CN107920093A - 田间作物一体化智能监控装置 - Google Patents

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夏吉安
杨余旺
陈光炜
韩晨
叶磊
赵康
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Abstract

本发明公开了一种田间作物一体化智能监控装置，装置中的核心控制/显示模块控制整个装置的运行、存储与显示，传感采集模块包含核心控制器和传感器族群，采集作物生长环境的感知信息；图像采集模块包含高清摄像头与步进电机，采集作物实时图像信息；光谱采集模块包含便携式光谱仪和农用便携式一体化光谱装置，采集作物近红外反射或吸收光谱数据，无线局域网模块用于连接田间不同监控节点；太阳能供电模块为监控装置供电。各装置通过USB接口或RS‑232接口与核心控制/显示设备连接，用于显示与存储田间监控信息。本发明集成化的设计方便田间实施与使用，采用工业控制设备，适应各种农业生产环境，成本低并且便于大范围推广。

Description

田间作物一体化智能监控装置
技术领域
本发明属于农业与物联网领域，具体地说，是一种基于传感器与光谱图像的农作物生长环境监测装置。
背景技术
伴随着农业信息化和物联网技术的快速发展，我国农业正处于从传统农业向精准农业发展的过渡阶段。农作物生长环境的实时监控为精准农业环境监测提供了一种有效的解决方法并且为农业研究提供了科学依据。
在目前农业监测中，通常使用传感器采集数据，经过A/D转换以及串行总线传输到计算机中进行监测。传统的田间监测方式单一，不能真正做到大范围监测，另一方面数据监测只针对一些影响农作物生长的环境因子做了监测，而缺少对农作物的生长长势和病虫害的图像以及光谱采集，而作物的光谱图像采集在现代精准农业中具有重要的意义。此外，农业研究是一个长期的过程，需要对常年环境数据进行综合分析研究，而在传统的农业监测中，缺乏长期保存管理这些环境数据的功能。
发明内容
针对目前农业发展的趋势与实际需求，完善目前农业监控领域的不足，本发明提供了一种智能化与集成化的田间作物智能监控系统。通过构建多传感器实时采集作物生长环境的感知信息，实时采集作物的光谱图像信息，并且保存到本地数据库中。通过无线网络连接各个不同的网络监控节点，实现大面积农田精确监控与作物生长环境感知信息的实时采集与保存。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种田间作物一体化智能监控装置，包含核心控制/显示模块、作物传感信息采集模块、作物图像采集模块、作物反射/吸收光谱采集模块、 无线局域网连接模块、太阳能供电模块和上位机管理模块；
核心控制/显示模块，分别与其余模块相连，用于控制整个装置的运行，并进行采集信息的显示和数据的存储；
作物传感信息采集模块，与核心控制/显示模块相连，用于采集田间作物生长环境的信息，并传输到核心控制/显示模块进行显示与存储；
作物图像采集模块，与核心控制/显示模块相连，用于采集田间作物的图像信息，并传输到核心控制/显示模块进行显示与存储；
作物反射/吸收光谱采集模块，与核心控制/显示模块相连，用于采集自然光条件下的田间作物的近红外吸收/反射光谱，光谱信息传输到核心控制/显示模块进行显示与存储；
无线局域网连接模块，与核心控制/显示模块相连，用于组建田间局域网，将不同的监控节点进行网络互联；
太阳能供电模块，与核心控制/显示模块相连，用于向整个装置进行供电；
上位机管理模块，与核心控制/显示模块相连，用于向用户显示整个装置的监控信息，并存储监控信息。
本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）通过采集多种农作物生长环境因素信息，可以对于田间作物生长情况进行全面地监控。（2）通过组建田间无线局域网，可以实施不同监控节点之间的网络通信，实现监控信息共享；同时存储采集到的田间作物信息，为今后的农业研究提供数据支撑。（3）采用集成化的设计以及使用上位机软件控制各个模块进行监控，便于在田间实施，进行扩展。
附图说明
图1 为本发明装置整体结构图。
图2 为传感器组织结构图。
图3 位为监控端软件功能图。
具体实施方式
本发明田间作物一体化智能监控装置，通过实时采集田间作物多方面生长因素信息，对作物的生长环境和病虫害进行实时监控，并对采集的信息进行存储；该装置包括核心控制/显示模块、作物传感信息采集模块、作物图像采集模块、作物反射/吸收光谱采集模块、无线局域网连接模块、太阳能供电模块和上位机管理模块。核心控制/显示模块用于控制整个装置的运行、存储与显示，传感采集模块包含核心控制器和传感器族群，用于采集作物生长环境的感知信息；图像采集模块包含高清摄像头与步进电机，用于采集作物实时图像信息；光谱采集模块包含便携式光谱仪和农用便携式一体化光谱装置，用于采集作物近红外反射或吸收光谱数据，无线局域网模块用于连接田间不同监控节点；太阳能供电模块为监控装置供电。各装置通过USB接口或RS-232接口与核心控制/显示设备连接，用于显示与存储田间监控信息。
更具体地说，本发明装置的系统功能架构上包含：核心控制/显示模块、作物传感信息采集模块、作物图像采集模块、作物反射/吸收光谱采集模块、 无线局域网连接模块、太阳能供电模块和上位机管理模块。
工业控制核心包括：PCM-3362工业控制核心主板，15英寸触摸屏显示器。
数据采集由现场传感器实现。传感器对多个环境要素进行监测，实时采集环境数据。包括空气温湿度传感器、土壤温湿度传感器、光照传感器。
现场传感器使用MSP430作为核心控制器，传感器示意图见说明书附图图2.
MSP430将传感器采集的监测数据，通过RS-232接口传输至PCM-3362核心板。并将传感器采集的数据存入核心主板的SQLServer数据库。
使用720P高清防水摄像头和4相步进电机搭建监控云台，连接核心主板，采集田间作物图像信息，并将采集的图片信息保存至本地数据库。
USB4000 便携式光纤光谱仪连接核心主板，其中光纤连接一端连接光谱仪，一端连接农用便携式一体化光谱装置（申请公布号：CN 104655275 A，发明人：杨余旺，宗精学，赵炜，汪文娟），用于采集作物生长反射和吸收光谱信息，并将采集的光谱信息保存到本地数据库中。
无线局域网模块由大功率无线路由器和无线网卡构成。通过无线网卡和无线路由器组建无线局域网,可以远程登录其他监控节点，实现监控信息的共享。
便携式太阳能发电系统，包含高效单晶太阳能板、免维护蓄电池。
下面结合说明书附图详细说明本发明提出的具体装置的细节及工作情况。
结合图1，硬件：PCM-3362工业控制核心主板采用4个USB接口，2个RS-232串行接口和一个VGA接口。12英寸触摸屏显示器连接工业控制核心主板的VGA接口和USB接口。
并且在工业控制核心主板上安装SQLServer数据库。
传感器使用MSP430作为核心控制器，搭载传感设备。传感器集群结构示意图见说明书附图2。传感器MSP430核心控制器通过RS-232串行接口与控制核心主板连接，用于传输传感器采集的传感数据。AD7705芯片进行模数转换，SHT11为空气温湿度传感器，SHLT-1为土壤温湿度传感器，BH1750为环境光照传感器。
10 Moons摄像头搭载四相步进电机构成监控云台。四相步进电机连接摄像头，控制摄像头转动并连接控制核心主板USB接口。摄像头驱动程序采用C++和Open CV函数库编写，进行田间图像信息的采集。上位机模块控制摄像头的启停、转动以及图像的保存。
USB4000便携式光谱仪通过USB接口连接控制核心主板，光纤接插线一端连接光谱仪，一端连接农用便携式一体化光谱装置，用于采集田间作物光谱信息，并将采集的光谱的数据传输至控制核心主板进行显示与存储。
核心主板的USB接口连接无线网卡，并通过大功率无线路由器用于组建田间无线局域网，将田间不同位置的监控装置利用无线局域网互连，实现信息共享。
太阳能蓄电池提供3路AC/220V和1路DC电路输出，为控制核心主板、无线路由器、触摸屏显示器和传感信息采集模块供电，当太阳能蓄电池电量不足时由外接电源辅助供电。
软件：客户端程序由C++语言编写，传感器集群控制程序由C语言编写。客户端程序功能详见附图3。

Claims (9)

1.一种田间作物一体化智能监控装置，其特征在于：包含核心控制/显示模块、作物传感信息采集模块、作物图像采集模块、作物反射/吸收光谱采集模块、 无线局域网连接模块、太阳能供电模块和上位机管理模块；
核心控制/显示模块，分别与其余模块相连，用于控制整个装置的运行，并进行采集信息的显示和数据的存储；
作物传感信息采集模块，与核心控制/显示模块相连，用于采集田间作物生长环境的信息，并传输到核心控制/显示模块进行显示与存储；
作物图像采集模块，与核心控制/显示模块相连，用于采集田间作物的图像信息，并传输到核心控制/显示模块进行显示与存储；
作物反射/吸收光谱采集模块，与核心控制/显示模块相连，用于采集自然光条件下的田间作物的近红外吸收/反射光谱，光谱信息传输到核心控制/显示模块进行显示与存储；
无线局域网连接模块，与核心控制/显示模块相连，用于组建田间局域网，将不同的监控节点进行网络互联；
太阳能供电模块，与核心控制/显示模块相连，用于向整个装置进行供电；
上位机管理模块，与核心控制/显示模块相连，用于向用户显示整个装置的监控信息，并存储监控信息。
2.根据权利要求1所述的田间作物一体化智能监控装置，其特征在于：核心控制/显示模块包含PCM-3362工业控制主板和12英寸工业触摸屏显示器；工业控制主板提供4个USB接口、2个RS-232串行接口和一个VGA视频接口，用于连接并控制装置其余模块；工业控制主板通过标准1U电源连接太阳能供电模块供电；同时工业控制主板安装SQLServer数据库，用于存储采集的田间环境、作物图像和作物光谱信息；
触摸屏显示器通过一个VGA视频接口和一个USB接口连接工业控制主板，用于向终端用户显示采集与监控信息，用户通过点击触摸屏显示器，查看所需的监控信息；触摸屏显示器通过2芯电源插头连接太阳能供电模块。
3.根据权利要求1所述的田间作物一体化智能监控装置，其特征在于：作物传感信息采集模块采用MSP430作为传感器核心控制器，AD7705芯片进行数模转换，连接空气温湿度传感器（STH 11）、土壤温湿度传感器（AS56-K01）和光照传感器（BH1750）；采集田间温湿度、土壤温湿度和光照强度信息； MSP430控制多种传感器每隔一段时间采集田间环境信息，通过一个RS-232串行接口连接工业控制主板，将采集到的传感信息发送到工业控制主板并在显示器上显示并存储在SQLServer数据库；作物传感信息采集模块通过3芯电源插头连接太阳能供电模块。
4.根据权利要求1所述的田间作物一体化智能监控装置，其特征在于：作物图像采集模块包含720P高清防水摄像头、4相步进电机和8051单片机开发板；摄像头通过USB接口连接工业控制主板，用于田间图像信息采集和供电；4相步进电机连接8051单片机开发板，8051单片机开发板通过RS-232串口连接工业控制主板；在上位机模块中使用C++和Open CV函数编写摄像头驱动程序，使用C语言编写步进电机控制程序，控制步进电机的转动方向与转速，从而控制摄像头的转动；采集的图像信息通过USB接口传输到工业控制主板，进行显示与保存。
5.根据权利要求1所述的田间作物一体化智能监控装置，其特征在于：作物反射/吸收光谱采集模块包含海洋光学USB4000-XR1便携式光谱仪、光纤探头和农用便携式一体化光谱装置，光谱通过USB接口连接工业控制主板，光纤探头一端连接光谱仪，一端连接农用便携式一体化光谱装置，用于采集自然光下田间作物的吸收/反射光谱；在上位机管理模块中调用便携式光谱仪提供的光谱采集编程接口，实现光谱采集和存储，并且在显示器上显示。
6.根据权利要求1所述的一种田间作物一体化智能监控装置，其特征在于：无线局域网模块包括大功率无线路由器和无线网卡；无线网卡通过USB接口连接工业控制主板，通过无线网卡和无线路由器组建无线局域网；可远程登录其他监控节点，实现监控信息的共享；无线路由器通过通过2芯电源插头连接太阳能供电模块。
7.根据权利要求1所述的田间作物一体化智能监控装置，其特征在于：太阳能供电模块包括高效单晶太阳能板和免维护蓄电池；高效单晶太阳能板用于将太阳能转化为电能，免维护蓄电池提供3路AC/220V和1路DC电路输出，当太阳能蓄电池电量不足时由外接电源辅助供电。
8.根据权利要求1或3所述的田间作物一体化智能监控装置，其特征在于：所述MSP430控制多种传感器每隔15秒采集田间环境信息。
9.根据权利要求1或5所述的田间作物一体化智能监控装置，其特征在于：所述光纤探头采集自然光下田间作物的吸收/反射光谱，其波长200nm-1100nm，光学分辨率1.5nm。
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