[发明专利]一种基于物联网的数据采集与监控系统

权利要求书

1.一种基于物联网的数据采集与监控系统，其特征在于，在作业区（109）内设置多个用于种植植株的植株种植区（112）和至少一个执行检测作业和喷液作业的作业车（110）；在植株种植区设置RFID卡；

作业车上设有MCU、植株数据采集模块和喷液模块；作业车上还设有RFID读写器；

喷液模块包括多个储液单元(105)和至少一个喷液管，喷液管通过喷液控制开关与储液单元连通，喷液控制开关受控于MCU；

作业车上或储液单元内设有用于将储液单元内的液体泵送到喷液管的泵液机构；

作业区内设有用于为作业车补充液体的补液区；储液单元连接有补液管，补液管上设有受控于MCU的补液开关；

储液单元为9个，至少2个储液单元的尺寸相同；至少一组相邻的储液单元之间设有连通管，连通管上设有受控于MCU的电控阀，通过电控阀能对所有的储液单元分组，每一组包括相邻的多个储液单元，且每一组内的多个储液单元内部连通；

储液单元呈多行多列排布，每相邻的储液单元之间设有连通管，连通管上设有受控于MCU的电控阀（如3*3排布）;所有的储液单元组成一个储液模块，储液模块的周围设有环绕式的喷液母管（103），喷液母管通过单元出液管与各储液单元连接，单元出液管上设有受控于MCU的电控阀门；喷液母管与喷液管连通；

储液模块的后方设有分支式的进液母管（106），进液母管通过单元进液管与各储液单元连接，单元进液管上设有受控于MCU的电控阀门；进液母管与主进液管；

9个储液单元呈3行3列排布;所有的储液单元组成一个储液模块，储液模块的周围设有环绕式的喷液母管103，喷液母管通过单元出液管与各储液单元连接，单元出液管上设有受控于MCU的电控阀门（a1-a9）；喷液母管与喷液管连通；采用这种模式，单元出液管的长度能最小化，且易于布局；出液管为2个，一个正常使用，另一个作为冗余备用；

储液模块的后方设有分支式的进液母管，进液母管通过单元进液管与各储液单元连接，单元进液管上设有受控于MCU的电控阀门b1-b9；进液母管与主进液管（补液管）连通，补液管2个，一个正常使用，另一个作为冗余备用；

若液体有3种，且体积比为：1:1:1；可以按列分为三组：（I）M1，M4，M7连成一组，（II）M2，M5，M8连成一组，（III）M3，M6，M9连成一组，三组各存放不同的液体；

或者，若液体有6种，且体积比为：1:1:1:1:1：4；M5，M6，M8和M9形成一组，其余的M1-M4和M5中的每一个单独使用，可以形成6个组使用；

植株种植区呈多行多列排布或环形阵列排布，每一个植株种植区侧边设有一个用于作业车停驻的工作位（111），这个区域不会干扰植株生长，该区域设有传感器，如接近传感器，用于作业车识别；

作业车上集成有无人驾驶模块；自动导航，自动实施补液，喷液，检测和充电操作；

植株数据采集模块为用于采集植株茎杆直径的直径测量装置；

直径测量装置为夹头式直径测量装置；

直径测量装置为基于图像处理的直径测量装置，直径测量装置包括旋转台（115）和设置在旋转台上的摄像头（116）、扫描模块（117）和测距模块（118）；MCU中设有图像处理模块；

扫描模块为雷达扫描模块，用于确定植株的精确方位，确定精确方位后，采用激光测距模块测试植株与小车的距离，该距离用于标定摄像头，摄像头拍摄照片，拍摄的照片在图像处理模块进行处理，图像处理模块基于该距离确定每一个像素对应的对象尺寸，从图像中分离出植株茎杆部分，统计茎杆部分的像素，再结合每一个像素对应的对象尺寸，算出茎秆的直径；

作业车上设有无线通信模块和定位模块；

无线通信模块用于将采集的数据上传到监控服务器；

定位模块可以使北斗或GPS定位模块，或专用的室内定位模块，无线通信模块为3G、4G、5G通信模块或WiFi通信模块；

作业区内设有用于为作业车充电的充电区，作业车采用电池驱动；

系统还包括用于作业区监控的多功能航拍飞行器，包括支架、旋翼、底板、云台33、支腿和相机；

旋翼和云台设置在支架上；

底板固定在支架底部；相机安装在云台上；

支腿固定在底板的底部；

相机包括机身和复合式镜头；机身内设有CCD传感器，机身上设有用于镜头对准的光电发射与接收装置；

复合式镜头上设有转轴；复合式镜头内集成有4个子镜头；子镜头沿复合式镜头的周向均匀布置；复合式镜头的后端还设有与所述光电发射与接收装置适配的光反射片；机身内还设有用于驱动镜头旋转的步进电机；光电发射与接收装置和光反射片为2套，呈轴线对称，对准效果更好，只有2套光电发射与接收装置和光反射片都对准后，才认为镜头与CCD传感器对准了，这样对准精度更高；

支腿为4根，支腿竖直设置，相邻支腿之间的设置有水平的横梁；支腿包括上支腿、下支腿和脚钉；上支腿下端设有导向槽；下支腿上端设有导向杆；导向杆插装在导向槽中；在导向槽内设有弹簧；弹簧设置在导向槽的顶壁与导向杆顶端之间；下支腿的下端部设有脚钉；下支腿的下端部的外壁设有外螺纹；下支腿的下端部套接有带内螺纹的套筒，套筒的下端设有垫环；底盘上还设置有陀螺仪和无线通信模块；陀螺仪用于导航，无线通信模块用于接收遥控器的指令，并将拍摄的照片和视频信息传送到地面接收端设备；所述的支架为由4个结构相同的伸缩式悬臂组成的十字形悬臂架；每一个伸缩式悬臂包括外臂和内臂；外臂的内端部与内臂的外端部通过锁扣相连；锁扣上设有带倒刺的插脚；锁扣为多个；外臂的内端部和内臂的外端部均设有多组用于插脚穿过的插孔；每组插孔包括至少2个插孔；旋翼包括主旋翼和副旋翼；在外臂的外端部设有主旋翼和副悬臂；主旋翼和副悬臂共轴线设置，且主旋翼位于外臂的上方，副旋翼位于外臂的下方；主旋翼的桨径大于副旋翼的桨径；副旋翼为涵道风扇，副旋翼通过涵道风扇固定件固定在外臂的底部；锁扣具有壳体；壳体包括外壳体、压块和压簧；插脚为2根；插脚固定在外壳体上；压块位于外壳体内并套装在2根插脚上；压块能沿插脚移动；压块与插脚之间设有压簧，压簧套装在插脚的根部；外臂的内端部设有2组用于插脚穿过的插孔；外臂上的每组插孔包括2个插孔；锁扣为2个；内臂的外端部上等间距设有4组用于插脚穿过的插孔；内臂上的每组插孔包括2个插孔；副旋翼的桨径与主旋翼的桨径之比为0.2-0.35；垫环为橡胶材质，脚钉为不锈钢材质；

系统还包括分拣装置，分拣装置包括用于分拣的分拣台、2块平行布置的竖直挡板以及用于驱动竖直挡板平移以调节2块竖直挡板之间间距的间距调节机构，分拣台上还设有落料机构，用于将不能通过挡板的分拣对象落至存储筐；

分拣台倾斜设置，倾斜角度为5-15度，便于分拣对象在重力作用下行进至竖直挡板处；

间距调节机构为2组，2组调节机构用于分别驱动2组检测模块相互靠拢或分离；

传动机构为丝杆，安装板上设有螺孔，分拣台上设有用于为安装板导向的导向机构；丝杆插装在螺孔中，电机的旋转能通过丝杆驱动安装板横向移动；

传动机构还可以是同步带传动机构，同步轮上设有同步带，同步带上固定有滑块，滑块也固定在安装板上，在电机的驱动下，安装板能沿横向的导轨滑动；

安装板上设有间距检测装置；间距检测装置包括竖杆、拉线和线轮；竖杆为2根，分别设置在2块安装板上，记为第一竖杆和第二竖杆；线轮设置在第一竖杆上，拉线缠绕在线轮上，拉线的引出端固定在第二竖杆上，且保持拉线水平；线轮上设有扭簧，用于保持拉线拉紧；线轮上还设有码盘，码盘与线轮同轴同步旋转，码盘输出脉冲信号到MCU，MCU基于脉冲数即换算出两根竖杆位移量的变化，从而计算处2块检测片之间的间距；MCU连接有显示屏，MCU还连接有通讯模块，通信模块用于将检测结果或间距值等传输到服务器或远程检测终端，或上位机；

安装板与竖杆之间设有用于加固的斜杆，防止竖杆倾斜；

分拣台上设有基座和气缸；

间距调节机构设置在基座上；分拣台上还设有为基座移动提供导向的导轨；

气缸的活塞杆与基座相连；

分拣装置处设有计数器，用于统计分拣结果；分拣装置处设有光电检测开关，用于检测在竖直挡板处是否存在分拣对象，作为落料机构动作的开启前提；落料机构由气缸驱动，气缸驱动底板向下转动；在分拣对象下坠，分拣装置处设有无线通信模块，用于将分拣统计数据上传到服务器；

采用作业车通过以下步骤实施检测：

步骤1：驱动移动检测车行进到被测植株处；

步骤2：数据采集：数据采集包括：

（1）采用夹头式直径检测装置检测被测植株的直径；

（2）采用RFID读写器采集植株处的RFID卡上的信息；

步骤3：移动检测车通过无线通信模块将采集的数据发送到数据采集平台；

所述的驱动移动检测车上还设有检测土壤温湿度的伸缩式探针，探针上设有温湿度传感器；

数据监控平台和多个移动检测终端能形成一个检测系统；移动检测终端与数据监控平台无线通信连接；

移动检测终端能与在土壤中设置的多个固定式检测终端进行通信，移动检测终端能作为移动数据汇聚节点；

固定式检测终端上设有温湿度传感器；固定式检测终端与数据监控平台有线或无线通信连接；

移动检测终端具有电动行走机构和锂电池；锂电池用于驱动电动行走机构，还用于为移动检测终端上设置的检测设备供电；

监控区域为方形区域；方形区域按纵横放下分为多个方形的子区域；每一个子区域至少设有一个充电平台；每一个子区域内至少配备一个移动检测终端；

每一个子区域内设有一个用于汇聚检测数据的汇聚终端；汇聚终端与监控平台通信连接；移动检测终端与汇聚终端无线通信连接；

监控系统还包括具有相机的飞行器；飞行器降落在无线充电平台上时，无线充电平台能为飞行器无线充电，飞行器上还设有储液箱以及喷洒机构，飞行器用于喷洒农药以及获取大场景的监控图像或视频；

固定式检测终端处设有害虫检测装置；

另外，部分或全部植株上设有ID卡，移动检测终端上设有RFID读写器，用于读取所述ID卡上的信息，包括品种，种子日期，并且将相关信息写入到ID卡上；

或者，部分或全部植株上设有ID码，移动检测终端上设有扫码装置；

因此能将对应的植株信息在监控平台中进行维护；

土壤中设有喷淋管道，用于实现湿度控制，监控区域具有窗户自动开闭装置和照明装置，用于光照控制，以及监控区域具有空气温度调节器，用于实现温度控制，喷淋管道、窗户自动开闭装置、照明装置、空气温度调节器均受控于监控平台；

移动检测终端也设有喷淋装置，用于喷洒特殊液体，如液态肥料；

移动检测终端可以在地面上行走，移动检测终端也能通过通道卡到汽车上；车载平台上设有相机支撑杆，相机支撑杆的顶端设有相机；相机的控制端与MCU相连，相机采集的图像数据传输到与MCU相连的存储器上，图像数据还在于MCU相连的显示屏上显示；

MCU还连接有无线通信模块和定位模块；定位模块为北斗和GPS模块，无线通信模块为GPRS、3G、4G或5G模块或WiFi模块；

车载平台上设有太阳能电池板，太阳能电池板通过充电电路为电池充电；

车载平台上设有用于为电池充电的无线充电电路，所述的电池为动力锂电池，车安装平台处于无线充电车位上时，无线车位上的无线充电系统为动力锂电池充电；

包括以下检测和控制：

温度、湿度、光照参数的采集和控制；

固定式检测终端采集温度、湿度和光照参数返回到数据监控平台；

数据监控平台实现温度、湿度和光照控制；

基于移动检测终端的植株直径检测；

智能作业车采集植株直径数据，将获取的直径数据返回到数据监控平台，后台工作人员基于移动检测终端上的定位装置以及相机为辅助，基于无线智能作业车行走，并在车载相机的辅助下，准确夹住植株的茎杆部，以获取直径数据；并将数据与具体的植株ID关联；

基于飞行器的监控图像采集；

飞行器按预定飞行路线飞行，或由后台的操作员控制其飞行，从而采集图像或视频；

（4）基于飞行器的病虫害防治控制；

通过固定式检测终端处设置的害虫检测装置获取病虫害数据，若该数据超过预设的阈值，则起动飞行器在发生病虫害的某一区域或包括相邻区域喷洒农药；具体飞行路径进行自动规划或由后台操作员控制；

另外，还包括：

（5）充电控制；

飞行器以及移动检测终端在充电平台上时，启动无线充电装置对飞行器及移动检测终端实现无线充电；

温度控制是数据监控平台指启动或关闭空调，并设置空调的温度；

湿度控制，是指据监控平台通过控制喷淋系统保持土壤湿度在预设的范围内；

光照控制，若光照低于某一阈值，则开启照明或打开窗户；否则，若光照高于某一阈值，则关闭照明或关闭窗户；

通过上述控制，使得作物在最适合的环境下生长；

（6）检测直径的相机也采用多子镜头的复合式相机，能自动切换子镜头以调节焦距。