气动式垂直升降作物图像远程监控系统

本发明涉及气动式垂直升降作物图像远程监控系统，属于自动控制技术领域。

目前，传统的作物成像系统多为固定高度安装，其固定支架不便于运输，安装过程复杂。另外，随着作物的不断生长发育，要能实现对作物的不同阶段进行精细观察，必须要求监控设备能够在一定范围进行精细微调，而现有作物成像系统无法实现观测距离、高度、角度等的调整。因此，作为作物成像系统，这种设计无法满足复杂田间环境下对一定范围内的农作物进行精细观察的需求。更不能精准、实时地对作物冻害、干旱、病斑、虫害、胁迫等灾害进行监测和预警，严重影响作物监控系统的实际农事指导价值。

现有的作物监控系统，均采用定点定高式安装，只能以固定高度安装点为圆心，进行不同角度的拍摄，拍摄的效果比较单一。尚无法充分、全面地获得作物实况信息，不能通过作物近景图像所体现的作物冠层、叶片、茎杆等的颜、纹理、形状等特征对作物长势进行有效的判断，不能更好地为生产决策服务。

本发明要解决的技术问题是提供一种能够克服上述技术问题，可在野外大田复杂环境下进行视频监控的垂直升降作物成像系统，通过物联网远程控制该系统对农作物进行精细观察。

本发明包括：气动式升降杆、云台摄像头、物联网远程控制系统三部分。其中，气动式升降杆由底座、支撑架、气嘴、通气管、固定套杆、4层升降杆、摄像头托台、气泵、排气电磁阀组成；云台摄像头由云台和360度全景自变焦网络摄像头组成；远程控制系统包括升降杆状态远程控制模块和作物成像远程控制模块。升降杆架设于田间合适位置，云台摄像头固定于升降杆顶端的摄像头托台上，升降杆高度调整、摄像头成像设置均由远程控制系统完成。

所述气动式升降杆底座和支撑架用于固定升降杆，气嘴设置于底座上，气嘴、底座、固定套杆和4层升降杆内腔相通，通气管连接气泵、排气电磁阀和气嘴，摄像头托台位于第4层升降杆顶端，升降杆通过气泵驱动，运用空气动力学原理，借助空气压力推动活塞，带动汽缸，空气经由设置于底座上的气嘴进入固定套杆内腔，通过控制气泵进气，逐级推动4层升降杆，实现升降杆的上升运动，通过控制排气电磁阀排气，实现升降杆的逐级下降运动。所述底座、支撑架、固定套杆和4层升降杆均采用高强度铝合金制造，负载大、无噪音、运行平稳，同时具有防雨、防尘、防腐蚀、防盐雾等功能。

所述云台摄像头装设于摄像头托台上，所述云台支持摄像头360度全方位旋转，能够满足田间作物不同角度观察的需求，所述摄像头具有自动对焦功能，同时支持对焦变倍的远程手动控制，可实现常规自动监控和个性化手动监测。所述云台摄像头的拍摄高度调整，是通过气动升降杆的上下运动来实现。本发明既可以满足不同角度拍摄的需要，又可根据农作物实际生长情况调整拍摄高度，以获得高质量、高清晰、有针对性的监控视频。

所述物联网远程控制系统包括升降杆状态远程控制模块和作物成像远程控制模块，两模块通过接口与物联网平台相连，通过物联网远程控制系统实现对本发明的控制。控制模块采用了Socket通信方法，根据TCP/IP协议进行数据传输，基于Windows系统平台，设计了客户端应用程序，对气泵和云台进行远程控制，从而实现作物多维度图像的获取。所述升降杆状态远程控制模块，是通过气泵和排气电磁阀的控制接口，控制两者的开启关闭状态实现升降杆上升、暂停和下降操作，其中气泵工作而排气阀关闭时，升降杆处于上升状态，气泵关闭而排气阀开启时，升降杆处于下降状态，气泵和排气阀均关闭时，升降杆处于暂停运动状态。物联网远程控制界面设置人为手动控制方式和自动控制方式，在用户需要手动控制作物观测高度时，系统自动切换至手动控制模式，用户通过点击上升、下降、暂停按钮来控制本发明的定位高度；在无用户手动控制请求的情况下，物联网监测系统根据预设的高度控制算法来控制观测高度，该高度控制算法是根据监测系统传回的田间作物冠层图像所自动预估的叶面积指数来判断作物的生育时期，进而根据作物种类推算其实际高度，根据不同作物的实际观测需求，确定适合的观测高度，物联网系统自动控制本发明到达理想的观测高度。所述气泵和排气电磁阀的控制接口连接有无线通讯模块，本系统通过无线通讯模块可以以无线或有线的方式连接远端的服务器，通过相应的控制程序和协议能够使远端的服务器远程控制升降杆的运动，从而控制本发明的运动。由于气动式升降杆的定位精度高，通过对其升降高度的控制可以实现对一定范围内的农作物精确定位，并进行精细实时观察。所述作物成像远程控制模块通过上位机可以实现云台摄像头拍摄角度的360度全方位控制，可以通过上位机上的不同模式，把云台摄像头方便快捷的定位到想要观察的点上，实现对不同角度的农作物监控成像。同时，该系统支持全天候常规自动监测，每观测点设置8个最佳观测角度，摄像头观测角度每30min自动调整一次，最佳观测角度的设定是根据本发明装设之初设备调试时，由专业技术人员根据被测作物品种、设备装设位置、田块面积等实际监测条件设定，作物成像远程控制模块自动记录这8个最适观测角度，在实际监测时依据从左向右、从上到下的次序依次变换。处于每个观测角度的观测焦距每10min自动调整一次，观测焦距设置为远、中、近三个等级，远焦用于监测田间作物体图像，中焦用于监测田间作物冠层图像，而近焦则用于监测作物叶部、茎杆、穗部等细节图像。焦距的设定也是由专业技术人员在设备安装之初，根据实际监测需求设定，系统根据远、中、近的顺序依次变换。摄像头具有自动对焦功能，可根据物距的变换自动确定合适的像距，生成清晰的作物影像。另外，根据用户实时查看作物长势的需求，设置远程手动控制功能，用户可根据观察需要人为点击手动控制界面上的拍摄角度上、下、左、右控制按钮，并拖动物距调节滚动条，来实现对摄像头拍摄角度、拍摄焦距等的控制，从而获取用户所想观察的作物图像信息。该模块支持全天候自动录像，以及图像自动抓拍、上传、质量检测、存储、查看等功能，摄像头根据控制程序自动全天候变换拍摄角度、焦距，全过程自动录制，摄像头非移动过程中，每5min自动抓拍作物图像，图像自动上传至服务器，物联网平台根据预设的图像亮度、清晰度筛选算法，对图像质量进行控制，筛除昏暗、不清晰的图像，对合格的图像进行自动存储，并支持用户实时查看。本系统可通过有线或无线的方式连接远端的服务器，用户也可以通过PC、手机或平板电脑等终端实时观察作物的生长情况，并控制本发明的移动实现对农作物不同区域、不同尺度的观测。

本发明的优点是结构简单，拍摄高度可以垂直变换，并支持摄像头的360角旋转，能够从不同高度、不同方位进行作物拍摄，监控效果多元化，可以得到不同侧面的作物图像，便于用户更准确的掌握作物生长情况，也便于作物专家的远程诊断。本发明运用气动式升降支架，其体积小，重量轻，运输、安装和使用方便，可以安装在路面、田埂上，并能够迅速的架设，具有很强的应用价值。气动式升降支架为高强度铝合金材质，负载大、无噪音、运行平稳，并可根据实际要求进行设计与生产，以满足复杂田间环境下作物精细观测的需要。本发明通过物联网远程控制系统，可以完成田间作物多角度、多尺度、全方位、全天候的监控视频的录制，并支持田间图像的抓拍、上传，可利用图像获取的作物长势、颜、纹理等信息，对田间作物病虫害、养分胁迫、干旱、冻害、干热风等进行灾害的自动化监测具有十分重要的应用价值。

图1是本发明所述气动式垂直升降作物图像远程监控系统的正视图。

图2是本发明所述气动式垂直升降作物图像远程监控系统的侧视图。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。如图1和图2所示，本发明包括：360度全景自变焦网络摄像头1、云台2、摄像头托台3、第四层升降杆4、第三层升降杆5、第二层升降杆6、第一层升降杆7、固定套杆8、支撑架9、底座10、气嘴11、通气管12、排气电磁阀13、气泵14、远程控制模块15、有线和无线网络16、PC/移动手机/平板电脑等客户端17。

本发明安装好后，通过无线通讯模块可以以无线或有线网络16，连接远端服务器的物联网远程控制系统，通过相应的控制程序和协议，能够使远端的服务器远程控制气泵14和排气电磁阀13的状态，调节第四层升降杆4、第三层升降杆5、第二层升降杆6、第一层升降杆7的逐级运动，从而控制摄像头1的拍摄高度，另外，通过远程控制系统调节云台2的角度，并进行摄像头变焦设置，来达到对作物生长情况全方位、不同侧面监控的目的。用户可以通过PC、手机或平板电脑等客户端17实时查看作物长势及灾害发生情况，以便及时采取相应措施。

本发明是一套可以通过网络远程控制的实时成像系统，适用于野外全天候复杂环境下的农作物监控与成像，在无人值守的情况下，通过互联网远程控制该系统对农作物进行精细观察，并支持个性化手动观测。本发明通过对运动部件的特殊处理和整个系统的防护设计，可以有效的防盐雾、防雨、防腐蚀，使本发明真正达到野外全天候环境下的可靠运行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。