基于轨道式滑动传感器组进行精细化保植的方法和系统与流程

1.本发明涉及基于轨道式滑动传感器组进行精细化保植的方法和系统，属于农业监测设备领域。


背景技术：

2.对于精细化保植，先有方案往往采用数量众多普通传感器在大棚内进行铺设。此种传统方案有几个方面缺点，成本高维护麻烦，传感参数少/精细化程度低，无法进行肥料补充。
3.传统方案的铺设数量导致了成本高和维护麻烦，要得到整个大棚的温/湿度/光照分布情况，就需要大量在棚内放置传感器，数量决定了成本高以及后续损坏维修和更换的难度。同时有线方式部署会更加难维护，无线方式部署则涉及到换电池的问题。
4.传统方案普通传感器数量虽然多，但传感器网络还是很难做到“一株一传感”，一般都是分区块铺设的，即使完全不考虑成本的“一株一传感”，在大棚更换作物类型后还需要重新部署传感器。同时，同样因为数量，每个传感器功能有限。在无线的版本种，省电也是很大的限制条件，无法高频率上传数据，进行更精细化的管理。
5.专利cn 105302206 a公开了一种大棚生产管理终端机器人及系统，采用移动传感器的方案，相比于传统的“一株一传感”的方案，该专利采用一个可移动的传感器组实现了大棚内部各区域的环境参数的采集，但是其不能精确地控制数据采集的位置，并不适用于需要精细化保植的场景，且该方案只能实现环境的监测，并不具备保植的功能，只考虑到环境监控，发现问题仍然需要其他管理手段介入，或配合其他保植系统，自动化程度较低，无法实现监控保植一体化。


技术实现要素：

6.为了解决目前的保植系统精细化、自动化程度低的问题，本发明提供了基于轨道式滑动传感器组进行精细化保植的方法和系统，所述技术方案如下：
7.本发明的第一个目的在于提供一种精细化保植系统，包括：云服务器、本地控制柜、数据采集装置和水肥施放装置；
8.所述本地控制柜分别与所述传感器组、水肥施放装置和云服务器连接；所述数据采集装置用于采集植株生长的环境数据，并上传到控制柜；所述控制柜将数据上传至所述云服务器；所述云服务器基于上传的数据生成工作指令并下发至所述控制柜，所述控制柜根据所述工作指令控制所述数据采集装置和所述水肥施放装置的工作；
9.所述数据采集装置包括：传感器组和摄像头，固定安装于滑动平台上；所述滑动平台安装于滑动轨道上，所述滑动轨道按植株种植位置铺设，所述滑动平台的位置和动作由所述本地控制柜控制；
10.所述水肥施放装置也安装于所述滑动平台上。
11.可选的，所述水肥施放装置包括：注入式水肥补充装置；
12.所述注入式水肥补充装置包括：电机、螺纹压杆、活塞、水肥补充杆、水肥存储仓；
13.所述水肥补充杆内部中空，水肥出口处设有第一单向阀；所述水肥存储仓与所述水肥补充杆内部联通，并设有第二单向阀以防止所述水肥补充杆中的肥料回流进所述水肥存储仓；所述活塞安装在所述螺纹压杆下端，所述螺纹压杆上端连接所述电机，所述电机与所述本地控制柜连接。
14.可选的，所述水肥施放装置包括：喷淋式水肥补充装置；
15.所述喷淋式水肥补充装置包括：电机、螺纹压杆、活塞、水肥补充杆；所述水肥补充杆内部中空，底部设有喷嘴，所述活塞安装在所述螺纹压杆下端，所述螺纹压杆上端连接所述电机，所述电机与所述本地控制柜连接。
16.可选的，所述云服务器和本地控制柜之间基于mott协议进行数据传输。
17.可选的，所述本地控制柜与所述数据采集装置、水肥施放装置之间采用有线通讯方式。
18.可选的，所述传感器组包括：光照传感器、伸缩式土壤传感器、二氧化碳传感器、温度传感器、湿度传感器。
19.可选的，所述伸缩式土壤传感器由小直流电机驱动插入土壤。
20.本发明的第二个目的在于提供一种精细化保植方法，包括：
21.步骤一：植株位置初始化，采用摄像头对每一个植株进行定位，记录植株位置；
22.步骤二：本地控制柜控制滑动平台移动至所述植株位置；
23.步骤三：所述本地控制柜驱动传感器组中的多个传感器采集植株生长的环境参数，摄像头拍摄当前植株照片，并将环境参数和照片上传至所述本地控制柜；
24.步骤四：所述本地控制柜实时上传环境参数和照片到云服务器，云服务器进行计算和分析，并下发工作指令到所述本地控制柜；
25.步骤五：所述本地控制柜根据所述工作指令驱动所述传感器组、摄像头继续工作，并驱动所述水肥施放装置补充肥料。
26.可选的，所述植株位置初始化的过程包括：
27.步骤1：在植株前面设置打点图钉，所述打点图钉为容易被摄像头辨认的物体；
28.步骤2：本地控制柜驱动滑动平台，带动摄像头沿种植区域滑动并进行拍照采样，记录所有打点图钉距离滑动平台起点的距离，作为植株位置的初始化信息。
29.可选的，所述植株位置初始化的过程包括：
30.步骤1：工作人员打开云端管理界面，通过左右按钮远程移动摄像头；
31.步骤2：当植株进入摄像头中部定位方框，则点击“新增植株初始化定位”；
32.步骤3：重复上述步骤直到摄像头从一端走到另外一端；
33.步骤4：保存所有植株初始化定位信息。
34.本发明有益效果是：
35.本发明的精细化保植系统和方法，将采集数据的传感器、摄像头和水肥施放装置集中安装于同一滑动平台，在本地控制柜的指令下，可以精确地停留在植株种植区域的任何位置，从而采集任意位置的环境参数；本发明采用的摄像头，不仅可以采集植物照片，也可以通过摄像头设备算法，精确定位植株，实现精细化保植。
36.本发明结合云计算技术，通过本地控制柜实现滑动平台的准确定位，对植物周围
的小环境精确感知，并配合自动化水肥补充施放模块，加强保植效果，解决了大面积施放不均匀，后续肥力流失减弱等问题，相比于现有的农业管理系统，本发明不仅实现了环境监测，同时实现了自动化施肥和某些植物的重点关注，兼具监测和保植的功能，自动化程度大大提升。
37.此外，本发明的本地控制柜和各环境参数采集装置、水肥施放装置之间可以通过有线传输，因此功耗较小，节约能源。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1是本发明的轨道式滑动传感器保植装置的整体示意图。
40.图2是本发明的移动滑台上传感器组、摄像头和水肥补充装置的安装示意图。
41.图3是本发明实施例二的“打点图钉”定位方法图。
42.图4是本发明实施例二的插入式水肥补充装置的结构图。
43.图5是本发明实施例二的喷淋式水肥补充装置的结构图。
44.图6是本发明实施例二的整体软硬件架构图。
45.图7是本发明实施例二的整体运行逻辑图。
具体实施方式
46.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
47.实施例一：
48.本实施例提供一种精细化保植系统，包括：云服务器、本地控制柜、数据采集装置和水肥施放装置；
49.本地控制柜分别与传感器组、水肥施放装置和云服务器连接；数据采集装置用于采集植株生长的环境数据，并上传到控制柜；控制柜将数据上传至云服务器；云服务器基于上传的数据生成工作指令并下发至控制柜，控制柜根据工作指令控制数据采集装置和水肥施放装置的工作；
50.数据采集装置包括：传感器组和摄像头，固定安装于滑动平台上；滑动平台安装于滑动轨道上，滑动轨道按植株种植位置铺设，滑动平台的位置和动作由本地控制柜控制；
51.水肥施放装置也安装于滑动平台上。
52.实施例二：
53.本实施例提供一种精细化保植系统，参见图1。
54.本实施例的精细化保植装置为通过直流电机在滑轨上精确位移、基于摄像头定位的，多功能农业保值传感器平台。
55.如图1所示，在大棚内安装一个略短于大棚但长于种植地块的轨道，同时安装轨道等长的同步带，由直流电机驱动，可前后运动。滑轨的滑块上安装一个传感器平台，并固定
于同步带。通过控制柜的信号，可驱动平台精确平稳运动到轨道的任意一个位置。
56.如图2所示，传感器平台上安装有摄像头、光照传感器、伸缩式土壤传感器，以及大量其它空气传感器，如空气温湿度、二氧化碳传感器等。
57.此外，还包括精细化补充水肥投放模块，更加精准有效施放。可选择土壤注入式和喷淋式施放模块。
58.本实施例的精细化保植装置，可以采用摄像头进行精准的植株定位，由控制柜控制传感器平台在大棚中移动，摄像头在随传感器平台移动的过程中实现植株位置的初始化，每一株植物的位置信息由摄像头记录并保存到控制柜。
59.本实施例的保植装置采用周期性巡检的方式对植物进行生长环境和生长情况的观察，可根据实际需求设置巡检周期和每株植物的检测周期。巡检时，保植装置依据保存的植株位置精准的停留在植株前方，传感器组采集所有的环境参数，并通过有线通讯的方式传输到控制柜，由控制柜上传到云端进行数据展示和计算，云端基于环境数据下发工作任务到控制柜，由控制柜控制传感器平台的运行，其中就包括决定是否需要补充水肥，以及采用哪种方式进行水肥补充，最后控制柜控制水肥投放模块对植株进行自动化施肥，本实施例的整体软硬件系统结构如图6所示，系统的整体运行流程如图7所示。
60.整个精细化保植系统的工作流程包括以下几个部分：
61.一、植株位置初始化：
62.不同植株外观差异较大，并且种植密集，通过纯粹的图像分析对植株的定位效果不佳。本实施例中可采用两种植株位置初始化方式，分别是打点式初始化方式和远程手动式初始化方式。
63.打点式初始化步骤如下：
64.1.将如图的塑料制“打点图钉”插入到植株前面摄像头可以看到的位置，每个植株一个，”打点图钉”可采用abs等材料制成，大小约在2cm左右，颜色鲜艳容易被摄像头辨认；
65.2.如上图所示，传感平台带动摄像头一边向一侧运动一边拍照，每次运动的距离按植株间距合理设定，太大会遗漏植株，太小也会增加定位时间，根据香农采样原理，应略小于植株平均距离一半。移动过程中不停比较前后两张照片图中的“打点图钉”位置；
66.3.已经记录且在画面中的“打点图钉”位置可以被对比出来并从分析中忽略，剩下的“打点图钉”便是从画面左侧进入画面的新探测到的点位，同样计算位置并记录；记录下位置均为植株相对于传感平台起点的距离。未来平台可以根据这个距离信息随时移动到对应植株。
67.4.重复上述动作直到平台移动到最左边，记录下所有“打点图钉”的位置，作为植株位置的初始化信息。
68.远程手动式步骤如下：
69.1.后台工作人员打开云端管理界面，通过左右按钮远程移动摄像头；
70.2.当植株进入摄像头中部定位方框，则点击“新增植株初始化定位”；
71.3.重复上述步骤直到摄像头从一头走到另外一头；
72.4.保存所有植株初始化定位信息。
73.二、自动化检测：
74.每隔一个巡检周期，平台按植株位置运行一个来回，确保在每个植株前停留一个
检测周期(1分钟)。
75.三、植株精细化检测：
76.每个检测周期开始时，控制柜驱动传感器组中的多个传感器开始采集植株位置的环境参数，同时也会驱动平台内部小直流电机，将伸缩式土壤传感器插入土内5-10厘米(不同种类植株根系深度可配置)，在周期结束前拔出。并完全缩回，以通过平台内的毛刷清理检测杆，刷掉多余土壤。
77.四、数据上传：
78.在每个检测周期结束前，上传最后20s内所有传感器多组参数到控制柜，并上传当前植株照片到控制柜，本实施例采用有线通信的方式上传数据，可采用483、can等现场通信协议进行传输。
79.五、数据上传、分析和指令下发：
80.控制柜实时上传所有数据到云端，同时实时下发所有参数变化和命令到传感器平台，可采用nb-iot、4g、5g等通讯方式。
81.六、云端对上传的环境参数和植株照片进行分析处理，判断植株的生长情况，并根据判断结果下发指令到控制柜，可以制定计划外流程，重点关注某植株，可在巡检周期外额外停留更多使时间在重点关注植株；同时可以视情况对植株进行定时定量以及个性化施放补充肥料。
82.水肥投放模块如图4和图5所示，图4为注入式水肥补充设备(针对蔬菜类)，安装于平台下方，图5是喷淋式水肥补充设备(针对菌菇类)，安装于平台上方。
83.需要补充肥料时，插入式水肥补充装置通过电机整体自动下降插入土壤，再通过电机下降活塞挤压出液态肥料注入土壤，具体操作过程如下：
84.1.螺纹压杆在小电机带动下旋转下压，推动活塞，上部单向阀关闭，防止液态肥料回流储存仓，底部的单向阀将被打开，液态肥料注入土壤；
85.2.下压的距离通过旋转的圈数控制，通过不同的旋转圈数控制补充量；
86.3.完成补充后反向选择同样的圈数使活塞回归原位，下部单向阀关闭，上部单向阀打开，液态肥料从存储仓吸入到补充杆；
87.4.整体复位到初始状态。
88.喷淋式水肥补充装置如图5所示，不需要水肥储存箱体，直接通过电机带动活塞下降喷洒水肥。
89.本实施例的精细化保植系统，将采集数据的传感器、摄像头和水肥施放装置集中安装于同一滑动平台，在本地控制柜的指令下，可以精确地停留在植株种植区域的任何位置，从而采集任意位置的环境参数；摄像头不仅可以采集植物照片，也用于通过摄像头设备算法，精确定位植株，实现精细化保植。
90.本实施例结合云计算技术，通过本地控制柜实现滑动平台的准确定位，对植物周围的小环境精确感知，并配合自动化水肥补充施放模块，加强保植效果，解决了大面积施放不均匀，后续肥力流失减弱等问题，且可以根据植株的特性选择插入式施肥或喷淋式施肥。
91.相比于现有的农业管理系统，本实施例的系统不仅实现了环境监测，同时实现了自动化施肥和某些植物的重点关注，兼具监测和保植的功能，自动化程度大大提升。
92.此外，本实施例的本地控制柜和各环境参数采集装置、水肥施放装置之间的数据
通过有线传输，因此功耗较小，可以节约能源。
93.实施例三：
94.本实施例提供一种精细化保植方法，包括：
95.步骤一：植株位置初始化，采用摄像头对每一个植株进行定位，记录植株位置；
96.步骤二：本地控制柜控制滑动平台移动至所述植株位置；
97.步骤三：所述本地控制柜驱动传感器组中的多个传感器采集植株生长的环境参数，摄像头拍摄当前植株照片，并将环境参数和照片上传至所述本地控制柜；
98.步骤四：所述本地控制柜实时上传环境参数和照片到云服务器，云服务器进行计算和分析，并下发工作指令到所述本地控制柜；
99.步骤五：所述本地控制柜根据所述工作指令驱动所述传感器组、摄像头继续工作，并驱动所述水肥施放装置补充肥料。
100.本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
101.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。