CN112683336A - 一种基于3d摄像头的水土保持在线监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于3D摄像头的水土保持在线监测装置，包括立杆、3D摄像头测距模块、位置调整装置、土壤水分传感器、数据采集发送电路模块、无线传输模块和电源；3D摄像头测距模块包括控制处理集成模块、激光器和光电探测器，控制处理集成模块与数据采集发送电路模块电连接；位置调整装置包括第一转动模块和第二转动模块，第一转动模块包转盘和第一电机，第一电机设置于立杆的顶端，其输出轴与转盘的轴心固定连接，第二转动模块包括支架、转轴和第二电机，支架设置于转盘的外沿，转轴与支架转动连接，第二电机设置于支架上与转轴的轴心连接，3D摄像头测距模块设置于转轴上，且第一电机和第二电机均与控制处理集成模块电连接；土壤水分传感器、无线传输模块和电源均与数据采集发送电路模块电连接。

Description

一种基于3D摄像头的水土保持在线监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于3D摄像头的水土保持在线监测装置及监测方法，属于水土保持监测技术领域。

背景技术

近年来国家提出大力推进水土保持监测信息化；积极利用现代新技术和仪器设备，以及卫星遥感和无人机等先进手段，实现监测数据获取、传输和处理的自动化。充分利用信息技术，提高水土保持监测能力和水平。

传统的水土保持监测工作需要工作人员定期到达现场进行人工测量，这意味着每次需要携带大量的监测仪器，而且人工测量不可避免的存在诸多不确定性因素，严重影响检测结果的准确性。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于3D摄像头的水土保持在线监测装置，用以监测水土流失因子和水土流失状况。

本发明的技术方案如下：

技术方案一：

一种基于3D摄像头的水土保持在线监测装置，包括立杆、3D摄像头测距模块、位置调整装置、土壤水分传感器、数据采集发送电路模块、无线传输模块和电源；所述3D摄像头测距模块包括控制处理集成模块以及与所述控制处理集成模块电连接的激光器和光电探测器，所述控制处理集成模块与所述数据采集发送电路模块电连接；所述位置调整装置包括第一转动模块和第二转动模块，所述第一转动模块包转盘和第一电机，所述第一电机固定设置于所述立杆的顶端，其输出轴向上设置并与所述转盘的轴心固定连接，所述第二转动模块包括支架、转轴和第二电机，所述支架固定设置于所述转盘的外沿，所述转轴设置于所述支架远离所述转盘的一端且与所述支架转动连接，所述第二电机固定设置于所述支架上，且其输出轴与所述转轴的轴心固定连接，所述3D摄像头测距模块固定设置于所述转轴上，且所述第一电机和第二电机均与所述控制处理集成模块电连接；所述土壤水分传感器设置于土壤内并与所述所述数据采集发送电路模块电连接；所述无线传输模块和电源均与所述数据采集发送电路模块电连接。

进一步的，所述立杆上还固定设置有复数个悬臂，各所述悬臂上分别设置有与所述数据采集发送电路模块电连接的雨量传感器、风速传感器、风向传感器和温湿度传感器；所述无线传输模块和电源均分别设置于一所述悬臂上。

进一步的，一所述悬臂上还设置有与所述数据采集发送电路模块电连接的视频监控模块。

进一步的，所述无线传输模块为4G无线传输天线模块或5G无线传输天线模块。

进一步的，所述电源为太阳能模块。

进一步的，所述立杆的底部固定设置有地钉结构，所述地钉结构的底部设置有倒爪。

技术方案二：

一种基于3D摄像头的水土保持在线监测方法，基于技术方案一所述的一种基于3D摄像头的水土保持在线监测装置实现，包括以下步骤：

将所述立杆通过地钉结构插入泥土中，将立杆紧固设置在需要监测的地方；同时将土壤水分传感器埋入地底；

确定初始状态，所述控制处理集成模块控制所述激光器发出激光，激光传播到被测点后返回，由所述光电探测器接收并传输至控制处理集成模块，控制处理集成模块根据发射光和接收光之间的相位变化计算D摄像头测距模块与被测点之间的距离；控制所述第一电机和第二电机转动，以调整所述3D摄像头测距模块的位置，测量以立杆为中心周围的土地上复数个监测点与D摄像头测距模块之间的初始距离；所述控制处理集成模块将各监测点与D摄像头测距模块之间的初始距离发送至所述数据采集发送电路模块，同时数据采集发送电路模块获取土壤水分传感器测得的初始土壤水分数据，并通过无线传输模块将初始距离数据和初始土壤水分数据发送至远程监控中心；

实时监测，所述控制处理集成模块控制所述第一电机、第二电机和激光器循环动作，以循环获取各监测点的与所述3D摄像头测距模块之间的实时距离并发送至数据采集发送电路模块；同时，数据采集发送电路模块还实时获取所述土壤水分传感器采集的实时土壤水分数据、雨量传感器采集的实时雨量数据、风速传感器采集的实时风速数据、风向传感器采集的实时风向数据、温湿度传感器采集的实时温湿度数据以及所述视频监控模块采集的实时视频数据，并通过无线传输模块将上述实时数据发送至远程监控端；远程监控中心根据初始距离数据和实时距离数据之间的差值计算土壤的厚度流失情况，通过初始土壤水分数据和实时土壤水分数据计算土壤的水分流失情况。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明一种基于3D摄像头的水土保持在线监测装置，通过3D摄像头测距模块和位置调整装置可以覆盖极大的监测区域，提高的监测效率，节省了人力、物力、财力。

2、本发明一种基于3D摄像头的水土保持在线监测装置，设置有带倒爪的地钉，提高立杆的稳固性。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中3D摄像头测距模块和位置调整装置的结构示意图；

图3为本发明实施例中悬臂部分的结构示意图；

图4为本发明实施例中地钉的结构示意图；

图5为本发明实施例中的电路原理框图；

图6为本发明实施例中通过激光器和光电探测器测量光波相位的原理图。

附图说明：

1、立杆；10、地钉结构；11、雨量传感器；12、风速传感器；13、风向传感器；14、温湿度传感器；15、视频监控模块；2、3D摄像头测距模块；21、激光器；22、光电探测器；23、控制处理集成模块；3、位置调整装置；311、转盘；312、第一电机；313、支架；314、转轴；315、第二电机；4、土壤水分传感器；5、数据采集发送电路模块；6、无线传输模块；7、电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

实施例一：

参见图1至图6，一种基于3D摄像头的水土保持在线监测装置，包括立杆1、3D摄像头测距模块2、位置调整装置3、土壤水分传感器4、数据采集发送电路模块5、无线传输模块6和电源7；本实施例中，数据采集发送电路模块5可以是51单片机。

所述3D摄像头测距模块2设置于所述立杆1的顶端，其包括控制处理集成模块23以及与所述控制处理集成模块23电连接的激光器21和光电探测器22，所述控制处理集成模块23与所述数据采集发送电路模块5电连接；控制处理集成模块23作为3D摄像头测距模块2的主控模块控制强度调制的连续波激光信号通过激光器21发射，并通过光电探测器22接收，获取强度调制的连续波激光信号在激光器21与目标之间来回飞行产生的相位差Φ，由于接收端和发射端正弦波的相位偏移和物体距离摄像头的距离成正比，因此可以利用相位偏移来测量距离；具体参加图6，原理如下：测得调制连续波激光发射信号与调制连续波激光接收信号的相位变化Φ，光速为c,频率为f,那么3D摄像头测距模块2与被侧点之间的距离为：

所述位置调整装置3包括第一转动模块和第二转动模块，所述第一转动模块包转盘311和第一电机312，所述第一电机312固定设置于所述立杆1的顶端，其输出轴向上设置并与所述转盘311的轴心固定连接，所述第二转动模块包括支架313、转轴314和第二电机315，所述支架313固定设置于所述转盘311的外沿，所述转轴314设置于所述支架313远离所述转盘311的一端且与所述支架313转动连接，所述第二电机315固定设置于所述支架313上，且其输出轴与所述转轴314的轴心固定连接，所述3D摄像头测距模块2固定设置于所述转轴314上，且所述第一电机312和第二电机315均与所述控制处理集成模块23电连接；所述土壤水分传感器4设置于土壤内并与所述所述数据采集发送电路模块5电连接；所述无线传输模块6和电源7均与所述数据采集发送电路模块5电连接。

进一步的，所述立杆1上还固定设置有复数个悬臂，各所述悬臂上分别设置有与所述数据采集发送电路模块5电连接的雨量传感器11、风速传感器12、风向传感器13和温湿度传感器14；所述无线传输模块6和电源7均分别设置于一所述悬臂上。其中，雨量传感器11选用脉冲输出的雨量传感器，信号线独立走线，模块化安装；风速传感器12选用RS485接口的风速传感器，信号线独立走线，模块化安装；风向传感器13选用RS485接口的风向传感器，信号线独立走线，模块化安装；温湿度传感器14选用RS485接口的温湿度传感器，监测当地大气温湿度，信号线独立走线，模块化安装。

进一步的，一所述悬臂上还设置有与所述数据采集发送电路模块5电连接的视频监控模块15，视频监控模块15选用带云台的网络数字监控云台摄像头，信号线独立走线，模块化安装。用于远距离360度无死角监控现场情况及各传感器运行状态及人、动物对各设备的破坏。

进一步的，所述无线传输模块6为4G无线传输天线模块或5G无线传输天线模块，数据采集发送电路模块5通过无线传输模块6发送相关数据至远程监控中心。

进一步的，所述电源7为太阳能模块，太阳能模块选用50W单晶太阳能组件，太阳能模块信号线独立走线，模块化安装，为装置内的用电器件供电，为了避免供电不足，也拉设有市政电线，市政电线与数据采集发送电路模块5连接，防止太阳能模块供电量不足。

进一步的，具体参加图4，所述立杆1的底部固定设置有地钉结构10，所述地钉结构10的底部设置有倒爪，通过地钉结构10上的倒爪结构，帮助立杆1稳固的安装于泥土中。

实施例二：

一种基于3D摄像头的水土保持在线监测方法，基于实施例一所述的一种基于3D摄像头的水土保持在线监测装置实现，包括以下步骤：

将所述立杆1通过地钉结构10插入泥土中，将立杆1紧固设置在需要监测的地方；同时将土壤水分传感器4埋入地底；

确定初始状态，所述控制处理集成模块23控制所述激光器21发出激光，激光传播到被测点后返回，由所述光电探测器22接收并传输至控制处理集成模块23，控制处理集成模块23根据发射光和接收光之间的相位变化计算3D摄像头测距模块2与被测点之间的距离；控制所述第一电机312和第二电机315转动，以调整所述3D摄像头测距模块2的位置，测量以立杆1为中心周围的土地上复数个监测点与3D摄像头测距模块2之间的初始距离；所述控制处理集成模块23将各监测点与3D摄像头测距模块2之间的初始距离发送至所述数据采集发送电路模块5，同时数据采集发送电路模块5获取土壤水分传感器4测得的初始土壤水分数据，并通过无线传输模块6将初始距离数据和初始土壤水分数据发送至远程监控中心；

实时监测，所述控制处理集成模块23控制所述第一电机312、第二电机315和激光器21循环动作，以循环获取各监测点的与所述3D摄像头测距模块2之间的实时距离并发送至数据采集发送电路模块5；同时，数据采集发送电路模块5还实时获取所述土壤水分传感器4采集的实时土壤水分数据、雨量传感器11采集的实时雨量数据、风速传感器12采集的实时风速数据、风向传感器13采集的实时风向数据、温湿度传感器14采集的实时温湿度数据以及所述视频监控模块15采集的实时视频数据，并通过无线传输模块6将上述实时数据发送至远程监控端；远程监控中心根据初始距离数据和实时距离数据之间的差值计算土壤的厚度流失情况，通过初始土壤水分数据和实时土壤水分数据计算土壤的水分流失情况。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于3D摄像头的水土保持在线监测装置，其特征在于：包括立杆(1)、3D摄像头测距模块(2)、位置调整装置(3)、土壤水分传感器(4)、数据采集发送电路模块(5)、无线传输模块(6)和电源(7)；所述3D摄像头测距模块(2)包括控制处理集成模块(23)以及与所述控制处理集成模块(23)电连接的激光器(21)和光电探测器(22)，所述控制处理集成模块(23)与所述数据采集发送电路模块(5)电连接；所述位置调整装置(3)包括第一转动模块和第二转动模块，所述第一转动模块包转盘(311)和第一电机(312)，所述第一电机(312)固定设置于所述立杆(1)的顶端，其输出轴向上设置并与所述转盘(311)的轴心固定连接，所述第二转动模块包括支架(313)、转轴(314)和第二电机(315)，所述支架(313)固定设置于所述转盘(311)的外沿，所述转轴(314)设置于所述支架(313)远离所述转盘(311)的一端且与所述支架(313)转动连接，所述第二电机(315)固定设置于所述支架(313)上，且其输出轴与所述转轴(314)的轴心固定连接，所述3D摄像头测距模块(2)固定设置于所述转轴(314)上，且所述第一电机(312)和第二电机(315)均与所述控制处理集成模块(23)电连接；所述土壤水分传感器(4)设置于土壤内并与所述所述数据采集发送电路模块(5)电连接；所述无线传输模块(6)和电源(7)均与所述数据采集发送电路模块(5)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于3D摄像头的水土保持在线监测装置，其特征在于：所述立杆(1)上还固定设置有复数个悬臂，各所述悬臂上分别设置有与所述数据采集发送电路模块(5)电连接的雨量传感器(11)、风速传感器(12)、风向传感器(13)和温湿度传感器(14)；所述无线传输模块(6)和电源(7)均分别设置于一所述悬臂上。

3.根据权利要求2所述的一种基于3D摄像头的水土保持在线监测装置，其特征在于：一所述悬臂上还设置有与所述数据采集发送电路模块(5)电连接的视频监控模块(15)。

4.根据权利要求1所述的一种基于3D摄像头的水土保持在线监测装置，其特征在于：所述无线传输模块(6)为4G无线传输天线模块或5G无线传输天线模块。

5.根据权利要求1所述的一种基于3D摄像头的水土保持在线监测装置，其特征在于：所述电源(7)为太阳能模块。

6.根据权利要求1所述的一种基于3D摄像头的水土保持在线监测装置，其特征在于：所述立杆(1)的底部固定设置有地钉结构(10)，所述地钉结构(10)的底部设置有倒爪。

7.一种基于3D摄像头的水土保持在线监测方法，基于权利要求1-6任一权利要求所述的一种基于3D摄像头的水土保持在线监测装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

将所述立杆(1)通过地钉结构(10)插入泥土中，将立杆(1)紧固设置在需要监测的地方；同时将土壤水分传感器(4)埋入地底；

确定初始状态，所述控制处理集成模块(23)控制所述激光器(21)发出激光，激光传播到被测点后返回，由所述光电探测器(22)接收并传输至控制处理集成模块(23)，控制处理集成模块(23)根据发射光和接收光之间的相位变化计算3D摄像头测距模块与被测点之间的距离；控制所述第一电机(312)和第二电机(315)转动，以调整所述3D摄像头测距模块(2)的位置，测量以立杆(1)为中心周围的土地上复数个监测点与3D摄像头测距模块(2)之间的初始距离；所述控制处理集成模块(23)将各监测点与3D摄像头测距模块(2)之间的初始距离发送至所述数据采集发送电路模块(5)，同时数据采集发送电路模块(5)获取土壤水分传感器(4)测得的初始土壤水分数据，并通过无线传输模块(6)将初始距离数据和初始土壤水分数据发送至远程监控中心；

实时监测，所述控制处理集成模块(23)控制所述第一电机(312)、第二电机(315)和激光器(21)循环动作，以循环获取各监测点的与所述3D摄像头测距模块(2)之间的实时距离并发送至数据采集发送电路模块(5)；同时，数据采集发送电路模块(5)还实时获取所述土壤水分传感器(4)采集的实时土壤水分数据、雨量传感器(11)采集的实时雨量数据、风速传感器(12)采集的实时风速数据、风向传感器(13)采集的实时风向数据、温湿度传感器(14)采集的实时温湿度数据以及所述视频监控模块(15)采集的实时视频数据，并通过无线传输模块(6)将上述实时数据发送至远程监控端；远程监控中心根据初始距离数据和实时距离数据之间的差值计算土壤的厚度流失情况，通过初始土壤水分数据和实时土壤水分数据计算土壤的水分流失情况。

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