一种基于北斗的大田环境时空信息监测系统及方法与流程

1.本发明涉及农业物联网、农业大数据和北斗应用领域，具体是指一种基于北斗的大田环境时空信息监测系统及方法。


背景技术：

2.在农业生产领域，大田的土壤温度、土壤湿度、光照强度、风速、降雨量等环境变量对农作物的产量和质量的影响是巨大的，传统农业的粗放式管理模式已经无法适应现代农业中精准种植的需求，为了由传统农业向现代农业转型，实现农业生产的精细化管理，就必须利用物联网技术实现对农田环境数据的实时监测与智能化管理，才可有效地提高农业生产效率与管理水平。
3.大田环境智能监测是指利用计算机技术、智能通信技术、遥感技术以及物联网技术等智能化技术，对大田区域环境进行定时定量的智能动态监测，从而获取能够反映大田特定环境的第一手数据资料。
4.基于物联网的大田环境监测是指在大田特定区域部署物联网环境监测站点，构建大田物联网环境监测系统，通过布设传感器感知节点实现大田环境数据的实时采集，并通过无线通信设备将数据实时发送到远程监测中心，实现对大田环境的智能监测与预警。
5.北斗卫星导航系统是中国自主建设、独立运行、与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，可以实现在全球范围内为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时、区域短报文通信服务。近年来，利用北斗卫星导航系统进行定位、导航及通信的终端设备导层出不穷，越来越多的领域可见到北斗终端的应用。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术的不足，提供一种基于北斗的大田环境时空信息监测系统及方法。
7.本发明是通过如下技术方案实现的，提供一种基于北斗的大田环境时空信息监测系统，包括环境信息采集模块、信息处理与传输模块、大田大数据监测预警模块；所述环境信息采集模块包括气象类传感器、土壤类传感器、地下水位传感器以及视频监测终端；所述信息处理与传输模块包括信号转换电路、微处理器以及均与微处理器电连接的北斗定位模块和北斗通信模块，所述微处理器通过北斗通信模块与大田大数据监测预警模块通信连接；所述大田大数据监测预警模块包括上位机软件、数据库、视频信息监测平台、以及大田大数据监测预警平台，所述上位机软件通过北斗通信模块与微处理器通信连接，视频信息监测平台与视频监测终端远程通信连接。
8.本方案中的地下水位传感器用于获取大田中的水位数据，视频监测终端用于实时获取大田视频数据，气象类传感器和土壤类传感器分别用来获取气象和土壤信息，使用上位机软件设置定时向北斗通信模块发送大田环境时空信息采集指令；所述北斗通信模块接收信息采集指令并将其发送到微处理器，微处理器接收采集指令并驱动环境信息采集模块
和北斗定位模块进行信息采集，环境信息采集模块中的各个传感器进行环境信息实时采集，北斗定位模块实时获取站点时间、位置等时空信息，并将采集的环境信息和时空信息发送给微处理器；微处理器将信息进行汇聚融合，并通过北斗通信模块发送给上位机软件，上位机软件将采集的数据分类存储到数据库，同时视频信息监测平台可以实现实时查看视频监测终端的视频信息；大田大数据监测预警平台对采集的环境时空信息进行全面分析、科学决策，并依据分析结果进行实时监测预警。
9.作为优化，所述气象类传感器包括空气温湿度传感器、二氧化碳传感器、光照度传感器、风速传感器、风向传感器和雨量传感器。本方案中的风速传感器和风向传感器用于获取大田中的风速和风向数据，光照度传感器和二氧化碳传感器用于获取大田中的光照度和二氧化碳浓度，空气温湿度传感器用于获取大田的空气温度、空气湿度，雨量传感器用于获取大田的降雨量数据。
10.作为优化，所述土壤类传感器包括土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤电导率传感器。本方案中的土壤温度传感器、土壤湿度传感器和土壤电导率传感器分别用于获取大田不同深度的土壤温度、土壤湿度和土壤电导率，作为优化，还包括设置在采集站点的支架，所述气象类传感器、土壤类传感器和地下水位传感器均与支架连接，所述视频监测终端安装在支架上。本方案中的支架用来支撑或连接传感器，还用来固定视频监测终端。
11.作为优化，所述视频监测终端外部罩有保护装置，所述保护装置包括顶部的遮雨盖、底部的托板以及侧面的侧挡板，所述托板为透明板。本方案中的遮雨盖、底部的托板以及侧面的侧挡板对视频监测终端起到防水防尘的保护作用，托板为透明板，在不影响视野的情况下实现了对视频监测终端的有效保护。
12.作为优化，所述托板下方装有远程清洁装置，所述远程清洁装置包括横向滑接在托板下方的清洁杆，所述清洁杆上套有套管，套管沿周向均布固接有4个弹性连接片，4个所述弹性连接片的端部分别装有清洁布、硬质塑料片、橡胶片和毛刷，所述托板下端面沿清洁杆移动方向的一端固接有翻转挡块，所述翻转挡块的截面为直角三角形且一条直角长边与托板贴合，还包括驱动清洁杆横向移动的驱动机构。
13.本方案通过驱动装置驱动清洁杆横向移动，套管套在清洁杆上可自由旋转，套管上的相邻两个弹性连接片贴合在托板下端面，通过两个弹性连接片上的清洁工具进行清洁，所述清洁工具包括清洁布、硬质塑料片、橡胶片和毛刷，其中两种与托板贴合进行同时清洁，清洁杆移动至一端时，前方的弹性连接片顶在翻转挡块的直角边上，清洁杆继续移动，从而实现套管的90度旋转，从而实现清洁工具的切换，清洁杆反向移动时，弹性连接片沿翻转挡块的斜边行走，通过弹性连接片的弹性变形适应斜边，此时套管不旋转，因此通过清洁杆的多次移动，可以实现多种工具的清洁。
14.作为优化，所述环境信息采集模块还包括协议转换设备，所述气象类传感器、土壤类传感器、地下水位传感器和视频监测终端分别通过协议转换设备与微处理器通信连接。本方案中的协议转换设备包括采集卡与集线器，所述协议转换设备分别与所有的传感器进行通信连接，用于微处理器与各传感器之间的协议转换。
15.作为优化，所述协议转换设备通过信号转换电路与微处理器电连接。本方案中的信号转换电路的作用是进行rs485信号与ttl信号的相互转换。
16.作为优化，还包括提供工作电源的电源模块，所述电源模块分别与环境信息采集模块、信息处理与传输模块电连接。本方案中的电源模块与所有的环境信息采集模块、信息处理与传输模块进行电连接，用于提供工作电源。
17.一种基于北斗的大田环境时空信息监测方法，其特征在于：使用上位机软件设置定时向北斗通信模块发送大田环境信息采集指令；所述北斗通信模块接收信息采集指令并将其发送到微处理器，微处理器接收采集指令并驱动环境信息采集模块和北斗定位模块进行数据采集，环境信息采集模块中的各个传感器进行环境信息实时采集，北斗定位模块实时获取站点时间、位置等时空信息，并将采集的环境信息和时空信息发送给微处理器；微处理器将信息进行汇聚融合，并通过北斗通信模块发送给上位机软件，上位机软件将采集的数据分类存储到数据库，同时视频信息监测平台可以实现实时查看视频监测终端的视频信息；大田大数据监测预警平台对采集的环境时空信息进行全面分析、科学决策，并依据分析结果进行实时监测预警，并将预警结果通过短信的方式发送给管理员。
18.本发明的有益效果为：本发明的一种基于北斗的大田环境时空信息监测系统，通过上位机软件定时向微处理器发送信息采集指令，通过微处理器将信息采集指令发送给环境信息采集模块和北斗定位模块，环境信息采集模块中的各个传感器进行数据采集并将采集的环境信息通过协议转换设备和信号转换电路发送给微处理器，北斗定位模块实时获取站点时间、位置等时空信息并发送给微处理器，微处理器将环境时空信息深度融合，提升了信息的丰富度和立体感，并通过北斗通信模块发送给上位机软件，上位机软件接收数据并通过数据库进行分类存储，视频信息监测平台可以实时获取现场视频信息，大田大数据监测预警平台集数据分析、科学决策、监测预警等功能于一体，首先通过环境模型对采集的数据进行深度挖掘分析，然后通过专家系统和决策系统进行科学决策，最后根据分析结果进行及时监测预警，真正实现了大田环境的智能化实时监测。
附图说明
19.图1为本发明整体架构示意图；图2为本发明具体结构示意图；图3为本发明现场布设结构示意图；图4为本发明视频监控终端保护装置示意图；图5为本发明视频监控终端保护装置侧视图；图6为本发明图5中a部放大图；图7为本发明监测方法的流程示意图；图中所示：1
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风速传感器，2
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光照度传感器，3
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避雷针，4
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二氧化碳传感器，5
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风向传感器，6
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太阳能板，7
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视频监测终端，8
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空气温湿度传感器，9
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控制箱，10
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雨量传感器，11
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土壤类传感器，12
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地下水位传感器，13
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抱箍，14
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遮雨盖，15
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托板，16
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通气孔，17
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过滤网，18
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清洁杆，19
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驱动绳，20
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滑轮，21
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驱动机构，22
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导向板，23
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导向槽，24
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套管，25
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弹性连接片，26
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下拉绳，27
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下拉块，28
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清洁布，29
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硬质塑料片，30
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橡胶片，31
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毛刷，32
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翻转挡块。
具体实施方式
20.为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
21.如图1~7所示，本发明的一种基于北斗的大田环境时空信息监测系统，包括环境信息采集模块、信息处理与传输模块、大田大数据监测预警模块，信息处理与传输模块分别与环境信息采集模块和大田大数据监测预警模块通信连接，其中信息处理与传输模块和环境信息采集模块设置在采集站点，大田大数据监测预警模块设置在监测室内。
22.所述环境信息采集模块包括气象类传感器、土壤类传感器、地下水位传感器以及视频监测终端。
23.所述气象类传感器包括空气温湿度传感器、二氧化碳传感器、光照度传感器、风速传感器、风向传感器和雨量传感器。
24.所述土壤类传感器11包括土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤电导率传感器。
25.还包括设置在采集站点的支架，所述气象类传感器、土壤类传感器和地下水位传感器均与支架连接，所述视频监测终端安装在支架上。
26.支架高为3.5m，在该支架的顶端固定一个1.5m宽的水平支架，在该水平支架的两端分别布设一个风速传感器1和一个风向传感器5，用于获取大田中的风速和风向数据。
27.在距离水平支架的左右两端各0.4m 处分别布设一个光照度传感器2和一个二氧化碳传感器4，用于获取大田中的光照度和二氧化碳浓度。
28.在支架的3.2m和2.8m处分别布设一个太阳能电池板6，用于为系统供电。
29.在支架的2.5m处布设一个视频监测终端7，用于实时获取大田视频数据。
30.在支架的2m处固定一个空气温湿度传感器8，用于获取大田的空气温度、空气湿度。
31.在水平地面布设雨量传感器10，用于获取大田的降雨量数据。
32.在距离支架的0.3m处，在距地面深度20cm和40cm处分别布设土壤类传感器11，用于获取大田在20cm和40cm深度的土壤温度、土壤湿度、土壤电导率，在距地面深30m处的井下布设地下水位传感器12，用于获取大田中的水位数据。
33.在支架的顶部安装避雷针3，支架的的中下部安装控制箱，所有传感器的线路通过控制箱进行统一布设。
34.所述视频监测终端外部罩有保护装置，所述保护装置包括顶部的遮雨盖14、底部的托板15以及侧面的侧挡板，所述托板15为透明板。
35.视频监测终端通过抱箍13与支架连接，遮雨板14外端向下倾斜30度固定，另一端连接固定于支架端，托板15外端向下倾斜15度固定，另一端固定于支架端，侧板分为前侧板、后侧板、左侧板、右侧板，分别竖直固定于视频监测终端的前侧、后侧、左侧和右侧，为了保证装置内的空气流通和雨水排出，在左侧板和右侧板分别打了三个通气孔16，通气孔在左、右侧板上在从上到下等间隔排列，在托板中间打了一个排水孔，同时为了减少灰尘的进入，在每一个通气孔16的内侧都安装了过滤网17，侧板和遮雨盖采用的材料是不锈钢板，托板采用的材料是不锈钢玻璃，在不影响视野的情况下实现了对视频监测终端的有效保护。
36.为了对托板15进行清洁，所述托板15下方装有远程清洁装置，所述远程清洁装置包括横向滑接在托板15下方的清洁杆18，左侧板和右侧板的下端分别向下延伸有导向板22，两个导向板22相对的面上开有对应的导向槽23，清洁杆18的两端分别插入两个导向槽
23。
37.还包括驱动清洁杆18横向移动的驱动机构，所述驱动机构21包括安装在支架上的电机，电机的转轴上装有卷筒，卷筒上绕有驱动绳19，所述驱动绳19绕过滑轮20后连接在清洁杆18上，从而驱动清洁杆18向一端平移，清洁杆18上还连接有下拉绳26，下拉绳26下端装有下拉块27，下拉绳26的方向与驱动绳19的方向相反，从而通过下拉块27的重力将清洁杆18向另一端平移。
38.如图6所示，所述清洁杆18上套有套管24，套管24沿周向均布固接有4个弹性连接片25，4个所述弹性连接片25的端部分别装有清洁布28、硬质塑料片29、橡胶片30和毛刷31，所述托板15下端面沿清洁杆18移动方向的一端固接有翻转挡块32，所述翻转挡块32的截面为直角三角形且一条直角长边与托板15贴合，套管套在清洁杆上可自由旋转，套管上的相邻两个弹性连接片贴合在托板下端面，通过两个弹性连接片上的清洁工具进行清洁，所述清洁工具包括清洁布、硬质塑料片、橡胶片和毛刷，其中两种与托板贴合进行同时清洁，清洁杆移动至一端时，前方的弹性连接片顶在翻转挡块的直角边上，清洁杆继续移动，从而实现套管的90度旋转，从而实现清洁工具的切换，清洁杆反向移动时，弹性连接片沿翻转挡块的斜边行走，通过弹性连接片的弹性变形适应斜边，此时套管不旋转，因此通过清洁杆的多次移动，可以实现多种工具的清洁。
39.所述环境信息采集模块还包括协议转换设备，所述气象类传感器、土壤类传感器、地下水位传感器和视频监测终端分别通过协议转换设备与述信息处理与传输模块通信连接。
40.所述信息处理与传输模块包括信号转换电路、微处理器以及均与微处理器电连接的北斗定位模块和北斗通信模块，所述微处理器通过北斗通信模块与大田大数据监测预警模块通信连接，微处理器与环境信息采集模块通信连接，所述气象类传感器、土壤类传感器、地下水位传感器和视频监测终端分别通过协议转换设备与微处理器通信连接，所述协议转换设备通过信号转换电路与微处理器通信连接。
41.所述北斗定位模块通过调用nmea
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0183协议的命令得到站点经度、纬度、海拔高度、时间等时空信息，该北斗定位模块能够通过串口与微处理进行通信。
42.所述北斗定位模块根据 sky traq控制协议对定位模块的串口波特率、输出脉冲宽度、输出频率等进行初始化设置。然后进入循环等待状态，当接收到卫星传来的数据时，通过nmea
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0183协议对数据进行解析，从中提取到所需的时空位置信息，并通过自适应kalman算法将时空位置信息进行滤波处理，得到最终准确的站点时空位置信息。
43.所述微处理器通过北斗通信模块与大田大数据监测预警模块通信连接；所述北斗通信模块的作用是通过微处理中待发送的数据向预设的上位机对端发送，同时视频采集终端采集的数据也需要通过北斗通信模块传输至视频信息监测平台。
44.所述大田大数据监测预警模块包括上位机软件、数据库、视频信息监测平台、以及大田大数据监测预警平台，所述上位机软件通过北斗通信模块与微处理器通信连接，视频信息监测平台与上位机软件通信连接，大田大数据监测预警平台通过数据库与上位机软件通信连接。
45.所述上位机软件主要是向下位机发送数据采集指令，同时接收北斗通信模块发送来的环境数据，并将其分类存储到数据库中，所述上位机软件可以实时显示北斗通信模块
的状态。
46.所述数据库负责存储环境信息采集模块所采集的数据，并根据气象类数据、土壤类数据、水位数据的原则进行分类存储。
47.所述的视频信息监测平台主要是对视频监测终端的视频数据进行实时查看，并设置定时抓拍。所述的大田大数据监测预警平台对采集的环境数据进行全面分析，并依据分析结果进行监测预警，最后根据大田的实际需求科学决策。
48.还包括提供工作电源的电源模块，所述电源模块分别与环境信息采集模块、信息处理与传输模块电连接。本实施例中所述电源模块与所有的传感器、视频监测模块、协议转换设备、微处理器、北斗定位模块、北斗通信模块、信号转换电路模块进行电连接。
49.一种基于北斗的大田环境时空信息监测方法：使用上位机软件设置定时向北斗通信模块发送大田环境信息采集指令；也可以在上位机软件中进行手动采集，发送采集指令给下位机，也会相应的完成一次数据采集。
50.所述北斗通信模块接收信息采集指令并将其发送到微处理器，微处理器开始工作，系统进入工作模式，向所连接的各个传感器和北斗定位模块发送信息采集指令，微处理器接收信息采集指令并驱动环境信息采集模块进行数据采集。
51.环境信息采集模块中的各个传感器进行数据实时数据采集，空气温湿度传感器、土壤类传感器、雨量传感器都是电流输出型的传感器，在接收到微处理器模块发送来的采集指令时，空气温湿度传感器和雨量传感器根据其内部协议判断采集指令是否匹配，匹配通过后将采集到的空气温湿度和雨量信息通过i2c总线传回微处理器的对应地址缓存区，土壤类传感器的输出信号为sdi
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12总线，需要使用集线器将sdi
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12总线转换为rs485信号，判断采集指令是否匹配，匹配通过后将采集到的土壤水分、土壤温度、土壤电导率信息通过485总线传回微处理器的对应地址缓存区。
52.风速传感器、风向传感器、光照度传感器、二氧化碳传感器、地下水位传感器都是电压型传感器，经采集卡转换后，电流输出范围为4
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20ma，当接收到微处理器模块发送来的采集指令时，以上传感器根据其内部协议判断采集指令是否匹配，匹配通过后将采集到的光照强度信息通过485总线传回微处理器的对应地址缓存区。
53.北斗定位模块通过串口收到采集指令时，对北斗卫星传来的数据进行解析，从中提取到所需的经度、纬度、海拔高度、时间等时空信息，并通过滤波算法对该时空信息进行处理，最终得到多元化的站点时空信息，保证了时空信息的立体感，并将其发送给微处理器。
54.微处理器将环境数据与时空信息融合处理，并通过北斗通信模块的短报文通信远程发送给上位机软件，当上位机软件检测到微处理器上传的信息时，上位机软件需要分析各个上传参数信息是否符合格式要求，若不符合格式要求，上位机软件会向下位机发送采集指令，重新进行数据采集，以保证上位机软件能够接收准确、符合格式要求的环境采集信息。
55.上位机软件将采集的数据分类存储到数据库，同时视频信息监测平台可以实现实时查看视频监测终端的视频信息。
56.大田大数据监测预警平台对采集的环境时空信息进行全面分析、科学决策，并依据分析结果进行实时监测预警，并将预警结果通过短信的方式发送给管理员。
57.当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。