CN113227727A - 料仓料位监测系统 - Google Patents

Abstract

一种料仓料位监测系统，该料仓料位监测系统包括用于感测饲料仓内的饲料料位的光学传感器、与该传感器通信连接以从该传感器接收料位信号并处理该料位信号以产生料仓料位数据的电路板、用于为该电路板和传感器供电的电池、用于封闭该电路板的外壳、以及用于发送该料仓料位数据的无线电发射器。该传感器可以是LIDAR传感器或飞行时间(ToF)传感器。

Description

料仓料位监测系统

技术领域

本公开总体涉及农业饲料仓，尤其涉及一种用于这样的料仓的监测系统。

背景技术

传统上，饲料行业依靠农民来监测和向服务饲料厂报告他们的饲料料位，以确保饲料厂有足够的备货时间来制造农民的特定混合饲料，并在农民用尽饲料之前递送饲料。饲料仓的监测是一项需要不断尽职进行的任务，因此，料仓料位不足可能经常被忽视，直到为时已晚，饲料仓几乎空空如也。急需饲料的农民提出的紧急请求需要饲料厂重新安排他们精心规划的生产计划(使其他尽职的农民面临延期收到饲料的风险)并改变他们高效制定的递送路线来适应未能给出充分通知的农民，由此使他们在复杂作业中达到最高效率的任何希望破灭。

因此，非常需要一种用于监测料仓内的饲料料位并报告这些饲料料位的料仓料位监测系统。

发明内容

以下给出了本发明的一些方面或实施例的简明概述，以提供对本发明的基本理解。这种概述不是本发明的广泛概述。概述部分并非旨在确定本发明的关键或重要元素或界定本发明的范围。概述部分的唯一目的是以简明的形式呈现本发明的一些实施例，作为稍后呈现的更详细说明的前序。

本说明书公开了一种用于测量料仓内的饲料料位的料仓料位监测系统和相关方法。

因此，本发明的一个创新方面是一种料仓料位监测系统，该料仓料位监测系统包括用于感测饲料仓内的饲料料位的光学传感器；与传感器通信连接以从传感器接收料位信号并处理料位信号以产生料仓料位数据的电路板；用于为电路板和传感器供电的电池；用于封闭电路板的外壳；以及用于发送料仓料位数据的无线电发射器。所述传感器可以是激光雷达(LIDAR)传感器或飞行时间(ToF)传感器。

本公开的另一个创新方面是一种监测料仓料位的方法，该方法包括以光学方式感测饲料仓内的饲料料位，接收通过以光学方式感测饲料料位产生的料位信号，处理料位信号以产生料仓料位数据，并且发送料仓料位数据。

本公开的其他创新方面对于本领域技术人员来说可变得明显。

附图说明

通过阅读下文中参照附图做出的说明，本公开的这些特征和其他特征将变得更加明显。

结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的多个实施例，并与文字说明一起用于解释本发明的原理。附图仅用于示出本发明的一个优选实施例的目的，不应被解读为构成对本发明的限制。

图1是本发明的一个实施例的料仓料位监测系统的等距视图；

图2示出了一种具有LIDAR传感器的料仓料位监测系统；

图2a是图2的LIDAR传感器的放大视图；

图3示出了一种具有飞行时间(ToF)传感器的料仓料位监测系统；

图3a是图3的ToF传感器的放大视图；

图3b示出了从第一侧透视角度观察的表面点图，它限定了料仓中的饲料的上表面的拓扑；

图3c示出了从第二上透视角度观察的另一个表面点图，它限定了料仓中的饲料的上表面的拓扑；

图4a是示出LIDAR传感器的等距视图；

图4b是示出图4a的LIDAR传感器的后视图；

图4c是示出图4a的LIDAR传感器的侧视图；

图4d是示出图4a的LIDAR传感器的前视图；

图4e是示出图4a的LIDAR传感器的俯视图；

图4f是示出图4a的LIDAR传感器的仰视图；

图4g是示出图4a的LIDAR传感器的等距剖视图；

图4h是示出图4a的LIDAR传感器的俯视剖视图；

图5A是示出飞行时间(ToF)传感器的等距视图；

图5B是示出图5A的ToF传感器的等距剖视图；

图5C是示出图5A的ToF传感器的侧视图；

图5D是示出图5A的ToF传感器的前视图；

图5E是示出图5A的ToF传感器的后视图；

图5F是示出图5A的ToF传感器的仰视图；

图5G是示出图5A的ToF传感器的俯视图；

图5H是示出图5A的ToF传感器的前剖视图；

图5I是示出图5A的ToF传感器的另一个等距视图；

图6A是示出电路板的等距视图；

图6B是图6A的电路板的前视图；

图6C是图6A的电路板的侧视图；

图6D是图6A的电路板的俯视图；

图6E是图6A的电路板的仰视图；

图7是图6A的电路板的放大平面图；

图8A是用于电路板的外壳的俯视等距视图；

图8B是图8A的外壳的仰视等距视图；

图8C是图8A的外壳的前视图；

图8D是图8A的外壳的侧视图；

图8E是图8A的外壳的后视图；

图8F是图8A的外壳的俯视图；

图8G是图8A的外壳的仰视图；

图8H是用于图8A的外壳的底座的等距视图；

图8I是图8H的底座的前视图；

图8J是图8H的底座的后视图；

图8K是图8H的底座的侧视图；

图8L是图8H的底座的俯视图；

图8M是图8H的底座的仰视图；

图8N是与外壳一起使用的另一个底板的俯视等距视图；

图8O是图8N的底板的底部等距视图；

图8P是图8N的底板的第一侧视图；

图8Q是图8N的底板的第二侧视图；

图8R是图8N的底板的前视图；

图8S是图8N的底板的俯视图；

图8T是图8N的底板的仰视图；

图9A是传感器安装支架的等距视图；

图9B是传感器安装支架的另一个等距视图；

图9C是传感器安装支架的右侧视图；

图9D是传感器安装支架的前视图；

图9E是传感器安装支架的左侧视图；

图9F是传感器安装支架的后视图；

图9G是传感器安装支架的俯视图；

图9H是传感器安装支架的仰视图。

具体实施方式

出于说明的目的，以下详细说明包含许多特定实施例、实施方式、示例和细节，以便充分理解本发明。但是，显而易见的是，这些实施例无需这些具体细节或等同布置形式即可实施。在其他情况中，以框图形式示出了一些公知的结构和装置，以避免不必要地模糊本发明的实施例。本说明书不应以任何方式限于下述的示例性实施例、附图和技术(包括在本文中说明和示出的示例性设计和实施例)，而是可在所附权利要求及其等同内容的范围内进行修改。

在本文中公开并在附图中示出了一种新型料仓监测系统。这种新型料仓监测系统为解决饲料行业长期存在的以下供应管理难题提供了一种新颖的解决方案：对位于远程地点的饲料容器中的产品的数量进行准确、经济高效的监测。

在图1所示的实施例中，料仓监测系统10包括总体以附图标记100表示的电路板和外壳、传感器安装支架200、以及光学传感器300。在一个实施例中，光学传感器300是激光雷达(LIDAR)传感器。在第二个实施例中，光学传感器300是飞行时间(ToF)机器视觉传感器。

图2示出了采用LIDAR传感器作为传感器300的料仓料位监测系统10。图2a是LIDAR传感器300的放大视图。该LIDAR传感器通过料仓20内的传感器安装支架200悬挂在天花板或顶22、24上，或悬挂在任何适当的上部结构元件上，例如梁、桁架、框架等。图2示出了向下发射以在料仓20内的饲料30(或其他散装产品)上反射的LIDAR传感器光束310。在这个特定的实施方案中，电路板和外壳100安装到顶的斜坡部分22上，而传感器安装支架200连接至顶的平坦部分24下方的竖直结构元件25上。应理解，该传感器安装支架可修改为具有不同的几何形状以安装到料仓的另一个元件上，同时可将传感器布置为向下对准。

图3示出了料仓料位监测系统的另一个实施例，其中传感器300是飞行时间(ToF)传感器。图3a是ToF传感器300的放大视图。像第一实施例中一样，传感器300被悬挂为在料仓20内向下对准。ToF机器视觉传感器采集料仓20内的饲料30的形状的图像或三维表面点图。该表面点图限定饲料的上表面的拓扑31，如图3b和3c中的例子所示。这使得料仓内的饲料量的估算精确得多。如图3b和3c进一步所示，三维表面图31由大量的各个深度的结果(点)构成，这些结果非常接近料仓20中的饲料30的轮廓和形状。

图4A-4H示出了LIDAR传感器300。该LIDAR传感器具有一个或多个石英玻璃透镜315和自洁刮拭器320。该刮拭器具有刮臂和弹性刮片322，以清洁所述一个或多个透镜315。该刮拭器可由伺服电机或其他类型的电机旋转。可提供控制器以定期地触发伺服机构，从而旋转刮拭器来清洁所述一个或多个透镜。该控制器可被编程或配置为自动操作。或者，该控制器可由用户重新编程或重新配置。在另一种变化形式中，该控制器可配置为接收控制信号以刮拭所述一个或多个透镜。可响应于检测到LIDAR传感器工作不正常并需要清洁的状况从电路板接收控制信号。

图5A-5I示出了飞行时间(ToF)机器视觉传感器300。图5示出了传感器部件，包括照明单元和将反射光聚焦到图像传感器(焦平面阵列)上的光学器件。在图像传感器中，每个像素测量光从照明单元行进到饲料上的点并返回到焦平面阵列所用的时间。该传感器包括用于控制并同步照明单元和图像传感器的驱动电子器件。

图6A-6E和图7示出了作为电路板/外壳组件100的一部分的电路板110。该电路板可以是如图所示的印刷电路板(PCB)，它具有最大功率点跟踪(MPPT)集成电路112、用于接收射频蜂窝收发器的用户身份模块(SIM)卡的SIM卡槽114、以及用于接收电池的电池板120。所述电路板还可具有以下附加部件：太阳能充电连接器、通用异步收发器(UART)头、输入/输出头、

调制解调器扩展头、格罗夫连接器、以及蓝牙

模块。还可能存在其他部件。同样，并非所有实施例都具有所有这些部件。电路板上的电子器件的布局仅仅是一个示例，应理解，电子器件可按任何其他适当的布局设置在电路板上。

图8A-8T示出了电路板110的外壳130。外壳130具有上盖132和底板或安装板134。该安装板具有用于磁体的插槽136。在图8A-8T所示的特定实施例中，所述安装板具有三个用于磁体的插槽，用于将外壳固定到料仓的顶部。在一个特定实施例中，所述磁体可以是稀土磁体。虽然外壳被示为具有平坦上表面的大致正方形形状，但是应理解，在其他实施例中，外壳的形状可以是不同的，例如用于遮盖不同形状的电路板。

图9A-9H示出了传感器安装支架200。在所示的示例中，支架200具有带有椭圆形孔215的上侧U形吊架部分210、竖直部分220、带有另一个椭圆形孔235的倾斜部分230、以及水平部分240。这种特定的几何形状使得能够将传感器安装到竖直元件上，并且将传感器布置为向下对准料仓底部的饲料。所述支架可具有其他几何形状，以适应不同的仓顶结构和/或不同类型的传感器安装架。显而易见，这些尺寸仅是一个例子。应理解，尺寸或比例可以变化。

上述料仓监测系统能够精确测量或估算料仓料位，即，料仓中的饲料的料位。饲料的料位应理解为该系统所确定的料仓内的饲料量(质量或体积)。该系统提供了一种经济高效的方法，以监测饲料料位，并向饲料厂通知需要更多饲料。

在一个特定实施例中，所述系统利用物联网(IoT)印刷电路板(PCB)来采集传感器数据，并将该数据以无线方式报告给一个或多个远程服务器(或其他计算设备)以对数据进行处理和显示，例如在向用户通知饲料仓的填充状态的仪表板或其他用户界面上显示。该系统根据用户指定的参数提供有价值的洞察和通知，并提供由算法和机器学习确定的关于操作改进的建议，所述算法和机器学习随着时间的推移解析越来越多的数据，从而对其模型进行改进。在这个特定的实施方案中，所述系统是由太阳能供电的，并配有通信技术以确保该系统能通过非常长的距离可靠地传送数据，同时消耗的电力非常少，这使得该系统能够不间断地连续运行多年而无需维护。在这个特定的实施方案中，所述系统包括无线电通信模块。如上文所述，所述系统包括利用多种射频(RF)技术与远程服务器通信的电路板。在这个特定的实施方案中，该电路板采用的主要通信方法是蜂窝通信，例如LTE Cat-M1，由于LTE Cat-M1的极高能效设计，该系统能够使用单块电池运行多年。因此，所述系统能够在超过25公里的范围内与一个或多个蜂窝塔通信，并利用现有的蜂窝基础设施，以最大限度地降低需求和部署复杂性。在这个特定的实施方案中，所述电路板还包括板载蓝牙

低能量(BLE)无线电装置，以支持传感器安装者的无线配置，并且还为将来在近距离场景中的部署提供了网状网络通信的替代方法。所述电路板支持通过与各种射频通信技术(ZigBee、SigFox、WiFi等)兼容的板载XBee扩展头增加替代无线电通信模块，而无需修改或重新设计硬件，这使其具有很高的通用性。

在这个特定的实施方案中，所述印刷电路板结合了许多面向未来的连接选件，以确保与各种传感器和输出源的兼容性。UART接口提供与外部传感器通信的主要方法，但是还有许多其他选件可实现快速原型设计能力。两个板载格罗夫连接器使该电路板能够与大量利用“格罗夫”通信/电源标准的现有传感器兼容。连接至板载处理器的输入和输出还提供读取和影响所连接的其他设备的状态的能力。

在这个特定的实施方案中，所述电路板完全依靠电池和太阳能运行，其预计寿命为五年以上，完全以自给自足方式运行。该电路板不需要硬接线到电源或插入到电源插座中。该系统能够安装在料仓上而无需硬接线至外部电源，这使得该系统可由非熟练工人快速轻松地安装。

在这个特定的实施方案中，电源系统利用板载最大功率点跟踪(MPPT)芯片或集成电路(IC)，该MPPT芯片或集成电路用于跟踪和调节太阳能充电电路，以确保根据天气状况始终以最大效率充电。这种MPPT芯片与能在没有阳光的情况下供电55天以上时间的电池配合，以确保长期运行。所述电路板设计有诊断能力，可对可能需要服务团队进一步关注的电源状况提供提前预警。所述电路板可将诊断报告无线传送至服务器或远程计算设备。

如上文所述，在一个实施例中，所述传感器是LIDAR传感器。虽然饲料仓内有灰尘、温度变化和其他不利条件，该LIDAR传感器也能够工作多年而无需要维护或检修。该传感器被一个或多个石英玻璃透镜完全包围。如上文所述和所示，该传感器包括自洁括拭器，以定期清洁传感器的石英玻璃透镜。如上文所述和所示，该传感器通过传感器安装支架安装到料仓上。该传感器安装支架使得传感器能够安装到任何形状或尺寸的料仓上。所述传感器安装支架包括环绕饲料仓盖开口的套环。传感器支架悬挂在该套环上，并通过拧紧一个专用螺栓所产生的复合力进行紧固，该螺栓拧紧在仓盖套环的内表面上。在料仓内，所述支架从开口处伸出，以确保在重新装填料仓时保护传感器本身。该支架能够快速安装。传感器引线从盖子下面布设到料仓外面，在该处连接至印刷电路板和外壳。如上文所述，在第二实施例中，所述传感器是飞行时间(ToF)机器视觉传感器或ToF摄像头。该ToF传感器采用非常先进的测距和轮廓测量方法。该ToF传感器展现出了对饲料容器内的产品表面建模的空前能力。所述传感器能够使用57000个独特的深度点重建高度精确的三维表面轮廓，由此可进行精确的料仓容积计算。当然，在其他变化形式中，根据所使用的具体ToF摄像头的分辨率，深度点的数量可以不同。这种独特的饲料料位监测方法使系统能够准确识别异常情况，例如“饲料桥接”和“老鼠洞”，从而防止错误或虚假的读数。机器视觉技术支持使用一种完全自我维持且非侵入性的技术以比竞争技术低得多的成本收集准确的料仓料位读数。

在这个特定的实施方案中，所述系统外壳包括内置的太阳能板，即使在弱光情况下，该太阳能板也能为外壳电池提供涓流充电。所述外壳也是为了避免修改饲料仓而设计的。安装支架利用布置为形成薄型三脚架的三块球形稀土磁体。该三脚架的取向使支架与所有形状和尺寸的料仓兼容，无论其半径或顶坡度如何。在一个特定的实施方案中，所述磁体共同产生60磅保持力，使得整个系统能够快速安装或移除，而无需永久地修改饲料仓。

本公开的另一个创新方面是一种监测料仓料位的方法。该方法包括以下步骤、动作或操作：以光学方式感测饲料仓内的饲料料位，接收通过以光学方式感测饲料料位产生的料位信号，处理料位信号以产生料仓料位数据，并且传送料仓料位数据。这些方法步骤、动作或操作可按顺序执行，也可同时执行，即，在时间上重叠。

在该方法的一个实施方案中，所述以光学方式感测饲料料位的步骤是由LIDAR传感器执行的。在该方法的另一个实施方案中，所述以光学方式感测饲料料位的步骤是由飞行时间(ToF)机器视觉传感器执行的。

在一个实施方案中，所述方法还包括使用自洁刮拭器清洁LIDAR传感器的玻璃透镜的步骤。

在一个实施方案中，所述方法还包括使用电路板的外壳上的太阳能板对连接至电路板的电池充电的步骤。

在一个实施方案中，所述方法还包括在服务器、服务器集群、基于云的存储设备或其他计算设备处接收料仓料位数据的步骤。

在一个实施方案中，所述方法还包括由服务器产生和发送订购消息以订购更多饲料的步骤。该订购消息可以是从服务器以电子方式发送到与饲料厂相关联的计算机或计算设备的任何适当的数据报类型的消息。该消息可选地可指示料仓中剩余的饲料量和/或预计的饲料用尽日期。所述服务器还可配置为从多个料仓接收数据，并编译该数据以提供对特定农场的可用饲料量的综合评估和/或预测该农场的饲料何时用尽。

应理解，除非在上下文中另行明确规定，否则在本文中使用的单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数指代。因此，例如，对“装置”的指代包括指代一个或多个这样的装置，即，至少有一个装置。除非另有说明，否则术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”或其动词时态的变化形式应按开放式术语解读(即，意思是“包括但不限于”)。除非在本文中另有说明或与上下文明显矛盾，否则在本文中说明的所有方法可按任何适当的顺序执行。除非另有声明，否则示例或示例性语言(例如“例如”)的使用仅仅是为了更好地示出或描述本发明的实施例，而不是为了限制本发明的范围。

虽然在本公开中提供了多个实施例，但是应理解，在不脱离本公开的范围的情况下，所公开的系统和方法可按许多其他的特定形式实施。本文的示例应视为说明性的而不是限制性的，并且其意图不局限于在此给出的细节。例如，各种元件或部件可组合或集成到另一个系统中，或者可省略或不实施某些特征。

此外，在不脱离本公开的范围的情况下，在各个实施例中被描述和示出为分立或独立形式的技术、系统、子系统和方法可与其他系统、模块、技术或方法组合或集成。被示出或论述为彼此耦合或直接耦合或连通的其他项目可通过某种接口、装置或中间部件间接地耦合或连通，无论是以电气形式、机械形式、还是其他形式。本领域技术人员能够确定其他变化、替换和更改的例子，并且这些例子可在不脱离在此公开的发明概念的情况下实现。

Claims (20)

1.一种料仓料位监测系统，包括：

光学的传感器，用于感测饲料仓内的饲料料位；

电路板，其与所述传感器通信连接以从所述传感器接收料位信号并处理所述料位信号以产生料仓料位数据；

外壳，用于封闭所述电路板；和

无线电发射器，用于发送所述料仓料位数据。

2.根据权利要求1所述的料仓料位监测系统，还包括电连接至所述电路板的插座以给所述电路板供电的电池。

3.根据权利要求1所述的料仓料位监测系统，还包括用于接收所述料仓料位数据的服务器。

4.根据权利要求3所述的料仓料位监测系统，其中所述服务器自动产生订单消息，以递送更多饲料。

5.根据权利要求1所述的料仓料位监测系统，其中所述外壳进一步包括太阳能板以给电池充电。

6.根据权利要求1所述的料仓料位监测系统，其中所述传感器是LIDAR传感器。

7.根据权利要求1所述的料仓料位监测系统，其中所述传感器是飞行时间(ToF)机器视觉传感器。

8.根据权利要求6所述的料仓料位监测系统，其中所述LIDAR传感器包括玻璃透镜和用于清洁所述玻璃透镜的自洁刮拭器。

9.根据权利要求1所述的料仓料位监测系统，其中所述无线电发射器是蜂窝收发器。

10.根据权利要求1所述的料仓料位监测系统，其中所述无线电发射器是

收发器。

11.根据权利要求1所述的料仓料位监测系统，其中所述电路板包括最大功率点跟踪(MPPT)集成电路。

12.根据权利要求1所述的料仓料位监测系统，其中所述外壳包括外壳安装板，所述外壳安装板具有用于将所述传感器外壳固定至仓顶的磁体。

13.根据权利要求1所述的料仓料位监测系统，其中所述电路板包括SIM卡插槽。

14.一种监测料仓料位的方法，包括：

以光学方式感测饲料仓内的饲料料位；

接收通过以光学方式感测所述饲料料位产生的料位信号；

处理所述料位信号以产生料仓料位数据；

传送所述料仓料位数据。

15.根据权利要求14所述的方法，其中以光学方式感测所述饲料料位是通过LIDAR传感器执行的。

16.根据权利要求14所述的方法，其中以光学方式感测所述饲料料位是通过飞行时间(ToF)机器视觉传感器执行的。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括使用自洁刮拭器来清洁所述LIDAR传感器的玻璃透镜。

18.根据权利要求14所述的方法，还包括使用电路板的外壳上的太阳能板对连接至所述电路板的电池充电。

19.根据权利要求14所述的方法，还包括在服务器处接收所述料仓料位数据。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括由所述服务器产生和发送订购消息以订购更多饲料。

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