CN105988475B - 一种无人机农田信息采集系统 - Google Patents

Abstract

一种无人机农田信息采集系统，主要包括分布于农田多个地点的农田信息采集装置、无人机装置和大型运营服务器装置，其中农田信息采集装置将采集到的土壤信息通过无线数据传输方式传送至无人机装置，无人机装置对各农田信息采集装置传送的信息进行接收并存储，然后发送至大型运营服务器装置，大型运营服务器装置对农田信息采集装置采集的信息进行分析和整理，并作出调控。

Description

一种无人机农田信息采集系统

技术领域

本发明涉及无线通讯技术领域，尤其涉及一种无人机农田信息采集系统。

背景技术

精准农业是近年来国际上农业科学研究的热点领域之一。精准农业的含义就是按照田间每一操作单元的具体条件，精细准确地调整土壤和作物管理措施，最大限度地优化各项农业投入，以获取最高产量和最大经济效益，同时保护农业生态环境，保护土地等农业自然资源。精准农业是现有农业生产措施与新近发展的高新技术的有机结合。目前精准农业主要从两个方面进行，一是基于传感器技术的精准农业；二是基于地理信息系统(GIS)、全球卫星定位系统(GPS)、遥感技术(RS)和计算机自动控制系统的精准农业，也就是所谓的基于“3S”的精准农业，上述精准农业技术主要由信息获取系统、信息处理系统与智能化农业机械化等3个部分组成，其定位系统主要基于卫星遥感、大型飞机航拍等定位和信息采集系统，上述系统所获取的是宏观农田信息，限于技术和成本的考量，上述系统无法提供精确的定位和数据信息，同时由于其实时效性较差且易受云雾的干扰，在实际应用中存在诸多限制。公开号为CN104199797A的中国专利公开了一种遥控式山地农田信息采集车，主要包括山地拖拉机、信息采集平台、图传摄像头、信号接收处理装置、控制器、电动云台、操作臂、光谱分析仪、红外测温仪、蓄电池，该遥控式山地农田信息采集车可遥控进行农田信息采集，根据图传摄像头传来的图像信息，控制电动云台转动，调整操作臂到合适的信息采集位置，启动光谱分析仪和红外测温仪，进行农田信息采集。上述遥控式山地农田信息采集车，虽然可以实施较精确的农田信息采集，但是该遥控式山地农田信息采集车采集范围小，速度慢，效率低，无法实现大范围农田高效信息采集的需要。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种无人机农田信息采集系统，该无人机农田信息采集系统采集数据信息准确，速度快，效率高，为精准农业的实时监测和调控提供准确依据。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种无人机农田信息采集系统，主要包括分布于农田多个地点的农田信息采集装置、无人机装置和大型运营服务器装置，其中农田信息采集装置将采集到的土壤信息通过无线数据传输方式传送至无人机装置，无人机装置对各农田信息采集装置传送的信息进行接收并存储，然后发送至大型运营服务器装置，大型运营服务器装置对农田信息采集装置采集的信息进行分析和整理，并作出调控。

进一步地，还包括计算机终端，大型运营服务器将所述信息传送至计算机终端，计算机终端对信息进行分析处理，并作出调控。

进一步地，农田信息采集装置包括电子标签，电子标签与其周围分布的土壤信息传感系统以有线或无线方式进行连接。

进一步地，电子标签为有源电子标签结构或无源电子标签结构。

进一步地，有源电子标签内部包括MCU处理器、电源模块、射频通讯模块和天线模块，其中MCU处理器通过电源模块获得能量，被动向土壤信息传感系统以有线或无线方式发出控制信号，从而对土壤信息传感系统的数据信息进行采集，随后MCU处理器控制射频通讯模块驱动天线模块来完成信号的通信，所述数据信息通过无线信号的方式发送至无人机装置。

进一步地，带有读写器的无人机驶过农田信息采集装置，一方面读写器唤醒电子标签，获取传感器数据，通过无线传送给大型运营服务器装置，另一方面无人机上的摄像机进行拍摄，并将图像信息通过无线传输出去。

进一步地，无人机装置包括无人机稳定飞行控制系统和读写器。

进一步地，无人机稳定飞行控制系统包括陀螺仪传感器、加速度计传感器、电子罗盘传感器构成的机载传感器装置，以及摄像机、机载飞行系统、机载定位系统和微控制系统，其中机载飞行系统包括4个螺旋桨、遥控、机调速器、无刷电机装置，机载定位系统包括GPS、里程仪、蓝牙装置；微控制系统对机载传感器装置进行高速A/D采样后，通过卡尔曼滤波器对传感器数据进行补偿和信息融合，得到准确的姿态角度信号，此角度信号再通过PID控制器运算，输出给电子调速转成PWM信号，进而对机载飞行系统中电机进行控制。

进一步地，读写器内部包含MCU单元与射频模块，读写器直接和大型运营服务器装置相连接。

本发明的无人机农田信息采集系统采集信息迅速，准确，效率高，成本低，可以为精准农业的实现提供可靠依据和调控手段。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的无人机农田信息采集系统的结构组成示意图；

图2为本发明的农田信息采集装置的结构组成示意图；

图3为本发明的电子标签工作状态示意图；

图4为本发明的无人机装置的结构组成示意图；

图5为本发明的无人机装置的算法示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的无人机农田信息采集系统，主要包括分布于农田多个地点的农田信息采集装置、无人机装置和大型运营服务器装置，其中农田信息采集装置将所采集的土壤养分、水分、微量元素浓度等信息通过无线数据传输方式传送至无人机装置，无人机装置对各农田信息采集装置传送的信息进行接收并存储，然后发送至大型运营服务器装置，大型运营服务器装置对农田信息采集装置采集的信息进行分析和整理，并作出调控。

其中，如图2所示，农田信息采集装置包括电子标签，电子标签与其周围分布的土壤养分传感器、土壤水分传感器、微量元素浓度传感器等构成的土壤信息传感系统以有线或无线方式进行连接。

电子标签可以采用有源电子标签结构，也可以采用无源电子标签结构，有源电子标签由电池供电，传输距离远，有益于室外远距离进行，无源电子标签需要进行耦合获取能量，信号强度弱。

如图2所示，当电子标签采用例如有源电子标签时，电子标签内部包括MCU处理器、电源模块、射频通讯模块和天线模块，其中MCU处理器通过电源模块获得能量，被动向土壤养分传感器、土壤水分传感器、微量元素浓度传感器等构成的土壤信息传感系统以有线或无线方式发出控制信号，从而对土壤信息传感系统的数据信息进行采集，随后MCU处理器控制射频通讯模块驱动天线模块来完成信号的通信，所述数据信息通过无线信号的方式发送至无人机装置。

有源电子标签在该工作机制中定义了四种工作状态：数据传输态、通道查询态、休眠态、半休眠态。

数据传输态：建立了与无人机装置中读写器的有效连接，实现数据传输。

通信查询态：指在标签被某事唤醒后，查询信道上是否有有效的读写器信号。

深度睡眠态：是指除定时器外，标签的所有部件都停止工作以降低功耗的状态。

半休眠态：当标签与读写器正在进行通信时，在信道上与其他标签发来的信号发生碰撞，数据在信道上面发生冲突，标签这时会自动处于休眠状态，但是其定时器仍在工作，信道上标签也重复查询是否冲突，所以定义为半休眠状态。

四种状态的工作原理如图3所示，大多数情况下，为降低功耗、减少辐射，标签处在半休眠态。此时，标签所有的功能模块除核心部分(MCU)都处于停止工作的状态。当定时器的计数达到标签的唤醒条件时，进入通道查询态，查询唤醒数据传送通道，同时接收相应设备指令信息。标签对接收的指令进行校验，校验到正确指令后，处理其指令，检测信道，并得知数据可以发送，将结果送回到上一级设备。发现有碰撞则进入防碰撞机制，继续发送，直至成功或超时。然后进入睡眠，等待下一周期继续工作。当标签进入数据通信状态后，会按照读写器的命令，传送相应的信息给读写器。当读写器阅读成功后，标签就又会回到前面的深度睡眠状态，等待下一次再被唤醒。由于应用的频段可能并非RF独占，因此必须考虑到与其他的短距离无线设备的兼容。一般较为简单的办法如缩短通信时间，这是在信道查询和通信状态要注意的。查询状态要求链路建立的时间要很短，通信状态中要求数据传输的时间要短；信号重传，即返回信道查询状态试图再次建立通信。

带有读写器的无人机驶过农田信息采集点，一方面读写器唤醒电子标签，获取田间传感器数据，通过无线传送给大型运行服务器；另一方面无人机上的摄像机进行拍摄，并将图像信息通过无线传输出去。

如图4所示，本发明的无人机装置包括无人机稳定飞行控制系统和读写器，其中：

无人机稳定飞行控制系统包括陀螺仪传感器、加速度计传感器、电子罗盘传感器等构成的机载传感器装置，以及摄像机、机载飞行系统、机载定位系统和微控制系统，其中机载飞行系统包括4个螺旋桨、遥控、机调速器、无刷电机等装置，机载定位系统包括GPS、里程仪、蓝牙等装置。微控制系统对机载传感器装置进行高速A/D采样后，通过卡尔曼滤波器对传感器数据进行补偿和信息融合，得到准确的姿态角度信号，此角度信号再通过PID控制器运算，输出给电子调速转成PWM信号，进而对机载飞行系统中电机进行控制。其中，加速度计传感器测量物体的线性加速度，其输出值与倾角呈非线性关系，随着倾角的增加而表现为正弦变化，对加速度计传感器的输出进行反正弦处理得到倾角值，再通过陀螺仪传感器稳定测量角加速度值，由于温度变化、不稳定力矩等因素，陀螺仪传感器会产生漂移误差，这时使用电子罗盘进行补偿，可以达到控制无人机装置稳定飞行的目的。机载定位系统可以控制无人机装置不脱离预定轨道进行飞行。无人机装置中摄像机可以得到所需高清影像，通过无线3G/GPRS/WIFI传输到大型运营服务器。

读写器内部包含MCU单元与射频模块，读写器直接和大型运营服务器相连接，读写器要完成数据的及时处理，首先一直向位置标签发送指令，让其应答最近的电子标签，还要接收电子标签传来的信息，所以设计了双通道射频通信系统，从而大大加快了信息采集和读取的时间，完成数据的收发，并将数据传送给远程计算机进行处理。

读写器中包含了GPRS、rs232等接口或电路，负责与基站、无人机稳定飞行控制系统进行通信，将计算机的指令进行解析，合乎协议的指令将被执行，同时下发给电子标签，电子标签与传感器交互之后，将数据通过射频传输模块返还给读写器MCU，MCU对数据进行数据处理，并送到远程计算机中心。读写器工作原理：读写器通过RS232\GPRS接收等返回信息，它起着将标签系统与公网间的桥梁作用，服务器/PC/微控制系统将指令通过RS232\GPRS等发给读写器，标签系统按照企业标准协议解析数据，按需求返回结果或通过射频电路向标签发送指令，电子标签和读写器之间通过射频信道交互信息，读写器得到正确结果，通过RS232/GPRS等返回信息给监控中心。进一步地，读写器中还包括电源，电源为MCU单元等提供电压。

无人机稳定飞行控制系统把采集到的高清图像通过串行口传送给读写器，读写器将图像与电子标签传来的采集点的数据一起通过GPRS/WIFI/3G发送给大型运营服务器，大型运营服务器进而在计算机终端可以获取传感器数据以及清晰的高清画面。

如图5所示，无人机装置的算法如下：

为了正确可靠地对运动载体进行精确导航，导航系统必须为整个系统提供足够精确和可靠的位置和速度等信息。目前，导航系统已经从单一传感器类型系统发展到组合导航系统，将多种类型的传感器进行优化配置、性能互补，使得系统的精度和可靠性都有了很大的提高，本系统提出一种基于卡尔曼滤波补偿与信息融合算法。

INS是惯性导航系统，GPS是卫星导航系统；GPS接收机和INS测量值：二维位置、速度、角度的差值作为系统的量测输入，通过卡尔曼滤波估计出这4个量的误差，一部分反馈并校正INS，再进行航位推算；另一部分通过反馈并校正GPS，再进行数字地图匹配，最终得到对导航信息的全局估计。同时，高精度的DGPS作为标准，对这种误差状态量导航系统的融合性能作比较分析。

应该理解，尽管参考其示例性的实施方案，已经对本发明进行具体地显示和描述，但是本领域的普通技术人员应该理解，在不背离由权利要求书所定义的本发明的精神和范围的条件下，可以在其中进行各种形式和细节的变化，可以进行各种实施方案的任意组合。

Claims (6)

1.一种无人机农田信息采集系统，其特征在于：主要包括分布于农田多个地点的农田信息采集装置、无人机装置和大型运营服务器装置，其中农田信息采集装置将采集到的土壤信息通过无线数据传输方式传送至无人机装置，无人机装置对各农田信息采集装置传送的信息进行接收并存储，然后发送至大型运营服务器装置，大型运营服务器装置对农田信息采集装置采集的信息进行分析和整理，并作出调控；

带有读写器的无人机驶过农田信息采集装置，一方面读写器唤醒电子标签，获取传感器数据，通过无线传送给大型运营服务器装置，另一方面无人机上的摄像机进行拍摄，并将图像信息通过无线传输出去；

无人机装置包括无人机稳定飞行控制系统和读写器，无人机稳定飞行控制系统包括陀螺仪传感器、加速度计传感器、电子罗盘传感器构成的机载传感器装置，以及摄像机、机载飞行系统、机载定位系统和微控制系统，其中机载飞行系统包括4个螺旋桨、遥控、机调速器、无刷电机装置，机载定位系统包括GPS、里程仪、蓝牙装置；微控制系统对机载传感器装置进行高速A/D采样后，通过卡尔曼滤波器对传感器数据进行补偿和信息融合，得到准确的姿态角度信号，此角度信号再通过PID控制器运算，输出给电子调速转换成PWM信号，进而对机载飞行系统中电机进行控制；

农田信息采集装置包括电子标签，电子标签与其周围分布的土壤信息传感系统以有线或无线方式进行连接。

2.根据权利要求1所述的无人机农田信息采集系统，其特征在于：还包括计算机终端，大型运营服务器将所述信息传送至计算机终端，计算机终端对信息进行分析处理，并作出调控。

3.根据权利要求1所述的无人机农田信息采集系统，其特征在于：电子标签为有源电子标签结构或无源电子标签结构。

4.根据权利要求3所述的无人机农田信息采集系统，其特征在于：有源电子标签内部包括MCU处理器、电源模块、射频通讯模块和天线模块，其中MCU处理器通过电源模块获得能量，被动向土壤信息传感系统以有线或无线方式发出控制信号，从而对土壤信息传感系统的数据信息进行采集，随后MCU处理器控制射频通讯模块驱动天线模块来完成信号的通信，所述数据信息通过无线信号的方式发送至无人机装置。

5.根据权利要求1所述的无人机农田信息采集系统，其特征在于：无人机装置包括无人机稳定飞行控制系统和读写器。

6.根据权利要求5所述的无人机农田信息采集系统，其特征在于：读写器内部包含MCU单元与射频模块，读写器直接和大型运营服务器装置相连接。