水质，造成其透明度降低，使阳光很难穿透水层，故而影响水中植物进行光合作用，这便很有可能造成水中氧溶解的过饱和。溶解氧的过饱和以及水中溶解氧少，都对水生动物有害，造成鱼类大量死亡、产生硝酸盐和亚硝酸盐等对人体有害物质以及水藻，从而进一步加重该水体的缺氧情况^[3][4][5]。

问题解决：国内外针对水体富营养化的治理措施主要有两种：曝气方式和生物方式来治理湖泊富营养化问题^[6], 可以设置太阳能曝气系统来对待处理水体进行曝气富氧处理, 增加水体内溶解氧含量，为好氧微生物提供一个优良环境，促进微生物的生长繁殖^[7]。也可以将太阳能作为初始能源，将水生植物种植到生态塘内，利用生态塘内多条生物链来实现物质的迁移、转化，实现能量的传递与转化，促使塘系统中含有的有机物和营养盐进行讲解与转化，缓解水体富营养化问题^[8]。

关键物理技术：综合来看，曝气技术比较容易实现，而且成本低廉，治理有效。利用简单设备即可实现有效的治理，符合我们的治理观念。在本项目中，就是用鼓风机实现注气，达到注气效果^[9]。

解决方案：结合以上背景，我们提出了设计自动巡航环保监测与治理船的解决方案，环保船主要解决水体的富营养化问题。自动巡航环保监测与治理船需要实现在相关水域自动巡航，且在巡航的同时通过传感器来采集所巡航水域的水质信息，并将采集到的水质信息保存并通过通讯设备发送到岸上的服务器端，环保工作人员通过客户端访问服务器的所接收到的数据来针对性的治理。同时，该船还装备有鼓风机，可以利用客户端对船进行远程控制，根据水体需要进行注气，治理富营养化。自动巡航环保监测与治理船的一代船已经基本开发完毕，已经同武汉永清科技工程有限公司进行合作，在武汉经开区湖泊进行试点。该自动巡航环保监测与治理船包括硬件和软件，本文只论述软件部分的移动端设计与开发。

图1.1 第一代自动巡航环保监测与治理船

1.2开发研究现状

移动端app是Application的缩写，是指智能手机的第三方应用程序^[10]。目前主要有ios和Android两大智能手机操作系统，由于Android操作系统的开放性比较大，所以基于Android的移动端app开发也日益增多^[11]。此移动端app也是如此，采用Android的系统架构。Android从面世以来到目前为止已经有28个版本，google也已经为其建立了一套完整的生态系统。Android系统架构，可大致分四层架构，第一层是linux层、该层内核是基于linux系统的，内核层主要是为Android设备以及各种硬件来提供底层的驱动，如音频驱动和显示驱动等。第二层是系统运行库层，该层通过C/C 库来为Android系统提供必要的特性支持，如SQLite来提供数据库的支持，Webkit来提供浏览器的支持等，同在这一层，还有Android的run库，其主要是来提供一些开发核心库，使其允许应用Java编写应用程序。run库还包括有ART运行环境（Dalvik虚拟机），使每一个应用都有自己的进程和Dalvik虚拟机实例。该虚拟机是专为移动设备而定制，它针对手机的cpu以及内存等性能均做了优化。第三层是应用框架层，该层是来提供编写应用程序时会用到的接口API，这些接口也完成了Android系统自带的核心程序，当然也可以供我们开发者使用。第四层是应用框架层应用层就是我们在使用手机经常看到的应用程序，当然也包括我们自己开发的已安装应用^[12]。移动端app的开发需要在开发前备好JDK，JDK其实是java的开发工具包，包含着java开发时的运行环境以及基础类库等。还需要准备好SDK，它其实是Android的开发工具包，由Google提供，主要包括相关的API。最后需要准备的就是一个方便操作的IDE（集成开发环境）来开发移动端app^[13]。

目前较常用的移动端app开发IDE有eclipse和Android Studio。后者是2013年之后，google公司针对移动端app开发而推出的Android开发官方IDE，现已成为移动端开发的主流开发环境^[12]。在Android中，为开发者提供了活动、服务、广播接收器以及内容提供器等四大组件，还有丰富的系统控件供开发者方便、快捷的定制自己的精美界面，以及自带轻量级嵌入式的关系型数据库，让开发者的开发工作更加简单、高效^[14]。在web移动端app的开发过程中，主要涉及的另一关键技术就是服务，服务是Android实现层序后台运行的解决方案，它专用于处理不需要和用户交互但要长期执行的任务。服务的运行是不依靠UI界面的，它可以保证程序的后台运行。移动端系统开发是一项复杂工程，需要对开发环境熟悉，对应用功能的实现有好的表现方案^[15]。

基于此，本文开发和设计了自动巡航环保监测与治理船移动端app的基本流程，实现远程控制环保船并实时显示环保船所在水域的水质信息，及时将船载设备信息、位置信息和其他信息反馈给环保工作人员。

1.3选题意义

环境意义：给当前人类面临的水质污染严峻情形提供了解决方案，有利于构建人与自然共生的命运共同体。

经济意义：①自动巡航环保监测与治理船采用太阳能与风能作为能源，对环境无污染，续航时间长。②自动巡航环保监测与治理船实现了对水质的改善，对依靠水资源的产业（如渔业）形成了极大的促进作用，对增加GDP做出巨大贡献。③相对于其他治理水污染方式所带来的优化成本。

1.4可行性分析

1.4.1经济可行性分析

本用户移动端系统的实现，需要投入最多的是时间成本，对于硬件设施需求主要有：办公地点1个，计算机1台，网线路由等。对于软件需求主要有：Windows/Linux/Mac OS X操作系统，AndroidStudio（3.0及以上版本）。以上需求均比较容易实现，不存在较大经济支出，所以经济方面，可行性较大。

1.4.2技术可行性分析

在用户移动端的系统开发方面，主要包括8个界面开发以及控制环保船的功能函数的实现，由于一代船服务器已经开发完毕，达到应用水平，为移动端app的开发奠定了基础，对于本移动端系统所要求的界面和功能，以及通讯，利用AndroidStudio（3.0及以上版本）所提供的模板框架均可实现。AndroidStudio开发环境支持的是java汇编语言，需要一定的java语言基础和Android基础。这些内容均有的在课程所学范围之内，有的则会学习起来较为容易。因此，技术可行性较大。

1.4.3社会可行性分析

当前，在治理水体富营养化的措施中，太阳能曝气是应用最广泛的，治理效果也比较明显。本用户移动端所应用的环保船采用的治理方式就是太阳能曝气。随着智能手机的普及，对于手机用户移动端app，我们都比较熟悉，每天都会有新的app出现在手机软件应用市场。相比国外，国内各种app层出不穷，例如：QQ、微信、微博、美团等app已经深入到我们生活的方方面面，人们其实已经适应智能手机app，在一定程度上讲，甚至离不开手机中的这些app。结合上述分析，环保监测与治理船的用户移动端开发的社会可行性比较大。

2需求分析

2.1系统目标

1、可以简单、方便的通过手机控制船体在湖面的移动。

2、提供一个友好的信息展示平台，方便船体状态信息、水质信息的快速更

新，同时方便用户快速查阅相关信息。

1. 可以与服务器建立起连接，并从服务器端读取数据、传递和接受信息。
2. 可以很好的兼容当前的智能手机和Android操作系统。

2.2系统描述

环保监测与治理无人船项目的开发是一项比较庞大的工程，软件部分开发主要可分为：无人船船载系统、岸基服务器系统、用户客户端系统和用户移动端系统，以下将分别介绍这四个模块。岸基服务器系统主要实现数据处理和存储以及客户端/移动端的用户请求。而本人主要负责移动端的开发，移动端的主要作用是方便用户对无人船的实时控制和监测^[16]。

基本信息维护需求：主要涉及不同用户账号信息存储与维护、水质信息存储与维护、船只状态信息存储与维护，基本数据维护功能包括数据的增加、修改、查询和删除。

1. 数据增加：新增账户、新增船只等功能需求，如图2.1所示。

HTTP发送至岸基服务器

HTTP发送至移动端

输入数据

保存到数据库

显示输入数据后结果

图2.1 数据增加流程

1. 数据修改：刷新水质信息、船只信息等功能需求，如图2.2所示。

图2.2 数据修改流程

是

数据修改/刷新

是否可修改

修改并保存数据

否

返回原数据

是

是否刷新

否

1. 数据查询：查询水质信息、船只信息等功能需求，如图2.3所示。

点击需要查询的信息按钮

根据查询信息到数据库查询相关数据

显示相关数据

HTTP至岸基服务器

HTTP至岸基服务器

图2.3 数据查询流程

1. 数据删除：删除账户信息、船只信息等功能需求，如图2.4所示。

选择要删除的账户/船只信息

是否可删除

删除数据

否

查看数据详细

是

确定删除

图2.4 数据删除流程

基本功能需求：主要涉及获得实时水质信息、船的当前状态和实时控制船只等。

1. 获取实时水质信息：如图2.5所示。

点击获取水质信息按钮

岸基服务器

船载工控机

岸基服务器

显示上传结果

HTTP发送请求

HTTP返回信息

GPRS通讯

GPRS通讯

图2.5 水质信息通讯流程图

1. 获取实时船体状态信息：如图2.6所示。

点击获取船体状态按钮

岸基服务器

船载工控机

岸基服务器

显示上传结果

HTTP发送请求

HTTP返回信息

GPRS通讯

GPRS通讯

图2.6 实时船体状态信息通讯流程图

1. 船体控制通讯流程：如图2.7所示。

GPRS

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