CN106383522A - 一种基于虚拟现实的田间农情信息实时监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟现实的田间农情信息实时监测系统，包括前端信息感知系统、通讯网络、前端服务器和远程服务器；其中，所述前端信息感知系统包括若干农情信息感知子节点和若干无人机；所述通讯网络包括无线通讯系统、以太网和互联网；所述无人机通过所述无线通讯系统将数据传输至所述农情信息感知子节点，所述农情信息感知子节点之间通过所述以太网将数据传输至所述前端服务器，所述前端服务器通过所述互联网将数据传输至所述远程服务器。本发明将VR技术、无人机遥感、网络技术、数据库技术等应用到农作物的农情监测上来，对农业管理的自动化和信息化都有着积极的意义。
Description
技术领域
本发明属于农情信息监测领域，具体涉及一种基于虚拟现实的田间农情信息实时监测系统。
背景技术
作为一个农业大国，我国农业面临着农业体系庞大、人口不断增长、农产品供给安全等问题。长久以来，农业始终面临着病虫害及水肥不合理等不良因素的影响，轻则危及农田产量及食品安全，重则对粮食安全造成威胁。以国有农场为代表的种植集体，已经开始向农业现代化、农业信息化发展，对农业高新技术的需求已提上日程。传统的农情信息获取依赖于农户亲自去农田观察或者调查队伍进行调查工作，信息获取存在主观性强、成本高、时效性差等缺点，对农业生产的指导缺乏科学性。
近些年来网络技术得到快速发展，将被测区域内所有的节点进行联网，可以实现信息快速灵活的交互，同时实现大面积的覆盖。无人机技术的成熟使得精准农业有了快速的发展，无人机遥感技术克服了卫星遥感技术的成本高、精度低等缺点，在各个行业有着广泛的应用。近年流行的虚拟现实(VR)技术可以提供接近真实场景的观测方式，可以将远程影响直观的呈现在观测者面前。专家系统可以根据目前掌握的数据结合经验、原理做出最科学合理的决策。
发明内容
本发明的目的在于改进和丰富目前的农情监测系统的功能，所主要解决的问题是提供一种基于虚拟现实的田间农情信息实时监测系统。可以实时采集农田环境信息，同时获取农田视频图像信息，通过VR设备与监测人员进行交互，使观测人员以最直观的方式了结农作物最新状态。同时服务器根据子节点上传的数据进行分析和处理得到农作物长势情况、风险评估情况以及对农作物的产量进行合理的预测，然后经过专家系统决策与判定给出科学合理的农业生产指导。
本发明所采用的技术方案：一种基于虚拟现实的田间农情信息实时监测系统，包括前端信息感知系统、通讯网络、前端服务器和远程服务器；其中，所述前端信息感知系统包括若干农情信息感知子节点和若干无人机；所述通讯网络包括无线通讯系统、以太网和互联网；所述无人机通过所述无线通讯系统将数据传输至所述农情信息感知子节点，所述农情信息感知子节点之间通过所述以太网将数据传输至所述前端服务器，所述前端服务器通过所述互联网将数据传输至所述远程服务器。
优选的，所述农情信息感知子节点和所述无人机以六边形蜂窝形状布置在农田内。
优选的，所述农情信息感知子节点包括在同一水平面内布置的三个摄像头，三个摄像头互相之间成120°夹角，使得三个摄像头可以捕捉到360°范围内的图像，同时每个摄像头配有调节俯仰角的一套机构，可以采集在不同角度下农田的图像；所述农情信息感知子节点包括若干传感器；所述农情信息感知子节点包括一套与无人机通讯的无线系统，可以接收无人机发出的视频信号，同时将远程服务器的控制指令转发给无人机；所述农情信息感知子节点包括数据处理设备，将接收到的无人机信号以及自身捕获的视频信号和各传感器采集到的信号进行打包为数据包，然后将数据包经过所述以太网络传输到所述前端服务器，最终由前端服务器将数据包传输到所述远程服务器；所述农情信息感知子节点包括一套无人机停放坞站，所述无人机停放坞站配备一个具有磁力接口的充电装置，在无人机归位时，可以自动吸附无人机的充电接口，给无人机进行自动充电，同时所述无人机停放坞站配备无人机防雨装置，由电动推杆驱动，可以在无人机归位后，电动推杆驱动防雨罩保护无人机，防止雨水侵袭；所述农情信息感知子节点的电源系统包括：太阳能充电板、蓄电池和电源管理系统，在有光照情况下太阳能电池的太阳能充电板产生的电能经过电源管理系统的整流稳压向蓄电池充电，没有光照时，所述农情信息感知子节点的电能由蓄电池供给。
优选的，所述无人机包括一套双目摄像头，用于模拟人的视觉采集两个角度的图像信息；所述无人机包括一套3轴云台，使摄像头进行三个方向的旋转运动；所述无人机包括一套无线通讯设备，用来发送视频信号以及接收远程遥控信息；所述无人机包括一套控制装置，可以将头部VR设备的运动转化成无人机飞行姿态；所述无人机还包括一个具有磁力接口的充电接口，可以使所述无人机返航到所述无人机停放坞站进行自动充电。
优选的，每个所述农情信息感知子节点配备一套无线收发装置，每个无人机配备一套无线收发装备，所述无人机与所述农情信息感知子节点组成所述无线网络，无人机之间通过连接进行数据交换，同时无人机可以根据任意三个所述农情信息感知子节点确定位置，实现返航定位。
优选的，所述以太网包括服务器、网关、路由器、中继器，所有的农情信息感知子节点通过中继器连接到前端服务器的路由器以及网关，组成一个基于Ethernet的局域网，所有的数据汇总传输到前端服务器；前端服务器通过互联网连接，前端服务器将各农情信息感知子节点以及无人机获取的数据通过Internet传输到远程服务器。
优选的，所述远程服务器包括VR操作平台、数据处理模块、数据库和专家系统；所述的VR操作平台包括头戴式VR设备、手持式操作手柄和农情信息监测远程登陆平台；监测人员可以通过远程服务器的农情信息监测远程登陆平台的登陆界面登陆到农情监测系统，然后通过佩戴的头戴式VR设备以及手持式操作手柄，操作无人机的飞行，以及进行不同农情信息感知子节点之间图像的切换，同时采集到的视频信号经过数据处理模块处理后，通过头戴式VR设备成像后展现在监测人员眼前；所述的数据处理模块可以将采集的图像信息进行拼接、识别，计算农作物行距数据、株距数据、叶绿素含量数据、长势情况数据和病虫害情况数据，同时可以将传感器采集的数据进行融合，判断农田环境基本情况；所述的专家系统可以将所有的数据进行融合形成数据库，结合农作物种类，历年环境变化做出目前的农田工作坐车决策，预测农作物长势以及产量。
优选的，所述的农情信息感知子节点可以设置为周期性的进入低功耗模式、一直保持正常工作模式以及夜间关闭摄像头模式；进入低功耗模式时，此时农情信息感知子节点只保留基础的通讯功能，摄像头以及各传感器停止工作，以节约电源消耗；夜间关闭摄像头模式时，只保留各传感器一直或间歇工作，但是如果有无人机在无人机停放坞站内充电，首先保证无人机的充电功能，一旦蓄电池电压过低，同时太阳能电池又不能及时给电池充电，设备自动进入低功耗模式，同时会将信息反馈至远程服务器，提示此节点处于离线状态；同时所述的农情信息感知子节点具有故障自检的功能，如果某路视频信号断开或者某路传感器信号断开以及某路传感器读数超出正常范围，其数据处理模块会生成一个故障代码发送至远程服务器，远程服务器接收到故障代码后会解析出是哪一个子节点的哪个传感器发生了故障，同时产生一个报警信号提示监测人员，方便维护人员进行设备的维护。
优选的，所述无人机包括双目摄像头、三轴云台、运动控制装置、无线通讯设备和磁力充电接口；其中双目摄像头采集视频或图像信号经过编码后由机载的以太网将信号发送到与之建立连接的农情信息感知子节点，同时由VR设备发出的控制指令经由农情信息感知子节点发送给无人机，经过无人机的运动控制装置来控制无人机的上升，下降，俯仰动作，由控制手柄发出的控制指令经由农情信息感知子节点发送给无人机，经过无人机的运动控制装置来控制摄像头在三轴云台的三个轴方向上的转动；无人机的无线通讯设备可以和与之最近的三个农情信息感知子节点交互，然后确定自身相对于最近的农情信息感知子节点的位置，方便完成返航动作；无人机返航后，停放在农情信息感知子节点上面的无人机坞站内，然后无人机装备的磁力充电接口可以和无人机坞站内的磁力接口完成自动对接，进行充电。
优选的，所述传感器为：温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、风速传感器、风向传感器、降雨量传感器，土壤水分传感器、土壤电导率传感器和土壤温度传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将VR虚拟现实技术、无人机技术、网络技术、IT技术、专家系统等技术结合在一起，设计出一套实时采集农田环境信息和农田影像，同时远程监控农情信息并结合专家系统做出科学合理的农业生产决策的农情监测系统，对于农业生产的信息化和智能化具有重要意义。
附图说明
图1是本发明一种基于虚拟现实的田间农情实时监测系统的系统架构图；
图2为农情信息感知子节点结构示意图；
图3为无人机示意图；
图4为农情信息感知子节点在农田内的布置图；
图5为农情信息感知子节点以及无人系统架构图；
图6为通讯网络拓扑结构图；
图7为远程服务器功能框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
如图1-7所示，一种基于虚拟现实的田间农情信息实时监测系统，包括前端信息感知系统、通讯网络、前端服务器和远程服务器；其中，所述前端信息感知系统包括若干农情信息感知子节点和若干无人机点；所述通讯网络包括无线通讯系统、以太网和互联网；所述无人机通过所述无线通讯系统将数据传输至所述所述农情信息感知子节点，所述农情信息感知子节点之间通过所述以太网将数据传输至所述前端服务器，所述前端服务器通过所述互联网将数据传输至所述远程服务器。
在本发明的具体技术方案中，所述农情信息感知子节点和所述无人机以六边形蜂窝形状布置在农田内。
在本发明的具体技术方案中，所述农情信息感知子节点包括在同一水平面内布置的三个摄像头，三个摄像头互相之间成120°夹角，使得三个摄像头可以捕捉到360°范围内的图像，同时每个摄像头配有调节俯仰角的一套机构，可以采集在不同角度下农田的图像；所述农情信息感知子节点包括若干传感器；所述农情信息感知子节点包括一套与无人机通讯的无线系统，可以接收无人机发出的视频信号，同时将远程服务器的控制指令转发给无人机；所述农情信息感知子节点包括数据处理设备，将接收到的无人机信号以及自身捕获的视频信号和各传感器采集到的信号进行打包为数据包，然后将数据包经过所述以太网络传输到所述前端服务器，最终由前端服务器将数据包传输到所述远程服务器；所述农情信息感知子节点包括一套无人机停放坞站，所述无人机停放坞站配备一个具有磁力接口的充电装置，在无人机归位时，可以自动吸附无人机的充电接口，给无人机进行自动充电，同时所述无人机停放坞站配备无人机防雨装置，由电动推杆驱动，可以在无人机归位后，电动推杆驱动防雨罩保护无人机，防止雨水侵袭；所述农情信息感知子节点的电源系统包括：太阳能充电板、蓄电池和电源管理系统，在有光照情况下太阳能电池的太阳能充电板产生的电能经过电源管理系统的整流稳压向蓄电池充电，没有光照时，所述农情信息感知子节点的电能由蓄电池供给。
在本发明的具体技术方案中，所述无人机包括一套双目摄像头，用于模拟人的视觉采集两个角度的图像信息；所述无人机包括一套3轴云台，使摄像头进行三个方向的旋转运动；所述无人机包括一套无线通讯设备，用来发送视频信号以及接收远程遥控信息；所述无人机包括一套控制装置，可以将头部VR设备的运动转化成无人机飞行姿态；所述无人机还包括一个具有磁力接口的充电接口，可以使所述无人机返航到所述无人机停放坞站进行自动充电。
在本发明的具体技术方案中，每个所述农情信息感知子节点配备一套无线收发装置，每个无人机配备一套无线收发装备，所述无人机与所述农情信息感知子节点组成所述无线网络，无人机之间通过连接进行数据交换，同时无人机可以根据任意三个所述农情信息感知子节点确定位置，实现返航定位。
在本发明的具体技术方案中，所述以太网包括服务器、网关、路由器、中继器，所有的农情信息感知子节点通过中继器连接到前端服务器的路由器以及网关，组成一个基于Ethernet的局域网，所有的数据汇总传输到前端服务器；前端服务器通过互联网连接，前端服务器将各农情信息感知子节点以及无人机获取的数据通过Internet传输到远程服务器。
在本发明的具体技术方案中，所述远程服务器包括VR操作平台、数据处理模块、数据库和专家系统；所述的VR操作平台包括头戴式VR设备、手持式操作手柄和农情信息监测远程登陆平台；监测人员可以通过远程服务器的农情信息监测远程登陆平台的登陆界面登陆到农情监测系统，然后通过佩戴的头戴式VR设备以及手持式操作手柄，操作无人机的飞行，以及进行不同农情信息感知子节点之间图像的切换，同时采集到的视频信号经过数据处理模块处理后，通过头戴式VR设备成像后展现在监测人员眼前；所述的数据处理模块可以将采集的图像信息进行拼接、识别，计算农作物行距数据、株距数据、叶绿素含量数据、长势情况数据和病虫害情况数据，同时可以将传感器采集的数据进行融合，判断农田环境基本情况；所述的专家系统可以将所有的数据进行融合形成数据库，结合农作物种类，历年环境变化做出目前的农田工作坐车决策，预测农作物长势以及产量。
在本发明的具体技术方案中，所述的农情信息感知子节点可以设置为周期性的进入低功耗模式、一直保持正常工作模式以及夜间关闭摄像头模式；进入低功耗模式时，此时农情信息感知子节点只保留基础的通讯功能，摄像头以及各传感器停止工作，以节约电源消耗；夜间关闭摄像头模式时，只保留各传感器一直或间歇工作，但是如果有无人机在无人机停放坞站内充电，首先保证无人机的充电功能，一旦蓄电池电压过低，同时太阳能电池又不能及时给电池充电，设备自动进入低功耗模式，同时会将信息反馈至远程服务器，提示此节点处于离线状态；同时所述的农情信息感知子节点具有故障自检的功能，如果某路视频信号断开或者某路传感器信号断开以及某路传感器读数超出正常范围，其数据处理模块会生成一个故障代码发送至远程服务器，远程服务器接收到故障代码后会解析出是哪一个子节点的哪个传感器发生了故障，同时产生一个报警信号提示监测人员，方便维护人员进行设备的维护。
在本发明的具体技术方案中，所述无人机包括双目摄像头、三轴云台、运动控制装置、无线通讯设备和磁力充电接口；其中双目摄像头采集视频或图像信号经过编码后由机载的以太网将信号发送到与之建立连接的农情信息感知子节点，同时由VR设备发出的控制指令经由农情信息感知子节点发送给无人机，经过无人机的运动控制装置来控制无人机的上升，下降，俯仰动作，由控制手柄发出的控制指令经由农情信息感知子节点发送给无人机，经过无人机的运动控制装置来控制摄像头在三轴云台的三个轴方向上的转动；无人机的无线通讯设备可以和与之最近的三个农情信息感知子节点交互，然后确定自身相对于最近的农情信息感知子节点的位置，方便完成返航动作；无人机返航后，停放在农情信息感知子节点上面的无人机坞站内，然后无人机装备的磁力充电接口可以和无人机坞站内的磁力接口完成自动对接，进行充电。
在本发明的具体技术方案中，所述传感器为：温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、风速传感器、风向传感器、降雨量传感器，土壤水分传感器、土壤电导率传感器和土壤温度传感器。
实施例二
如图1-7所示，本发明提供了一种基于虚拟现实的田间农情信息实时监测系统，技术方案包括：
由无人机和农情信息感知子节点组成的前端信息感知系统采集农田的视频图像信号以及农田环境信息，并且将这些信息封装为数据包通过通讯网络传送到远程服务器。
远程服务器接收到由前端信息感知系统的数据包之后进行解包，解析出农田视频图像信息和环境信息，然后远程数据处理模块对图像、传感器信号进行处理，处理的结果保存到数据库中。
在监测人员登录农情信息监测系统时，数据处理模块将目标的图像或视频信号处理后发送到VR设备，并且接收VR设备和手持式手柄的操作指令，然后将指令进行编码，最后将编码后的操作指令传递到农情信息感知子节点和无人机。
所述的无人机节点装备有双目摄像头、三轴云台、运动控制装置、无线通讯设备、磁力充电接口。其中双目摄像头采集视频或图像信号经过编码后由机载的无线通讯设备将信号发送到与之建立连接的农情信息感知子节点，同时由VR设备发出的控制指令经由农情信息感知子节点发送给无人机，经过无人机的运动控制装置来控制无人机的上升，下降，俯仰等动作，由控制手柄发出的控制指令经由农情信息感知子节点发送给无人机，经过无人机的运动控制装置来控制摄像头云台在三个轴方向上的转动。无人机的无线通讯设备可以和与之最近的三个农情信息感知子节点交互，然后确定自身相对于最近的农情信息感知子节点的位置，方便完成返航动作。无人机返航后，停放在农情信息感知子节点上面的无人机坞站内，然后无人机装备的磁力充电接口可以和坞站内的磁力接口完成自动对接，进行充电。
所述的农情信息感知子节点互相之间呈六边形蜂窝状排列，其六边形的边长与无人机的续航距离和无线网络的传输距离相关，在初次选定无人机型号以及无线方案时，确定无人机安全巡航半径，然后根据巡航半径布置农情信息感知子节点，最后对于特大型农场，可以根据农场面积均匀分布若干台无人机。
所述的农情信息感知子节点包括在同一平面内相隔120°布置的三个摄像头，并且每个摄像头配有一个由电机驱动的可以调节摄像头俯仰角的装置。三个摄像头可以采集360°视野范围的视频图像信息，通过调节摄像头的俯仰角达到调整拍摄角度的功能。
所述的农情信息感知子节点装备可以测量一下物理量的传感器：空气温度、空气湿度、风速、风向、光照强度、降雨量、土壤水分、土壤电导率、土壤温度。
所述的农情信息感知子节点的数据处理设备可以将视频图像信息进行编码和打包，将各传感器的电压或电流信号进行采样，并转换为数字量然后进行打包。
所述的农情信息感知子节点的网关设备将摄像头捕获的数据包和传感器的数据包通过有线局域网络传递到前端服务器，然后前端服务器将所有的数据包由Internet网络传递到远程服务器。同时农情信息感知子节点的网关设备无人机发出的无线信号转发到前端服务器，最终到远程服务器，然后将远程服务器发出的控制指令通过无线转发给无人机，达到有线、无线网络的融合。
所述的农情信息感知子节点安装一个供无人机停放的坞站，坞站由停放平台、磁力充电接口、防护罩、防护罩驱动装置组成。无人机接收到远程服务器的指令执行拍摄工作是从坞站出发，执行完拍摄任务后返回最近的一个坞站进行充电。在无人机起飞和返航时，由电动推杆驱动防护罩打开和关闭。
所述的农情信息感知子节点装备有太阳能电池、蓄电池、电源管理系统。每个子节点的用电量经过计算后确定选用太阳能电池的功率。在晴朗的天气，太阳能电池产生的电能经过电源管理系统的整流稳压用来给蓄电池充电，此时当蓄电池电量充满时，太阳能产生的电能供给子节点的摄像头和传感器使用。若是光照不足产生的电能不能够驱动摄像头和字节点工作，则自动切换到蓄电池供电。无人机的充电由蓄电池来提供。
所述的农情信息感知子节点所安装的控制器可以按照远程服务器的指令设置为周期性的进入低功耗模式、一直保持正常工作模式以及夜间关闭摄像头模式。进入低功耗模式时，此时子节点只保留基础的通讯功能，摄像头以及各传感器停止工作，以节约电源消耗。夜间关闭摄像头模式，只保留各传感器一直或间歇工作。但是如果有无人机在坞站内充电，首先保证无人机的充电功能。一旦蓄电池电压过低，同时太阳能电池又不能及时给电池充电，设备自动进入低功耗模式，同时会将信息反馈至远程服务器，提示此节点处于离线状态。
所述的农情信息感知子节点具有故障自检的功能，如果某路视频信号断开或者某路传感器信号断开以及某路传感器读数超出正常范围，其数据处理模块会生成一个故障代码发送至远程服务器，远程服务器接收到故障代码后会解析出是哪一个子节点的哪个传感器发生了故障，同时产生一个报警信号提示监测人员，方便维护人员进行设备的维护。
所述的农情信息感知子节点装备一套无线通讯设备和无人机进行通讯，其控制器可以将无线网关的数据转发到有线网关，然后将数据发送到远程服务器，实现无线网络和有线网络的互联。
所述的通讯网络由:前端服务器、路由器、网关、中继器、农情信息感知子节点网关组成。各个农情信息感知子节点的网关连接到中继器，中继器能够实现扩大网络范围的作用，使在较大距离内解决网络信号衰减的问题，然后所有的中继器连接到网关和路由器，前端服务器和路由器连接，前端服务器将所有子节点以及无人机的数据包进行整合，通过Internet网络传输到远程服务器。同时从远程服务器发出的控制指令经过前端服务器处理后，发送到相应的子节点和无人机。
所述的远程服务器包括，VR远程操作平台、数据处理系统、数据库系统、专家系统。
其中VR远程操作平台包括登录客户端、VR设备、操作手柄。监测人员在登录客户端输入用户名和密码进入农情监测系统，然后佩戴VR设备。手柄可以控制：切换不同子节点之间的图像、切换无人机与子节点之间的图像，控制无人机起飞与返航、控制无人机装备的三轴云台的运动。子节点采集到的图像以及无人采集到的图像，经过远程服务器数据处理模块处理后通过VR设备展现在监测人员眼前，可以让监测人员达到身临其境的感觉。VR设备上装备一个陀螺仪，监测人员通过头部的运动，来控制无人机的爬升、俯仰、旋转灯动作。
其中数据处理系统可以将接收到的数据包进行解包，解析后得到视频图像信号，将得到的图像信号进行拆分或拼接，然后可以根据图像信息获得农作物行距、株距、叶片密度、叶绿素含量等信息。同时可以将各传感器的信号进行整合。将所有的图像数据、处理结果、传感器数据、时间信息保存到远程数据库中。
其中专家系统从数据库中读取农田数据，然后根据记录以及农作物信息，对农田内单位产量进行预估，同时结合环境信息以及历年气候变化对农业生产进行科学性的建议决策。
实施例三
本实施例以水稻田的农情信息监测为例，图1展示了此系统的架构图，包括无人机、农情信息感知子节点、以太网、前端服务器、Internet和远程服务器。无人机和农情信息感知子节点被部署在农田内。由无人机采集的视频图像信号由无线网络传送到农情信息感知子节点，农情信息感知子节点接收的无人机信号和自身采集的视频图像信号以及传感器信号经过一个AD转换，由其内部的网关经过以太网传送到前端服务器，前端服务器通过Internet与远程服务器建立连接，将农田内采集的数据发送到远程服务器。同时远程服务器发出的控制指令由Internet传输到前端服务器，然后前端服务器根据指令的内容发送到农情信息感知子节点，农情信息感知子节点通过无线网络将控制无人机的指令发送到无人机。
所述的农情信息感知子节点如图2所示，包含有控制盒201，控制盒内装备无线模块202、电源管理模块、电池、网关等，摄像头203，摄像头调节装置204，风速监测传感器206，无人机停放坞站207，太阳能电池208，风向传感器209，空气温度传感器210，空气湿度传感器211，运行指示灯212。
所述的无人机系统如图3所示，包含有双目摄像头301，三轴云台302，无线模块303。
如图2和图3所示农情信息感知子节点部署一套无人机停放坞站207，无人机可以根据需要停放在任意一个农情信息感知子节点的无人机停放坞站207，无人机在执行监测任务时，接收到远程服务器的指令，从无人机停放坞站207起飞，在完成监测任务时或者需要充电时，飞向距其最近的无人机停放坞站207进行停放和充电。
如图4所示，所有的农情信息感知子节点互相布置为六边形的蜂窝状结构，农情信息感知子节点在每个六边形的顶点布置，六边形的边长由初次选定的无人机续航水平和通信半径来确定。
如图5所示农情信息感知子节点和无人机系统的架构示意图，农情信息感知子节点和无人机的电能消耗由太阳能电池208进行提供。在晴朗的天气，太阳能电池208产生的电能经过电源管理模块的整流稳压用来给蓄电池充电，此时当蓄电池电量充满时，太阳能产生的电能供给农情信息感知子节点的用电设备使用。若是光照不足产生的电能不能够驱动农情信息感知子节点的设备工作，则自动切换到蓄电池供电。为了保证对无人机的充电电流，无人机停放坞站的充电由蓄电池来提供。
农情信息感知子节点可以将自身采集的视频图像信息进行编码和打包；将各传感器的电压或电流信号进行采样，然后经过AD转换为数字信号进行打包；然后将由无线模块202接收到无人机的数据包、自身采集的视频图像数据包以及传感器数据包传递到网关，然后由网关发送到前端服务器，然后前端服务器汇总所有的农情信息感知子节点数据包通过互联网发送到远程服务器。
农情信息感知子节点具有故障自检的功能，如果某路视频信号断开或者某路传感器信号断开以及某路传感器读数超出正常范围，其数据处理模块会生成一个故障代码发送至远程服务器，远程服务器接收到故障代码后会解析出是哪一个农情信息感知子节点的哪个传感器发生了故障，同时产生一个报警信号提示监测人员，方便维护人员进行设备的维护。
图6所示通讯网络的拓扑结构，整个系统采用星形的网络拓扑结构，无人机和农情信息感知子节点采用无线通讯。农情信息感知子节点内部网关转发无人机的数据包，同时上传自身的数据包，网关和中继器相连接，中继器主要用来增加有线网络的通讯距离，方便在面积较大的农田内使用。前端服务器接收所有农情信息感知子节点的数据，并且有互联网访问权限，前端服务器与远程服务器建立连接，将各农情信息感知子节点和无人机的数据上传至远程服务器，同时将远程服务器的指令下达给各农情信息感知子节点和无人机。
图7所示，远程服务器包括数据处理模块、VR控制台、数据库、专家系统。监测人员在登录客户端输入用户名和密码进入农情监测系统，然后佩戴VR设备。手柄可以控制：切换不同农情信息感知子节点之间的图像、切换无人机与农情信息感知子节点之间的图像，控制无人机起飞与返航、控制无人机装备的三轴云台302的运动。农情信息感知子节点采集到的图像以及无人机采集到的图像，经过远程服务器系统的数据处理模块处理后通过VR设备和VR控制台展现在监测人员眼前，可以让监测人员达到身临其境的感觉。VR设备上装备一个陀螺仪，监测人员通过头部的运动，来控制无人机的爬升、俯仰、旋转灯动作。
其中数据处理模块可以将接收到的数据包进行解包，解析后得到视频图像信号，将得到的图像信号进行拆分或拼接，然后可以根据图像信息获得农作物行距、株距、叶片密度、叶绿素含量等信息。数据处理模块同时还可以将各传感器的信号进行整合，最后将所有的图像数据、处理结果、传感器数据、时间信息保存到数据库系统中。
其中专家系统从数据库系统中读取农田数据，然后根据记录以及农作物信息，对农田内单位产量进行预估，同时结合环境信息以及历年气候变化对农业生产进行科学性的建议决策，从而实现农业生产指导。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于虚拟现实的田间农情信息实时监测系统，其特征在于：包括前端信息感知系统、通讯网络、前端服务器和远程服务器；其中，所述前端信息感知系统包括若干农情信息感知子节点和若干无人机；所述通讯网络包括无线通讯系统、以太网和互联网；所述无人机通过所述无线通讯系统将数据传输至所述农情信息感知子节点，所述农情信息感知子节点之间通过所述以太网将数据传输至所述前端服务器，所述前端服务器通过所述互联网将数据传输至所述远程服务器。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的田间农情信息实时监测系统，其特征在于：所述农情信息感知子节点和所述无人机以六边形蜂窝形状布置在农田内。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的田间农情信息实时监测系统，其特征在于：所述农情信息感知子节点包括在同一水平面内布置的三个摄像头，三个摄像头互相之间成120°夹角，使得三个摄像头可以捕捉到360°范围内的图像，同时每个摄像头配有调节俯仰角的一套机构，可以采集在不同角度下农田的图像；所述农情信息感知子节点包括若干传感器；所述农情信息感知子节点包括一套与无人机通讯的无线系统，可以接收无人机发出的视频信号，同时将远程服务器的控制指令转发给无人机；所述农情信息感知子节点包括数据处理设备，将接收到的无人机信号以及自身捕获的视频信号和各传感器采集到的信号进行打包为数据包，然后将数据包经过所述以太网络传输到所述前端服务器，最终由前端服务器将数据包传输到所述远程服务器；所述农情信息感知子节点包括一套无人机停放坞站，所述无人机停放坞站配备一个具有磁力接口的充电装置，在无人机归位时，可以自动吸附无人机的充电接口，给无人机进行自动充电，同时所述无人机停放坞站配备无人机防雨装置，由电动推杆驱动，可以在无人机归位后，电动推杆驱动防雨罩保护无人机，防止雨水侵袭；所述农情信息感知子节点的电源系统包括：太阳能电池、蓄电池和电源管理系统，在有光照情况下太阳能电池的太阳能电池产生的电能经过电源管理系统的整流稳压向蓄电池充电，没有光照时，所述农情信息感知子节点的电能由蓄电池供给。
4.根据权利要求3所述的一种基于虚拟现实的田间农情信息实时监测系统，其特征在于：所述无人机包括一套双目摄像头，用于模拟人的视觉采集两个角度的图像信息；所述无人机包括一套3轴云台，使摄像头进行三个方向的旋转运动；所述无人机包括一套无线通讯设备，用来发送视频信号以及接收远程遥控信息；所述无人机包括一套控制装置，可以将头部VR设备的运动转化成无人机飞行姿态；所述无人机还包括一个具有磁力接口的充电接口，可以使所述无人机返航到所述无人机停放坞站进行自动充电。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的田间农情信息实时监测系统，其特征在于：每个所述农情信息感知子节点配备一套无线收发装置，每个无人机配备一套无线收发装备，所述无人机与所述农情信息感知子节点组成所述无线网络，无人机之间通过连接进行数据交换，同时无人机可以根据任意三个所述农情信息感知子节点确定位置，实现返航定位。
6.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的田间农情信息实时监测系统，其特征在于：所述以太网包括服务器、网关、路由器、中继器，所有的农情信息感知子节点通过中继器连接到前端服务器的路由器以及网关，组成一个基于Ethernet的局域网，所有的数据汇总传输到前端服务器；前端服务器通过互联网连接，前端服务器将各农情信息感知子节点以及无人机获取的数据通过Internet传输到远程服务器。
7.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的田间农情信息实时监测系统，其特征在于：所述远程服务器包括VR操作平台、数据处理模块、数据库和专家系统；所述的VR操作平台包括头戴式VR设备、手持式操作手柄和农情信息监测远程登陆平台；监测人员可以通过远程服务器的农情信息监测远程登陆平台的登陆界面登陆到农情监测系统，然后通过佩戴的头戴式VR设备以及手持式操作手柄，操作无人机的飞行，以及进行不同农情信息感知子节点之间图像的切换，同时采集到的视频信号经过数据处理模块处理后，通过头戴式VR设备成像后展现在监测人员眼前；所述的数据处理模块可以将采集的图像信息进行拼接、识别，计算农作物行距数据、株距数据、叶绿素含量数据、长势情况数据和病虫害情况数据，同时可以将传感器采集的数据进行融合，判断农田环境基本情况；所述的专家系统可以将所有的数据进行融合形成数据库，结合农作物种类，历年环境变化做出目前的农田工作坐车决策，预测农作物长势以及产量。
8.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的田间农情信息实时监测系统，其特征在于：所述的农情信息感知子节点可以设置为周期性的进入低功耗模式、一直保持正常工作模式以及夜间关闭摄像头模式；进入低功耗模式时，此时农情信息感知子节点只保留基础的通讯功能，摄像头以及各传感器停止工作，以节约电源消耗；夜间关闭摄像头模式时，只保留各传感器一直或间歇工作，但是如果有无人机在无人机停放坞站内充电，首先保证无人机的充电功能，一旦蓄电池电压过低，同时太阳能电池又不能及时给电池充电，设备自动进入低功耗模式，同时会将信息反馈至远程服务器，提示此节点处于离线状态；同时所述的农情信息感知子节点具有故障自检的功能，如果某路视频信号断开或者某路传感器信号断开以及某路传感器读数超出正常范围，其数据处理模块会生成一个故障代码发送至远程服务器，远程服务器接收到故障代码后会解析出是哪一个子节点的哪个传感器发生了故障，同时产生一个报警信号提示监测人员，方便维护人员进行设备的维护。
9.根据权利要求1所述的一种基于虚拟现实的田间农情信息实时监测系统，其特征在于：所述无人机包括双目摄像头、三轴云台、运动控制装置、无线通讯设备和磁力充电接口；其中双目摄像头采集视频或图像信号经过编码后由机载的以太网将信号发送到与之建立连接的农情信息感知子节点，同时由VR设备发出的控制指令经由农情信息感知子节点发送给无人机，经过无人机的运动控制装置来控制无人机的上升，下降，俯仰动作，由控制手柄发出的控制指令经由农情信息感知子节点发送给无人机，经过无人机的运动控制装置来控制摄像头在三轴云台的三个轴方向上的转动；无人机的无线通讯设备可以和与之最近的三个农情信息感知子节点交互，然后确定自身相对于最近的农情信息感知子节点的位置，方便完成返航动作；无人机返航后，停放在农情信息感知子节点上面的无人机坞站内，然后无人机装备的磁力充电接口可以和无人机坞站内的磁力接口完成自动对接，进行充电。
10.根据权利要求4所述的一种基于虚拟现实的田间农情信息实时监测系统，其特征在于：所述传感器为：温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器、风速传感器、风向传感器、降雨量传感器，土壤水分传感器、土壤电导率传感器和土壤温度传感器。
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