CN112862272A - 精准农业管理及分析***、定位方法、终端及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明属于农业管理分析技术领域，公开了一种精准农业管理及分析***、定位方法、终端及存储介质，基于高精度定位的精准农业管理及分析***包括依次通过无线网络连接通讯的数据采集节点装置、巡检机器人和电脑终端信息管理平台；所述多个数据采集节点装置分别放置于每一株目标农作物前，实时采集农田环境数据；所述巡检机器人定期自动导航巡检农田；所述电脑终端信息管理平台分类存储数据，基于图像识别结果分析农作物的生长状态，以及基于农田环境数据分析、预测农作物的生长环境信息。本发明的巡检机器人可以自动导航巡检农田，减少了农业监测***的建造成本；电脑终端信息管理平台能够直观可视化地观察农作物的生长状态。

Description

精准农业管理及分析***、定位方法、终端及存储介质
技术领域
本发明属于农业管理分析技术领域，尤其涉及一种精准农业管理及分析***、定位方法、终端及存储介质。
背景技术
目前，传统农业一般以人力劳作为主，农民种植农作物凭经验、靠感觉。瓜果蔬菜该不该浇水、施肥、打药，怎样才能保持土壤湿度、棚内光照，这在以往都是人为模糊处理的问题，无法针对每一棵农作物实现按需供给。而且，在大农田范围对农作物进行巡查，不仅用工成本高，花费时间长，且无法保证照料到每一株农作物。
精准农业是未来农业发展的新方向，是在定位、导航的基础上，根据管理单元的土壤特性和农作物生长发育的需要，管理农作物的每一个生长过程以及农业物资的投放(如肥料、杀虫剂、种子等)，最大限度地发挥土壤和作物的潜力，做到既满足农作物生长发育的需要，又减少农业物资的浪费，从而保护生态环境质量，使农业可持续发展。
根据精准农业的需求，结合了现代信息技术的农业管理分析***开始逐渐应用于农田。现有的农业管理分析***采用了巡检机器人代替人力进行巡查，但是大部分是采用铺设导轨的方法来规定巡检机器人的行进路线，这样的方法会导致整个***成本较高；其次，现有的农业管理分析***主要功能是监测环境或是检测病虫害，较为复杂且不够直观，而基于图像识别结果对农作物本身的生长状态分析是一种直观的方式，目前少有***采用这种方式；最核心的是现有的大部分农业管理分析***作用对象是同一块农田区域内的农作物，没有真正实现对每一株农作物的精细化看管。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有的农业管理分析***采用了巡检机器人代替人力进行巡查，但是大部分是采用铺设导轨的方法来规定巡检机器人的行进路线，这样的方法会导致整个***成本较高；
(2)现有的农业管理分析***主要功能是监测环境或是检测病虫害，较为复杂且不够直观，而基于图像识别结果对农作物本身的生长状态分析是一种直观的方式，目前少有***采用这种方式；
(3)现有的大部分农业管理分析***作用对象是同一块农田区域内的农作物，没有真正实现对每一株农作物的精细化看管。
解决以上问题及缺陷的难度为：
需要为巡检机器人设计自动导航以及高精度定位的功能，要想实现每一株农作物的精细化看管，其对定位的精度要求非常高，这对于硬件配置以及程序的设计编写都具有很高的难度。
对于农作物的图像识别生长分析，由于拍照图像中通常包含多株农作物，将所需监测对象分割出来难度较大。
解决以上问题及缺陷的意义为：设计一种精准农业管理及分析***，通过共用的巡检机器人移动终端，实现自动导航、厘米级的精准定位，将大大减少***的成本，提高***的灵活性、适应性以及可拓展性；电脑终端的图像识别算法能够准确识别、分割处所监测的农作物对象，对其进行生长分析，能够真正实现对每一株农作物的精细化看管。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种精准农业管理及分析***、定位方法、终端及存储介质。
本发明是这样实现的，一种基于高精度定位的精准农业管理及分析***，所述基于高精度定位的精准农业管理及分析***包括依次通过无线网络连接通讯的数据采集节点装置、巡检机器人和电脑终端信息管理平台；
所述多个数据采集节点装置分别放置于每一株目标农作物前，通过融合多传感器的高精度定位方法实时采集农田环境数据；
所述巡检机器人定期自动导航巡检农田；所述巡检机器人通过融合多传感器的高精度定位方法配合数据采集节点装置在目标农作物前进行精确停车；
巡检机器人接收目标节点的农田环境数据以及对目标农作物拍照，将节点数据和图像打包后实时无线传输至电脑终端信息管理平台；所述电脑终端信息管理平台分类存储数据，基于图像识别结果分析农作物的生长状态，以及基于农田环境数据分析、预测农作物的生长环境信息。
进一步，所述数据采集节点装置包括用于采集农田环境信息的传感器模块以及用于辅助巡检机器人精确停车的辅助定位模块；所述辅助定位模块由测距传感器和WIFI无线通讯模块构成；所述数据采集节点装置内部通过编号管理区分各节点。
进一步，所述巡检机器人根据功能由上至下划分为三层结构：
最上层为信息接收层，放置摄像头和用于自动导航及精确停车的定位模块，定位模块包括GPS模块、IMU模块、测距传感器以及WIFI无线通讯模块，其中GPS天线用杆子架高，减少遮挡造成的信号屏蔽；
中间层为控制层，放置主控***板；
最下层为动力层，放置电池、电机以及驱动模块。
进一步，所述电脑终端信息管理平台分为数据管理模块、图像识别模块、生长数据分析模块以及天气预报模块四大功能。
进一步，所述电脑终端信息管理平台依据节点编号、采集日期、农作物类别进行建档存储。
进一步，所述电脑终端信息管理平台在后台自动对接收到的图像进行识别，识别出农作物的类别、高度、面积大小和果实数量。
进一步，所述对任农作物不同时期的图像识别结果进行描述性统计分析，绘制生长曲线。
进一步，所述电脑终端信息管理平台根据接收到的农田环境数据，采用决策树分类算法预测未来天气。
本发明另一目的在于提供一种融合多传感器的高精度定位方法包括：进行GPS模块、IMU模块、测距传感器以及WIFI无线通讯模块四种传感器的融合。
进一步，所述融合多传感器的高精度定位方法包括以下步骤：
步骤一，在每一株需要监测的目标农作物前面均放置一个数据采集节点装置；开机后，数据采集节点装置的测距传感器实时监测巡检机器人是否到达，WIFI无线通讯模块处于待机状态。
步骤二，巡检机器人通过GPS模块和IMU模块获取定位信息，沿预设巡检路线自动导航；巡检机器人在工作前先录入预设的巡检路线，在行进的过程中，每两秒实时采集当前坐标，与预设路线中的坐标进行比对，控制巡检机器人沿路径前进、左转、右转。
步骤三，在行进过程中，巡检机器人端的测距传感器实时监测是否达到监测农作物前；当巡检机器人和数据采集节点装置通过测距传感器互相检测到对方时，WIFI无线通讯模块启动，两者开始通过无线网络进行通信，匹配成功后，巡检机器人即可精确停在农作物前。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述融合多传感器的高精度定位方法。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述融合多传感器的高精度定位方法。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述融合多传感器的高精度定位方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明涉及一种实现高精度定位、自动导航、采集农田环境数据并实时无线传输给电脑终端，基于图像识别结果针对每一株农作物的生长过程进行管理分析的精准农业管理及分析***。
本发明提供的基于高精度定位的精准农业管理及分析***中，巡检机器人可以自动导航巡检农田，无需单独铺设导轨，减少了农业监测***的建造成本；电脑终端信息管理平台能够基于目标农作物图像，自动识别农作物类别、高度、面积大小和果实数量，绘制出每一株农作物的生长曲线，直观可视化地观察农作物的生长状态；每一株农作物前面均放置数据采集节点装置，能够实现对每一株农作物生长过程的精细化看管。
本发明提供的融合多传感器的高精度定位方法，实现精确定位停车，具有更高的定位精度。
对比的技术效果或者实验效果，包括：
在室外空旷地带设定一个目标坐标点，从远处出发向目标坐标点靠近，设定当定位端实时采集的坐标与目标坐标距离在1cm内时，即认为到达目标点，记录此时实际位置与目标位置的直线距离作为定位精度，分别测试十次，融合多传感器的高精度定位、GPS卫星定位、LBS基站定位三种方法的定位精度对比如下：
Figure BDA0002910042330000051
可以发现，本发明提供的融合多传感器的高精度定位方法定位精度达到厘米级别，相较于普通的定位方法精度更高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。
图1是本发明实施例提供的融合多传感器的高精度定位方法流程图。
图2是本发明实施例提供的基于高精度定位的精准农业管理及分析***工作流程图；
图中：1、巡检机器人；2、数据采集节点装置；3、电脑终端信息管理平台；4、预设的巡检路线。
图3是本发明实施例提供的基于高精度定位的精准农业管理及分析***工作示意图。
图4是本发明实施例提供的电脑终端信息管理平台的图像识别功能示意图。
图5是本发明实施例提供的电脑终端信息管理平台的生长数据分析功能示意图。
图6是本发明实施例提供的电脑终端信息管理平台的天气预测功能示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种精准农业管理及分析***、定位方法、终端及存储介质，下面结合附图对本发明作详细的描述。
本发明实施例提供的基于高精度定位的精准农业管理及分析***包括依次通过无线网络连接通讯的数据采集节点装置、巡检机器人和电脑终端信息管理平台；
所述多个数据采集节点装置分别放置于每一株目标农作物前，通过融合多传感器的高精度定位方法实时采集农田环境数据；
所述巡检机器人定期自动导航巡检农田；所述巡检机器人通过融合多传感器的高精度定位方法配合数据采集节点装置在目标农作物前进行精确停车；
巡检机器人接收目标节点的农田环境数据以及对目标农作物拍照，将节点数据和图像打包后实时无线传输至电脑终端信息管理平台；电脑终端信息管理平台分类存储数据，基于图像识别结果分析农作物的生长状态，以及基于农田环境数据分析、预测农作物的生长环境信息。
本发明实施例提供的数据采集节点装置包括用于采集农田环境信息的传感器模块以及用于辅助巡检机器人精确停车的辅助定位模块；所述辅助定位模块由测距传感器和WIFI无线通讯模块构成；所述数据采集节点装置内部通过编号管理区分各节点。
本发明实施例提供的巡检机器人根据功能由上至下划分为三层结构：
最上层为信息接收层，放置摄像头和用于自动导航及精确停车的定位模块，定位模块包括GPS模块、IMU模块、测距传感器以及WIFI无线通讯模块，其中GPS天线用杆子架高，减少遮挡造成的信号屏蔽；
中间层为控制层，放置主控***板；
最下层为动力层，放置电池、电机以及驱动模块。
本发明实施例提供的融合多传感器的高精度定位方法包括：进行GPS模块、IMU模块、测距传感器以及WIFI无线通讯模块四种传感器的融合。
如图1所示，本发明实施例提供的融合多传感器的高精度定位方法包括以下步骤：
S101，在每一株需要监测的目标农作物前面均放置一个数据采集节点装置；
S102，巡检机器人通过GPS模块和IMU模块获取定位信息，沿预设巡检路线自动导航；
S103，在行进过程中，当巡检机器人和数据采集节点装置通过测距传感器互相检测到对方时，两者开始通过WIFI无线通讯模块进行通信，匹配成功后，巡检机器人即可精确停在农作物前。
本发明实施例提供的电脑终端信息管理平台依据节点编号、采集日期、农作物类别进行建档存储。
本发明实施例提供的电脑终端信息管理平台在后台自动对接收到的图像进行识别，识别出农作物的类别、高度、面积大小和果实数量。
本发明实施例提供的对任农作物不同时期的图像识别结果进行描述性统计分析，绘制生长曲线。
本发明实施例提供的电脑终端信息管理平台根据接收到的农田环境数据，采用决策树分类算法预测未来天气。
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
基于高精度定位的精准农业管理及分析***的工作示意图如图2、图3所示。
每一株农作物前面均放置一个数据采集节点装置，每个数据采集节点装置均有唯一的编号。巡检机器人根据GPS模块采集到的实时坐标以及IMU模块获得的实时方位，沿着预设路线开始自动导航进行巡检。
当巡检机器人和数据采集节点装置的测距传感器相互检测到对方时，两者通过WIFI无线通讯模块进行通信，匹配成功后巡检机器人即可准确停在农作物前。
停车后，巡检机器人开始接收数据采集节点装置发送的农田环境信息，包括空气温湿度、光照强度、风速、土壤湿度、土壤PH值等等，并对农作物进行拍照；然后巡检机器人将数据和图像打包，一起通过WIFI无线通讯模块实时传输至电脑终端信息管理平台。
电脑终端信息管理平台将接收到数据按照采集日期、节点编号、农作物类别存储管理；后台自动对接收到的图像进行识别，识别出农作物的类别、高度、面积大小和果实数量(图4)；操作人员还可选择任一株农作物来绘制生长曲线，直观可视化地观察农作物的生长状态，实现对每一株农作物生长过程的精细化看管(图5)；根据接收到的农田环境数据，后台采用决策树分类算法预测未来天气，用以在极端天气时提前对农作物采取保护措施(图6)。
实施例2
一种融合了GPS模块、IMU模块、测距传感器以及WIFI无线通讯模块四种传感器的高精度定位方法，定位精度如下表所示。
在巡检机器人行走测试中，分为两组测试组，一组采用高精度GPS模块和IMU模块定位，另一组融合GPS模块、IMU模块、测距传感器以及WIFI无线通讯模块四种传感器进行定位；将需要停下来的点用大标签在地上标记，巡检机器人实际停下来时，测量巡检机器人的中心与标记点的偏差距离，每种方法测试十次。
Figure BDA0002910042330000091
从平均偏离值来看，融合了GPS模块、IMU模块、测距传感器以及WIFI无线通讯模块四种传感器的高精度定位方法，能显著提高定点停车的精准度。
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揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于高精度定位的精准农业管理及分析***，其特征在于，所述基于高精度定位的精准农业管理及分析***包括依次通过无线网络连接通讯的数据采集节点装置、巡检机器人和电脑终端信息管理平台；
所述多个数据采集节点装置分别放置于每一株目标农作物前，通过融合多传感器的高精度定位方法来实时精准采集农田环境数据；
所述巡检机器人定期自动导航巡检农田；所述巡检机器人通过融合多传感器的高精度定位方法配合数据采集节点装置在目标农作物前进行精确停车；
巡检机器人接收目标节点的农田环境数据以及对目标农作物拍照，将节点数据和图像打包后实时无线传输至电脑终端信息管理平台；所述电脑终端信息管理平台分类存储数据，基于图像识别结果分析农作物的生长状态，以及基于农田环境数据分析、预测农作物的生长环境信息。
2.如权利要求1所述基于高精度定位的精准农业管理及分析***，其特征在于，所述数据采集节点装置包括用于采集农田环境信息的传感器模块以及用于辅助巡检机器人精确停车的辅助定位模块；所述辅助定位模块由测距传感器和WIFI无线通讯模块构成；所述数据采集节点装置内部通过编号管理区分各节点。
3.如权利要求1所述基于高精度定位的精准农业管理及分析***，其特征在于，所述巡检机器人根据功能由上至下划分为三层结构：
最上层为信息接收层，放置摄像头和用于自动导航及精确停车的定位模块，定位模块包括GPS模块、IMU模块、测距传感器以及WIFI无线通讯模块，其中GPS天线用杆子架高，减少遮挡造成的信号屏蔽；
中间层为控制层，放置主控***板；
最下层为动力层，放置电池、电机以及驱动模块。
4.如要求1所述基于高精度定位的精准农业管理及分析***，其特征在于，所述电脑终端信息管理平台依据节点编号、采集日期、农作物类别进行建档存储；
所述电脑终端信息管理平台在后台自动对接收到的图像进行识别，识别出农作物的类别、高度、面积大小和果实数量。
5.如要求1所述基于高精度定位的精准农业管理及分析***，其特征在于，所述对任农作物不同时期的图像识别结果进行描述性统计分析，绘制生长曲线。
6.如要求1所述基于高精度定位的精准农业管理及分析***，其特征在于，所述电脑终端信息管理平台根据接收到的农田环境数据，采用决策树分类算法预测未来天气。
7.一种融合多传感器的高精度定位方法，其特征在于，所述融合多传感器的高精度定位方法包括：
步骤一，在每一株需要监测的目标农作物前面均放置一个数据采集节点装置；
步骤二，巡检机器人通过GPS模块和IMU模块获取定位信息，沿预设巡检路线自动导航；
步骤三，在行进过程中，当巡检机器人和数据采集节点装置通过测距传感器互相检测到对方时，两者开始通过WIFI无线通讯模块进行通信，匹配成功后，巡检机器人即可精确停在农作物前。
8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求4～7任意一项所述融合多传感器的高精度定位方法。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求4～7任意一项所述融合多传感器的高精度定位方法。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现权利要求4～7任意一项所述融合多传感器的高精度定位方法。
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