基于4G 網絡的農田灌溉遠程監控系統設計與實現

田添

河南建筑職業技術學院,河南 鄭州450000

隨著我國農業信息化進程的加快，農田灌溉遠程監控迎來了發展良機。農田灌溉需要時刻觀察水位，過度灌溉會造成不利后果，影響到苗種的發育[1]。國內學者對農田灌溉遠程監控進行了較多研究。黃文晉等針對農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 網絡的農田灌溉智能控制系統，在操作方面較為簡單，且成本很低，有較大的推廣價值[2]。李海波等為提高農田灌溉的質量和能源利用率，綜合了互聯網、物聯網及計算機控制技術，設計了一種基于Web 技術的農田恒壓灌溉遠程監控系統，主要有現場感知層、網絡層和應用層，能夠準確采集數據，平穩控制壓力，形成良好的節能效果，且有著很強的抗干擾能力[3]。關林芳等為節省農田灌溉的時間成本，設計了一種基于安卓智能手機的農田灌溉預約系統，主要通過無線傳感網絡對農田灌溉的傳感器信息進行采集，利用GPRS 傳送到遠程監控中心，用戶使用手機就能查看農田灌溉的相關信息，還能對農田灌溉進行預約，根據測試結果，該系統有效提高了農田灌溉的靈活性[4]。如今，雖然5G 技術是當前的一個熱點，但5G 網絡還沒有在農村地區廣泛普及，4G 依然是農村地區使用最廣的移動網絡。縱觀已有的相關研究成果，結合4G 網絡進行農田灌溉遠程監控的文獻極少。本文設計一種基于4G 網絡的農田灌溉遠程監控系統，有一定的實用價值和創新意義。

1 系統工作原理及設計

1.1 系統工作原理

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

圖1 系統工作原理Fig.1 Schematic diagram of system operation

圖2 系統功能模塊Fig.2 System function module

1.2 系統設計

基于4G 網絡的農田灌溉遠程監控系統由現場數據采集端、服務器端、客戶端組成，其中現場數據采集端主要通過攝像頭、傳感器、數據采集模塊進行水位信息的采集，然后經過4G 網絡傳輸到服務器端。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過4G 網絡傳輸給客戶端。在客戶端也有三個模塊，分別是：數據解碼模塊、信息分析模塊、遠程視頻查看模塊。數據解碼模塊負責對數據進行解碼，信息分析模塊負責分析現場信息，遠程視頻查看模塊負責連接現場的攝像頭，實時查看現場水位情況。系統功能模塊如圖2 所示。

2 系統實現

2.1 現場數據采集端的實現

本系統所要獲取的主要數據是農田現場的灌溉水位，在農田四周安裝了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。攝像頭提供現場的實時視頻畫面，傳感器采集水位數據，通過CAN 總線傳輸到數據采集模塊，每5分鐘匯總一次，利用4G 網絡傳輸到服務器端。數據采集模塊還通過4G 網絡與客戶端相連，當用戶需要查看現場視頻情況時，可利用遠程視頻查看模塊驗證實時水位。數據采集模塊中有XML 編碼器和MP4 編碼器，首先由XML 編碼器將水位數據轉化成XML 格式，其次由MP4 編碼器將視頻數據轉化成MP4 格式，方便這兩種數據在4G 網絡中的傳輸。

2.2 服務器端的實現

本系統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。在這里可以完成數據信息的接收、調度、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 格式的水位數據和MP4 格式的視頻數據進行解碼。首先解碼水位數據，若水位信息為低水位或中水位，則繼續解碼視頻數據，然后將水位數據和視頻數據傳輸到儲存模塊；若水位信息為偏高水位或高水位，則無需解碼視頻數據，將解碼前的水位數據和未解碼的視頻數據傳輸到通訊模塊。其次由通訊模塊通過4G 網絡與客戶端連接，將數據傳輸到客戶端，提醒用戶水位情況即將超標，需要派人到現場操作。

2.3 客戶端的實現

客戶端由數據解碼模塊、信息分析模塊、遠程視頻查看模塊組成。在數據解碼模塊中裝有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據之后，首先由數據解碼模塊對水位數據和視頻數據進行解碼，然后由信息分析模塊對解碼后的數據進行分析，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，實時查看農田灌溉現場的水位情況，最終確定水位，并及時派人前往現場處理。客戶端分別由安卓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 系統測試

本系統的現場數據采集端使用ARM 微處理器平臺進行開發；服務器端使用JAVA 語言進行開發，數據庫為MySql 數據庫；安卓客戶端使用JAVAEE 語言進行開發，蘋果客戶端使用ObjC 和C 語言進行開發。在系統開發的過程中分別測試了現場數據采集端、服務器端、安卓客戶端、蘋果客戶端的相關功能和性能，測試結果如表1 所示。并進一步測試系統載荷能力，并發連接數設置為30，即30 個客戶端同時登陸系統對服務器端造成的負荷壓力，測試結果如圖3 所示。

表1 系統的相關功能和性能測試結果Table 1 Relevant function and performance test results of the system

圖3 系統載荷能力測試結果Fig.3 System load capacity test results

從系統的相關功能和性能測試結果可以看出，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，說明系統的登陸功能良好。在數據傳輸方面，現場數據采集端的數據傳輸速度達到8 M/s，服務器端和客戶端的數據傳輸速度達到10 M/s，說明4G 網絡的數據傳輸速度較快，基本可以滿足客戶需求。在數據編解碼方面，各測試點都能成功編解碼，說明系統編解碼功能良好。在數據儲存方面，服務器端能夠成功儲存數據。在視頻清晰度方面，各測試點的視頻數據都保持在高清晰。從系統載荷能力測試結果可看出，當30 人同時在線時，服務器端的負荷壓力在2.5%以下，說明系統載荷能力良好，而在實際中，同時在線人數通常只有3～5 人。

4 結論與展望

農田灌溉遠程監控系統是農業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。本文開發了一種基于4G 網絡的農田灌溉遠程監控系統，充分利用4G 網絡傳輸速度快、穩定性強的優勢，成功實現了農田灌溉遠程監控的目的。本系統由現場數據采集端、服務器端、客戶端組成，根據測試結果，本系統的相關功能和性能良好，有較大的載荷能力。本系統既能精準監控農田灌溉的水位，還能為用戶節省一定的時間和人力成本，具備較高的推廣價值。如今，在5G 技術的快速發展下，浙江、廣東、上海等地已進入5G 試點階段，事實證明5G 技術擁有更大的優勢，數據傳輸速度遠超4G。展望未來，農業灌溉遠程監控與5G 技術的結合，將進一步提高系統水平，這是今后值得研究的一個方向。