CN115834646A - 一种具有防霜冻功能的智慧果园远程监控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种具有防霜冻功能的智慧果园远程监控系统,属于农业监控技术领域,用于解决处于山区,丘陵等分布比较零散的果园监控问题,包括传感信息采集模块、中央处理模块、终端装置模块、无线通信模块、视频监控模块以及用户控制应用模块;传感器模块用于采集果园里的环境信息;中央处理模块负责处理采集到的传感数据并且控制相应终端装置;终端装置模块用来灌溉,防霜冻和驱鸟;无线通信模块用于上传信息和接收下发指令;视频监控模块用于实现对果树和果实生长状态的监控;用户控制应用模块用于远程显示各种传感数据及视频画面,并下发控制指令;通过各模块间协调配合,实现对果园的智慧监控。
Description
技术领域
本发明属于农业监控技术领域,尤其涉及一种具有防霜冻功能的智慧果园远程监控系统。
背景技术
中国是一个多山的国家,分布在山地,丘陵和高原地区的耕地占总耕地面积的69.27%,而这些耕地由于地形特点大多都以种植果树等经济作物为主,而且我国实行的是包产到户的土地政策,每家每户的耕地分布都比较零散。尤其在我国的西北山区,同一家的耕地往往分成好几份并且分布在不同的区域。而现有的智慧农业监控系统主要面向温室大棚,农田耕地比较集中的应用场景所设计。对处于山区,丘陵,分布比较零散的果园,没有比较成熟的监控方案。另一方面,每年春季在我国的大部分省份都会出现倒春寒现象,而春季正值果树开花发芽之际,因此倒春寒产生的霜冻对于果林业造成的损失极大,而且霜冻一般发生于凌晨一两点左右,而现有的智慧果园远程监控对于霜冻的防治并没有提出有效的解决方案,霜冻防治依然依靠人工烟熏的方式进行,这就导致了霜冻防治无法及时有效,而且工作强度高,效率低下,除此之外果树上的果子在进入成熟期后,还会被野生鸟类啄食导致果子破烂,从而造成经济损失。
因此,需要开发一种成本低廉、部署简单、功能齐全、并且可以有效防治霜冻和果子被鸟类啄食的,适合于果园的具有防霜冻功能的智慧果园远程监控系统。
发明内容:
为了解决目前果园监控领域存在的问题,本发明设计了一种具有防霜冻功能的智慧果园远程监控系统,采用了单片机+WIFI模组+WIFI模块的硬件结构,减小了设备成本,并增加了霜冻防治功能和驱鸟装置,设计了适合于果园应用的智慧果园远程监控系统。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种具有防霜冻功能的智慧果园远程监控系统,包括传感信息采集模块、中央处理模块、终端装置模块、无线通信模块、视频监控模块、以及用户控制应用模块;其中,所述传感器模块包括各种传感器,用于采集当前果园里的环境信息;所述中央处理模块负责处理采集到的传感数据并且控制相应终端装置;所述终端装置模块包括灌溉装置、烟雾防霜冻装置、驱鸟装置,用来灌溉果树、防治霜冻并驱赶鸟群防止啄食果实;所述无线通信模块用于将传感信息和视频监控画面上传到阿里云并接收APP下发的指令;所述的视频监控模块用于采集果园里不同角度的视频画面,实现对果树和果实生长状态的监控;所述用户控制应用模块用于远程显示各种传感数据,下发控制指令并通过阿里云物联网平台下发给中央处理模块。
优选的,所述传感器模块包括:土壤表面温度传感器、土壤湿度传感器、土壤酸碱度传感器以及光照强度传感器,用来采集果园里土壤的表面温度数据、土壤湿度数据、土壤的酸碱度以及光照强度数据。
优选的,所述的中央处理模块,包括单片机最小系统模块和LCD显示模块,用来实现两种控制模式和对传感信息的处理以及实时显示;
优选的,单片机最小系统模块用来处理传感器获取到的环境信息,驱动LCD显示屏显示传感信息,并且控制终端装置;
优选的,LCD显示屏用来在果园现场实时显示传感信息以及联网信息;
优选的,两种控制模式包括自动控制模式和远程指令控制模式,自动控制模式下,单片机根据获得的传感信息以及各个传感信息的优先级直接进行对设备终端装置的控制,无需听从手机APP下发的指令。远程指令控制模式下,单片机只接收手机APP下发的指令进行对终端装置的控制。
优选的,所述终端装置模块包括灌溉装置、烟雾防冻装置和驱鸟装置;用来进行灌溉果园,应对霜冻天气和驱赶鸟类啄食果实。
优选的,所述灌溉装置包括水阀和管道,通过控制水阀开关,利用管道将水浇灌到果树根系周围。
优选的,所述烟雾防冻装置包括点火装置和燃料室,当土壤表面温度低于零摄氏度后,中央处理模块向农户发送报警信息,当接收到下发的点火指令后,点火装置点燃燃料室里面的燃料从而产生大量浓烟以减小温度的下降,起到防治霜冻的目的。
优选的,所述驱鸟装置,通过发出超声波刺激鸟类的神经系统,同时模拟老鹰声源等方式吓阻鸟类靠近果树。
优选的,所述的无线通信模块,包括WIFI模组和WIFI模块两部分,用来实现传感信息,视频画面的上传和接收APP下发的指令;
优选的,所述WIFI模组采用ESP32-SWIFI模组,通过WIFI模组实现对视频的传输并接收云服务器下发的指令发送给单片机来调节舵机云台的角度;
优选的,WIFI模块为ESP8266WIFI模块,用来把传感信息上传到云平台,并且接收云平台下发的指令。
优选的,所述的视频监控模块包括包括摄像头模块,舵机云台模块两部分,可采集果园里当前不同角度的画面;
优选的,所述的舵机云台模块,通过两个舵机的配合,可使摄像头模块采集不同角度的果园里的画面。
优选的,用户控制应用模块包括手机APP,云平台和云服务器,用来实现传感信息显示和视频画面显示,以及控制指令的发出;
优选的,云平台为阿里云物联网平台,负责手机APP和硬件端之间的传感数据和控制指令的传送,起数据中转的作用。云服务器为阿里云ECS服务器,用来实现视频的接收与显示;
优选的,用户控制应用模块进一步执行以下功能:
(1)传感信息显示功能:手机APP实时的显示各个传感器返回的数据用以监控果园的环境信息;
(2)视频监控功能:手机APP实时接收WIFI模组传送过来的图像数据并显示,监控果树和果实的生长状态;
(3)控制模式切换功能:通过手机APP远程切换硬件端控制模式,可以使得监控系统在脱离云平台的情况下自动运行;
(4)云端控制功能:包括云端定时控制,数据分析与展示,当传感信息超过设定阈值后进行报警,开关水阀,开关烟雾防冻装置以及驱鸟装置。
采用本发明的一种具有防霜冻功能的智慧果园远程监控系统,农户可以通过手机APP实时的监测果园里的环境信息,并且实时查看果树和果实的生长状态,可以远程的为果树调控生长环境,进行灌溉、抗霜冻和防止果实被鸟类啄食,保护好果实的正常生长,并且每天可以定时的对果树进行灌溉;当果树生长环境变化超过设定的阈值之后,手机APP自动报警,以便农户及时做出应对措施,并且根据不同的适应场景,可以切换到不同的控制模式,大大提高果园管理的效率,并且阿里云物联网控制平台的数据统计功能可以记录一段时间以来的环境信息并展示,方便农户对果树的生长做出准确判断。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1,系统的核心控制与通信部分,采用了单片机+WIFI模块+WIFI模组的设计方案,系统结构组成简单,在保证基本功能的同时,有效降低了成本,增加了系统部署的灵活性,并切合了果园分布的地理特点。
2,根据果园监控的特点,将ESP32-SWIFI模组+OV2640摄像头模块的远程视频传输方案应用于果园监控系统,相比于传统的有线视频传输方案适用场景更加灵活并且大大降低了视频监控的成本。
3,根据果园监控的特点,为果园远程监控系统增加了烟雾防冻装置和驱鸟装置,可以有效抵御自然灾害,降低自然灾害的影响。
附图说明
图1为根据本发明实施的智慧果园远程监控系统框图
图2为根据本发明实施的智慧果园远程监控系统的STM32单片机电路图
图3为根据本发明实施的智慧果园远程监控系统的硬件电路接线图
图4为根据本发明实施的智慧果园远程监控系统的ESP8266WIFI模块电路图图5为根据本发明实施的智慧果园远程监控系统的ESP32-SWIFI模组电路图图6为根据本发明实施的智慧果园远程监控系统的OV2640摄像头模块原理图图7为根据本发明实施的智慧果园远程监控系统的云端功能配置界面
图8为根据本发明实施的智慧果园远程监控系统的APP控制界面
图9根据本发明实施的智慧果园远程监控系统的视频传输APP界面
具体实施方式
下面结合本发明实例中的附图,对本发明实施实例中的技术方案进行清楚,完整地描述。
一种具有防霜冻功能的智慧果园远程监控系统的系统结构如图1所示,包括传感器信息采集模块,中央处理模块、终端装置模块、无线通信模块、视频监控模块以及用户控制应用模块;其中,传感信息模块用以采集果园土壤表面的温度,土壤的湿度、光照强度和土壤酸碱度信息;中央处理模块获取到这些传感信息后,将其送到LCD显示器模块进行实时显示,并将这些传感信息通过串口传递给无线通信模块,无线通信模块接收到现场中央处理模块传送过来的传感信息后,将这些信息上传到阿里云物联网平台,云平台通过转发将传感信息实时显示到用户手机APP上。
无线通信模块中的ESP32-SWIFI模组通过摄像头模块获取到果园里的视频画面并将视频数据上传到阿里云ECS服务器,用户通过手机APP远程登录云服务器就可以实现对果园的视频监控。
用户的控制指令通过云平台和云服务器下发给无线通信模块,并将其通过串口发送给现场中央处理模块,中央处理模块在接收到无线通信模块传递过来的控制指令后,判断系统处于何种控制模式之下,如果是在自动控制模式之下,中央处理模块则根据各个传感器信息设定优先级的大小以及设定的阈值大小,通过判断各个传感器信息来自动对终端装置中的水阀和烟雾发生装置发出控制指令。终端装置中的灌溉装置接收到控制指令后进行开关操作,烟雾发生装置接到控制指令后选择到对应的状态;如果是在远程指令控制模式下,则可以根据APP上显示的环境信息和视频画面手动的控制相应的终端装置和舵机云台模块,以便打开或关闭终端装置和观看果园不同角度视频画面。
图2是现场中央处理模块的主控STM32的电路图,一种具有防霜冻功能的智慧果园远程监控系统主控采用意法半导体的STM32F103ZET6芯片,实现对ESP8266WIFI模块、舵机云台、终端装置和各个传感器以及LCD显示屏的驱动与控制。
图3是一种具有防霜冻功能的智慧果园远程监控系统的硬件电路接线图,土壤表面温度传感器为DS18B20,采用单总线协议驱动;土壤湿度、土壤酸碱度和光照强度传感器采用三路ADC通道驱动,LCD显示屏通过SPI总线协议驱动,ESP8266WIFI模块和ESP32-SWIFI模组通过串口驱动与控制,舵机云台通过PWM波进行控制。终端装置水阀和烟雾发生装置通过单片机的I/O口输出高低电平来控制开关。
图4是ESP8266WIFI模块的电路图,该WIFI模块是串口透传模块,因此使用串口进行驱动,用来实现传感信息的上传以及控制指令的下发。
图5是ESP32-SWIFI模组的电路原理图,它的主频高达240MHZ,内部的SRAM高达520KB,完全满足图像传输过程中的数据和指令存储。本系统中用来驱动摄像头模块实现视频远程的上传。通过串口实现与中央处理模块的信息传递。
图6是视频监控模块中摄像头模块电路原理图,本系统采用的是OV2640摄像头模块。采用SCCB串行总线协议来驱动,用来获取果园里的视频画面。
图7是阿里云物联网控制平台的功能配置界面,通过在云端定义与硬件系统的相匹配的功能模块,利用阿里云物联网平台自带的功能实现云端定时,数据统计和生成手机APP。
图8是手机APP控制界面,用来远程实时显示果园里的各种传感信息以及发出控制指令、进行云端定时控制与远程报警。
图9是服务器远程视频监控界面,通过部署在云服务器上来实现对果园里作物生长的视频监控并控制视频画面的角度。
综上所述,用户可以远程的实现对果园里果树和果实生长环境以及生长状态的监控并可以有效应对霜冻等自然灾害。本系统结构简单,成本较低,部署方便,可以很好的满足分布于山区,丘陵地带果园的治理的需求。
以上是对本发明的具体实施方式的说明,而非对本发明实施的限制,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方法进行修改或等同替换,而不脱离本发明技术方法的精神范畴。
Claims (4)
1.一种具有防霜冻功能的智慧果园远程监控系统,其特征在于:包括传感信息模块、中央处理模块、终端装置模块、无线通信模块、视频监控模块,用户控制应用模块;
所述传感器模块包括土壤表面温度、土壤湿度、二氧化碳浓度、光照强度四种传感器,用于采集当前果园里的环境信息;所述中央处理模块负责处理采集到的传感数据并且在两种不同控制模式下(自动控制模式和远程指令控制)控制相应终端装置;所述终端装置模块包括灌溉装置、烟雾防霜冻装置、驱鸟装置,用来灌溉果树、防治霜冻并驱赶鸟群防止啄食果实;所述无线通信模块用于将传感信息和视频监控画面上传到网络并接收APP下发的指令;所述的视频监控模块用于采集果园里不同角度的视频画面,实现对果树和果实生长状态的监控;所述用户控制应用模块用于远程显示各种传感数据,下发控制指令并通过阿里云物联网平台和阿里云ECS服务器下发给中央处理模块,具体包括:
(1)传感信息显示功能:手机APP实时显示各个传感器返回的数据用以监控果园的环境信息;
(2)视频监控功能:手机APP实时接收WIFI模组传送过来的图像数据并显示,用以监控果树和果实的生长状态;
(3)控制模式切换功能:通过手机APP远程切换硬件端控制模式,可以使得监控系统在脱离云平台的情况下自动运行;
(4)云端控制功能:包括云端定时控制、数据分析与展示、当传感信息超过设定阈值后进行报警、开关水阀、开关烟雾防冻装置、开关驱鸟装置以及舵机云台的旋转。
2.根据权利要求1所述的一种具有防霜冻功能的智慧果园远程监控系统,其特征在于:根据果园监控的特点,采用了ESP32-SWIFI模组+OV2640摄像头模块的无线远程视频传输方案,所述摄像头模块固定于云台舵机模块之上;所述WIFI模组与主控单片机通过串口连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有防霜冻功能的智慧果园远程监控系统,其特征在于:根据果园监控的特点,为果园远程监控系统增加了烟雾防冻装置,既可以远程手动控制烟雾防霜冻装置又可以根据环境信息自动控制烟雾防霜冻装置从而达到有效抵御自然灾害,降低自然灾害对果园的经济损失。
4.根据权利要求1所述的一种具有防霜冻功能的智慧果园远程监控系统,其特征在于:根据果园监控的特点,为果园远程监控系统增加了驱鸟装置,当果实成熟后,通过放置于高处的喇叭发出超声波刺激鸟类的神经系统,同时模拟老鹰声源等方式吓阻鸟类靠近果树。
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