田添

河南建筑職業(yè)技術(shù)學院,河南 鄭州450000

隨著我國農(nóng)業(yè)信息化進程的加快，農(nóng)田灌溉遠程監(jiān)控迎來了發(fā)展良機。農(nóng)田灌溉需要時刻觀察水位，過度灌溉會造成不利后果，影響到苗種的發(fā)育[1]。國內(nèi)學者對農(nóng)田灌溉遠程監(jiān)控進行了較多研究。黃文晉等針對農(nóng)田灌溉的水位遠程控制水平較低、水位信息的遠程傳輸布線難以及傳輸距離有限等問題，設計了一種基于GSM 網(wǎng)絡的農(nóng)田灌溉智能控制系統(tǒng)，在操作方面較為簡單，且成本很低，有較大的推廣價值[2]。李海波等為提高農(nóng)田灌溉的質(zhì)量和能源利用率，綜合了互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及計算機控制技術(shù)，設計了一種基于Web 技術(shù)的農(nóng)田恒壓灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)，主要有現(xiàn)場感知層、網(wǎng)絡層和應用層，能夠準確采集數(shù)據(jù)，平穩(wěn)控制壓力，形成良好的節(jié)能效果，且有著很強的抗干擾能力[3]。關(guān)林芳等為節(jié)省農(nóng)田灌溉的時間成本，設計了一種基于安卓智能手機的農(nóng)田灌溉預約系統(tǒng)，主要通過無線傳感網(wǎng)絡對農(nóng)田灌溉的傳感器信息進行采集，利用GPRS 傳送到遠程監(jiān)控中心，用戶使用手機就能查看農(nóng)田灌溉的相關(guān)信息，還能對農(nóng)田灌溉進行預約，根據(jù)測試結(jié)果，該系統(tǒng)有效提高了農(nóng)田灌溉的靈活性[4]。如今，雖然5G 技術(shù)是當前的一個熱點，但5G 網(wǎng)絡還沒有在農(nóng)村地區(qū)廣泛普及，4G 依然是農(nóng)村地區(qū)使用最廣的移動網(wǎng)絡?？v觀已有的相關(guān)研究成果，結(jié)合4G 網(wǎng)絡進行農(nóng)田灌溉遠程監(jiān)控的文獻極少。本文設計一種基于4G 網(wǎng)絡的農(nóng)田灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)，有一定的實用價值和創(chuàng)新意義。

1 系統(tǒng)工作原理及設計

1.1 系統(tǒng)工作原理

4G 作為第四代移動通信技術(shù)，較好地改進了3G 技術(shù)，使信息傳輸更加快速，能夠傳輸清晰的圖像和視頻[5]。傳統(tǒng)的農(nóng)田灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)除了在現(xiàn)場安裝攝像頭、傳感器之外，還需要進行復雜的布線，系統(tǒng)開發(fā)成本較高[6]。本系統(tǒng)則引入了4G 技術(shù)，分為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端、服務器端、客戶端三個端點，由4G 網(wǎng)絡進行連接，數(shù)據(jù)信息通過4G 網(wǎng)絡實現(xiàn)快速傳輸，系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理Fig.1 Schematic diagram of system operation

圖2 系統(tǒng)功能模塊Fig.2 System function module

1.2 系統(tǒng)設計

基于4G 網(wǎng)絡的農(nóng)田灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端、服務器端、客戶端組成，其中現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端主要通過攝像頭、傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊進行水位信息的采集，然后經(jīng)過4G 網(wǎng)絡傳輸?shù)椒掌鞫?。在服務器端有三個模塊，分別是：管理模塊、儲存模塊、通訊模塊。管理模塊負責接收和調(diào)度信息，儲存模塊負責儲存信息，通訊模塊負責將有效信息經(jīng)過4G 網(wǎng)絡傳輸給客戶端。在客戶端也有三個模塊，分別是：數(shù)據(jù)解碼模塊、信息分析模塊、遠程視頻查看模塊。數(shù)據(jù)解碼模塊負責對數(shù)據(jù)進行解碼，信息分析模塊負責分析現(xiàn)場信息，遠程視頻查看模塊負責連接現(xiàn)場的攝像頭，實時查看現(xiàn)場水位情況。系統(tǒng)功能模塊如圖2 所示。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端的實現(xiàn)

本系統(tǒng)所要獲取的主要數(shù)據(jù)是農(nóng)田現(xiàn)場的灌溉水位，在農(nóng)田四周安裝了2 個攝像頭和4 個傳感器，攝像頭安裝在斜對角的兩端，傳感器則安裝在低水位、中水位、偏高水位、高水位的四個點上。攝像頭提供現(xiàn)場的實時視頻畫面，傳感器采集水位數(shù)據(jù)，通過CAN 總線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊，每5分鐘匯總一次，利用4G 網(wǎng)絡傳輸?shù)椒掌鞫?。?shù)據(jù)采集模塊還通過4G 網(wǎng)絡與客戶端相連，當用戶需要查看現(xiàn)場視頻情況時，可利用遠程視頻查看模塊驗證實時水位。數(shù)據(jù)采集模塊中有XML 編碼器和MP4 編碼器，首先由XML 編碼器將水位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成XML 格式，其次由MP4 編碼器將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成MP4 格式，方便這兩種數(shù)據(jù)在4G 網(wǎng)絡中的傳輸。

2.2 服務器端的實現(xiàn)

本系統(tǒng)的控制中心在服務器端，由管理模塊、儲存模塊和通訊模塊組成。在這里可以完成數(shù)據(jù)信息的接收、調(diào)度、儲存，并通過通訊模塊與客戶端連接。在管理模塊中有XML 解碼器和MP4 解碼器，負責對接收到的XML 格式的水位數(shù)據(jù)和MP4 格式的視頻數(shù)據(jù)進行解碼。首先解碼水位數(shù)據(jù)，若水位信息為低水位或中水位，則繼續(xù)解碼視頻數(shù)據(jù)，然后將水位數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻Υ婺K；若水位信息為偏高水位或高水位，則無需解碼視頻數(shù)據(jù)，將解碼前的水位數(shù)據(jù)和未解碼的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄓ嵞K。其次由通訊模塊通過4G 網(wǎng)絡與客戶端連接，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇蛻舳?，提醒用戶水位情況即將超標，需要派人到現(xiàn)場操作。

2.3 客戶端的實現(xiàn)

客戶端由數(shù)據(jù)解碼模塊、信息分析模塊、遠程視頻查看模塊組成。在數(shù)據(jù)解碼模塊中裝有XML解碼器和MP4 解碼器，當接收到服務器端通訊模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)之后，首先由數(shù)據(jù)解碼模塊對水位數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)進行解碼，然后由信息分析模塊對解碼后的數(shù)據(jù)進行分析，初步確定當前的水位情況。用戶還可以通過遠程視頻查看模塊，實時查看農(nóng)田灌溉現(xiàn)場的水位情況，最終確定水位，并及時派人前往現(xiàn)場處理?？蛻舳朔謩e由安卓APP 源碼和蘋果APP 源碼編寫，可安裝在安卓手機和蘋果手機上。

3 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端使用ARM 微處理器平臺進行開發(fā)；服務器端使用JAVA 語言進行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫為MySql 數(shù)據(jù)庫；安卓客戶端使用JAVAEE 語言進行開發(fā)，蘋果客戶端使用ObjC 和C 語言進行開發(fā)。在系統(tǒng)開發(fā)的過程中分別測試了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端、服務器端、安卓客戶端、蘋果客戶端的相關(guān)功能和性能，測試結(jié)果如表1 所示。并進一步測試系統(tǒng)載荷能力，并發(fā)連接數(shù)設置為30，即30 個客戶端同時登陸系統(tǒng)對服務器端造成的負荷壓力，測試結(jié)果如圖3 所示。

表1 系統(tǒng)的相關(guān)功能和性能測試結(jié)果Table 1 Relevant function and performance test results of the system

圖3 系統(tǒng)載荷能力測試結(jié)果Fig.3 System load capacity test results

從系統(tǒng)的相關(guān)功能和性能測試結(jié)果可以看出，在用戶登陸方面，管理員用戶在服務器端成功登陸，普通用戶在安卓客戶端和蘋果客戶端成功登陸，說明系統(tǒng)的登陸功能良好。在數(shù)據(jù)傳輸方面，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端的數(shù)據(jù)傳輸速度達到8 M/s，服務器端和客戶端的數(shù)據(jù)傳輸速度達到10 M/s，說明4G 網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸速度較快，基本可以滿足客戶需求。在數(shù)據(jù)編解碼方面，各測試點都能成功編解碼，說明系統(tǒng)編解碼功能良好。在數(shù)據(jù)儲存方面，服務器端能夠成功儲存數(shù)據(jù)。在視頻清晰度方面，各測試點的視頻數(shù)據(jù)都保持在高清晰。從系統(tǒng)載荷能力測試結(jié)果可看出，當30 人同時在線時，服務器端的負荷壓力在2.5%以下，說明系統(tǒng)載荷能力良好，而在實際中，同時在線人數(shù)通常只有3～5 人。

4 結(jié)論與展望

農(nóng)田灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)信息化的重要組成部分之一，尤其對大畝地進行灌溉的時候，往往耗時較長，派專人值守會耗費一定人力，還要考慮到天氣惡劣情況。本文開發(fā)了一種基于4G 網(wǎng)絡的農(nóng)田灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用4G 網(wǎng)絡傳輸速度快、穩(wěn)定性強的優(yōu)勢，成功實現(xiàn)了農(nóng)田灌溉遠程監(jiān)控的目的。本系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集端、服務器端、客戶端組成，根據(jù)測試結(jié)果，本系統(tǒng)的相關(guān)功能和性能良好，有較大的載荷能力。本系統(tǒng)既能精準監(jiān)控農(nóng)田灌溉的水位，還能為用戶節(jié)省一定的時間和人力成本，具備較高的推廣價值。如今，在5G 技術(shù)的快速發(fā)展下，浙江、廣東、上海等地已進入5G 試點階段，事實證明5G 技術(shù)擁有更大的優(yōu)勢，數(shù)據(jù)傳輸速度遠超4G。展望未來，農(nóng)業(yè)灌溉遠程監(jiān)控與5G 技術(shù)的結(jié)合，將進一步提高系統(tǒng)水平，這是今后值得研究的一個方向。