一种秸秆还田作业远程监测装置及方法与流程

本发明涉及农业技术领域，更具体地，涉及一种秸秆还田作业远程监测装置及方法。

背景技术：

秸秆是农作物重要的副产物，我国年秸秆产量丰富，但是秸秆的利用率较低，大部分秸秆用于废弃和焚烧，不仅造成了资源的浪费，还造成了环境的严重污染。秸秆还田是提高秸秆利用率、解决剩余秸秆焚烧问题的有效的途径。拖拉机配套秸秆还田机进行作业是实现秸秆还田的最主要方式，秸秆还田机采用后置安装方式，与拖拉机三点悬挂机构相连接，由拖拉机动力输出轴驱动。

目前，为禁止秸秆焚烧，推进机械化秸秆还田作业，许多地方政府对秸秆还田作业按照作业面积进行补助，并要求秸秆还田后的作业质量(割茬高度)符合要求(小于规定值)。秸秆还田作业补助采用的是“先作业后补助”的原则，由地方农机管理机构组织人员，对秸秆还田作业面积和割茬高度进行抽检。

但由于秸秆还田作业面积大，采用人工方式无法对所有作业地块逐一核查，只能采用抽检方式。采用抽检的方式来确认秸秆还田作业面积和割茬高度是否达标，存在这样一些缺点：无法确认拖拉机是否悬挂非秸秆还田机进行作业；无法确定上报的每块秸秆还田作业面积的准确性；秸秆还田作业结束后，由于抽检时间间隔较长，相关地块已经种上作物，无法检查割茬高度是否达标。

为了解决抽检方式存在的缺陷，在秸秆还田作业远程监测系统中采用卫星定位技术和无线传输技术，对秸秆还田作业的作业面积和质量进行实时监测和计量，辅助农机管理部门对秸秆还田作业进行核查和监管，可以提升秸秆还田作业监测的实时性、准确性和全面性。但是目前市面上的秸秆还田作业远程监测系统主要存在以下几个缺陷：

首先，秸秆割茬高度难以监测。秸秆还田对作业后的割茬高度有一定要求，必须不超过当地的规定值；但目前的系统还没有监测割茬高度有效方法。

其次，秸秆还田作业的工作状态难以判定。由于秸秆还田作业只补助作业面积，也就是只有工作了，才能有补助；但目前的系统只采用监测速度或还田机的升降判断工作状态，导致工作状态判定不准确，无法准确知晓是否确实在进行作业。

其次，无法准确识别机具和未作业地块。有些农机手为了套取补贴，用其他机具代替秸秆还田机作业，或者在已作业地块重复进行作业；目前的系统无法有效发现这些行为，无法确保作业的真实性和准确性。

最后，无法及时监测作业故障监测。由于农田作业环境恶劣，秸秆还田机工作负荷大，常会因为地面秸秆量大，引起堵塞，导致工作出现故障，如果不及时处理，很容易使得机器损坏。目前的系统无法及时发现作业故障。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种秸秆还田作业远程监测装置及方法。

根据本发明的一个方面，提供一种秸秆还田作业远程监测装置，包括：车载监控主机、割茬高度监测单元、刀轴转速监测单元、前置图像采集单元、后置图像采集单元和远程监测平台；

所述割茬高度监测单元、刀轴转速监测单元、前置图像采集单元和后置图像采集单元分别电连接所述车载监控主机，所述车载监控主机与所述远程监测平台进行通信连接；

所述割茬高度监测单元，用于监测秸秆割茬的高度；

所述刀轴转速监测单元，用于监测秸秆还田机割茬的刀轴的转速；

所述前置图像采集单元，用于采集未作业的农田场景的图像；

所述后置图像采集单元，用于采集作业机具及已作业的农田场景的图像；

所述车载监控主机，用于获取所述割茬高度监测单元和刀轴转速监测单元的作业数据，以及所述前置图像采集单元及后置图像采集单元的图像数据，进行分析处理，并将所述作业数据和所述图像数据发送给所述远程监测平台；

所述远程监测平台，用于获取所述车载监控主机发送的数据，计算秸秆还田作业面积，实现秸秆还田作业的监测。

根据本发明的一个方面，还提供一种秸秆还田作业远程监测方法，包括：

S1，准备作业时，获取初始后置图像和初始前置图像并存储；

S2，开始作业后，获取刀轴转速、割茬高度、作业速度、后置作业图像和前置作业图像，并判断当前工作状态。

进一步，所述S2进一步包括：

基于所述刀轴转速，判断刀轴转速是否达到第一预定限值；若未达到，则进行报警提示，并显示错误信息；

基于所述割茬高度，判断割茬高度是否达到第二预定限值；若未达到，则进行报警提示，并显示错误信息；

基于所述作业速度，判断行驶速度是否达到第三预定限值；若未达到，则进行报警提示，并显示错误信息。

进一步，所述S2进一步包括：

基于所述初始后置图像和所述后置作业图像，利用指纹信息生成流程分别生成初始后置图像指纹信息和后置作业图像指纹信息，比较所述初始后置图像指纹信息和后置作业图像指纹信息的变化程度；当所述变化程度大于设定阈值时将信息上报给远程监测平台进行处理；

基于所述初始后置图像、所述后置作业图像、所述初始前置图像和所述前置作业图像，利用指纹信息生成流程分别生成初始后置图像指纹信息、后置作业图像指纹信息、初始前置图像指纹信息和前置作业图像指纹信息；根据所述初始后置图像指纹信息和所述初始前置图像指纹信息生成初始变化指数，根据所述后置作业图像指纹信息和所述前置作业图像指纹信息生成作业变化指数；判断所述初始变化指数和所述作业变化指数是否大于预设阈值，并将信息上报给远程监测平台进行处理。

本申请提出一种准确监测割茬高度、准确判定工作状态和准确识别机具和未作业地块的秸秆还田作业远程监测装置及方法，通过割茬高度监测单元采用倾角测量原理实时监测割茬高度，通过刀轴转速监测单元实时监测刀轴转速，通过定位模块实时监测作业速度，结合割茬高度、刀轴转速和作业速度，综合判定工作状态；通过在拖拉机前后放置两个图像采集单元，识别机具和未作业地块；通过无线传输模块将数据传输到远程监测平台，由远程监测平台计算作业面积，并进行相关数据的处理、分析、统计汇总和展现，使得农机管理部门能够远程准确地实现秸秆还田作业的监测。

附图说明

图1为本发明一种秸秆还田作业远程监测装置示意图；

图2为本发明一种秸秆还田作业远程监测装置的安装示意图；

图3为本发明割茬高度监测方法示意图；

图4为本发明第一实施例工作状态判定的示意图；

图5为本发明第二实施例后置图像处理流程示意图；

图6为本发明第三实施例前置图像处理流程示意图；

图7为本发明第四实施例图像指纹信息生成流程示意图。

其中，1、拖拉机，2、秸秆还田机，3、车载监控主机，4、下拉杆铰接点，5、下拉杆，6、割茬高度监测单元，7、下拉杆悬挂点，8、刀轴转速监测单元，9、刀轴，10、刀具，11、前置图像采集单元，12、后置图像采集单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，一种秸秆还田作业远程监测装置，包括：车载监控主机3、割茬高度监测单元6、刀轴转速监测单元8、前置图像采集单元11、后置图像采集单元12和远程监测平台；

所述割茬高度监测单元、刀轴转速监测单元、前置图像采集单元和后置图像采集单元分别电连接所述车载监控主机，所述车载监控主机与所述远程监测平台进行通信连接；

所述割茬高度监测单元，用于监测秸秆割茬的高度；

所述刀轴转速监测单元，用于监测秸秆还田机割茬的刀轴的转速；

所述前置图像采集单元，用于采集未作业的农田场景的图像；

所述后置图像采集单元，用于采集作业机具及已作业的农田场景的图像；

所述车载监控主机，用于获取所述割茬高度监测单元和刀轴转速监测单元的作业数据，以及所述前置图像采集单元及后置图像采集单元的图像数据，进行分析处理，并将所述作业数据和所述图像数据发送给所述远程监测平台；

所述远程监测平台，用于获取所述车载监控主机发送的数据，计算秸秆还田作业面积，实现秸秆还田作业的监测。

本发明为克服现有技术的缺陷，通过割茬高度监测单元实时监测割茬高度，通过刀轴转速监测单元实时监测刀轴转速，通过定位模块实时监测作业速度，结合割茬高度、刀轴转速和作业速度，综合判定工作状态；通过前置图像采集单元和后置图像采集单元识别机具和未作业地块；所述车载监控主机与所述远程监测平台进行通信连接，以便将实时监测的各项数据发送给远程监测平台进行相关数据的处理、分析、统计汇总和展现，使得农机管理部门能够远程准确地实现秸秆还田作业的监测。

作为一个可选实施例，所述车载监控主机内置有主处理器、卫星定位模块、无线传输模块、图像处理模块、存储模块、显示模块和报警模块；

所述卫星定位模块，用于实时获取秸秆还田机的作业位置、作业时间和作业速度；

所述图像处理模块，用于接收前置图像采集单元和后置图像采集单元的图像数据，以识别机具和未作业地块；

所述显示模块负责，用于显示作业时间、作业速度、割茬高度、刀轴转速、机具型号、作业幅宽以及错误信息；

所述报警模块，用于对监测到的错误信息进行报警提示；

所述存储模块，用于将所有采集和处理的数据进行存储；

所述主处理器，用于实时获取所述刀轴转速监测单元、割茬高度监测单元和卫星定位模块的作业数据，判定秸秆还田机的工作状态；通过所述图像处理模块获取图像数据，并将获取的作业数据和图像数据发送至无线传输模块；

所述无线传输模块，用于将所述主处理器发送来的数据通过无线方式传输到所述远程监测平台。

本实施例通过图像处理模块分析前置和后置两个图像采集单元采集的未作业场景和已作业场景以及作业机具的图像数据，实现未作业地块和作业机具的识别，保证作业的真实有效性。通过卫星定位模块实现秸秆还田机的定位并获取作业速度。通过主处理模块对刀轴转速监测单元、割茬高度监测单元和卫星定位模块的作业数据进行处理，并将作业数据连同图像数据一起发给远程监测平台进行综合处理。

作为一个可选实施例，所述刀轴转速监测单元采用霍尔传感器或光电码盘实现刀轴转动速度的监测；当刀轴转速未达到要求时，报警模块进行报警提示，并通过显示模块显示错误信息，表示此时可能有故障发生，请注意及时排除故障。

所述刀轴转速监测单元内部还存储有所述秸秆还田机的品牌、机具型号和作业幅宽等基本信息。

本实施例中，车载监控主机获取并分析得到的割茬高度、刀轴转速、机具型号、作业幅宽、作业时间、位置和速度等数据，由无线传输模块通过2G或3G或4G方式传输到远程监测平台，由远程监测平台根据数据计算出作业面积，并将上述数据通过一定形式进行呈现，供农机管理部门进行查看，辅助农机管理部门进行秸秆还田作业监管。

作为一个可选实施例，所述远程监测平台包括还田作业实时监控模块、还田作业场景回放模块和还田作业统计模块；

所述还田作业实时监控模块，用于通过获取所述车载监控主机的作业数据和图像数据，实时在地图上显示并进行报警提示；

所述还田作业场景回放模块，用于以界面操作的方式实现作业轨迹和作业场景图像的查看，并且分析是否存在更换机具或秸秆焚烧现象；

所述还田作业统计模块，用于计算作业面积，实现作业面积和报警次数的查看与统计。

本实施例中，农机管理部门可以通过所述远程监测平台来监测某台秸秆还田机的作业数据、图像数据和已作业面积，获知是否存在更换机具或着火点、冒烟等秸秆焚烧现象，并可以查看作业面积、报警位置和报警次数，进而判断农机手的秸秆还田作业是否违规。

如图2所示，作为一个可选实施例，本发明所述一种秸秆还田作业远程监测装置中，所述车载监控主机安装在拖拉机的驾驶室内；所述前置图像采集单元安装在所述拖拉机的前部且朝向拖拉机的前进方向；所述后置图像采集单元安装在所述拖拉机的后部且朝向秸秆还田机。

所述秸秆还田机通过三点悬挂装置与所述拖拉机连接。

所述割茬高度监测单元安装在所述三点悬挂装置的下拉杆的上表面，且位于下拉杆铰接点和下拉杆悬挂点之间；所述刀轴转速监测单元安装在所述秸秆还田机的刀轴附近。

所述车载监控主机3安装在所述拖拉机1的驾驶室内；所述前置图像采集单元11安装在所述拖拉机1的前部且朝向拖拉机1的前进方向；所述后置图像采集单元12安装在所述拖拉机1的后部且朝向所述秸秆还田机2；所述割茬高度监测单元6安装在所述三点悬挂装置的下拉杆5的上表面，且位于下拉杆铰接点4和下拉杆悬挂点7之间；所述刀轴转速监测单元8安装在秸秆还田机2的刀轴附近。

所述秸秆还田机2工作时，刀轴9逆时针转动，刀轴9上分布的刀具10切割秸秆，实现秸秆还田。

所述割茬高度监测单元6、刀轴转速监测单元8、前置图像采集单元11和后置图像采集单元12分别通过线缆接入到车载监控主机3。

作为一个可选实施例，所述割茬高度监测单元通过下式获取割茬高度：

H＝L×(sinα-sinβ)

其中，H为割茬高度，L为所述下拉杆长度，α为刀具的最低端接触地面时所述下拉杆的倾斜角度，β为刀具切割秸秆时所述下拉杆的倾斜角度。

本实施例中，割茬高度监测单元6安装在下拉杆5上，实时监测下拉杆的倾斜角度。所述割茬高度监测单元6利用倾角测量原理获取秸秆割茬高度，割茬高度的监测详细方法如图3所示。

将秸秆还田机2置于平地时，刀具10的最低端恰好接触到地面，此时下拉杆的倾斜角度为α，下拉杆的长度为L，下拉杆铰接点4的离地高度为D，下拉杆悬挂点7的离地高度为d，下拉杆铰接点4和下拉杆悬挂点7之间的垂直距离为h1，那么可以得到：

h1＝D-d (1)

h1＝L×sinα (2)

将秸秆还田机正常作业时，刀具10距离地面的高度为H，此高度H即为割茬高度。此时下拉杆的倾斜角度为β，下拉杆的长度仍为L，下拉杆铰接点4的离地高度仍为D，下拉杆悬挂点7的离地高度仍为d，下拉杆铰接点4和下拉杆悬挂点7之间的垂直距离为h2，那么可以得到：

h2＝L×sinβ (3)

H＝D-d-h2 (4)

将式(1)、式(2)和式(3)代入到式(4)中，得到

H＝L×(sinα-sinβ) (5)

其中，L为下拉杆长度，同一型号的拖拉机下拉杆长度相同，人工测量后输入到割茬监测单元中进行保存；角度α为刀具的最低端恰好接触到地面时，下拉杆的倾斜角度，可以通过初始安装时进行标定得到，并在割茬监测单元中进行保存。由于L和α在安装确定后，不会发生变化，根据式(5)可以得到，实时监测作业过程中下拉杆的倾斜角度，即可得到割茬高度。

本发明还提供一种秸秆还田作业远程监测方法，包括：

S1，准备作业时，获取初始后置图像和初始前置图像并存储；

S2，开始作业后，获取刀轴转速、割茬高度、作业速度、后置作业图像和前置作业图像，并判断当前工作状态。

本发明中，S1通过所述一种秸秆还田作业远程监测装置中的前置图像采集单元11和后置图像采集单元12获取初始后置图像和初始前置图像，通过所述车载监控主机3内置的存储模块对所采集的图像进行存储。S2则综合利用了所述一种秸秆还田作业远程监测装置中的割茬高度监测单元6、刀轴转速监测单元8、前置图像采集单元11和后置图像采集单元12进行获取作业数据如刀轴转速、割茬高度、作业速度等，以及图像数据如后置作业图像和前置作业图像等，并通过车载监控主机3内置的相关模块进行数据处理和分析，同时将所获取的数据发送给远程监测平台进行综合处理，判断秸秆还田机2的当前工作状态，以实现对秸秆还田作业的监测。

如图4所示，作为一个可选实施例，所述S2进一步包括：

基于所述刀轴转速，判断刀轴转速是否达到第一预定限值；若未达到，则进行报警提示，并显示错误信息；

基于所述割茬高度，判断割茬高度是否达到第二预定限值；若未达到，则进行报警提示，并显示错误信息；

基于所述作业速度，判断行驶速度是否达到第三预定限值；若未达到，则进行报警提示，并显示错误信息。

本实施例为S2的一个实施例，主要是根据所述一种秸秆还田作业远程监测装置中割茬高度监测单元6、刀轴转速监测单元8以及卫星定位模块等获取的作业数据进行分析判断，并通过报警模块进行报警提示和，通过显示模块来显示错误信息，具体的执行步骤为：

(1)车载监控主机3内置的主处理器分别从割茬高度监测单元6、刀轴转速监测单元8以及卫星定位模块获取刀轴转速、割茬高度和作业速度三个参数值；

(2)判断刀轴转速是否达到第一预定限值，如果未达到，则由报警模块报警提示，并由显示模块显示错误信息；如达到，则进入下一步；

(3)判断割茬高度是否达到第二预定限值，如果未达到，则由报警模块报警提示，并由显示模块显示错误信息；如达到，则进入下一步；

(4)判断行驶速度否达到第三预定限值，如果未达到，则由报警模块报警提示，并由显示模块显示错误信息；如达到，则表示当前为工作状态。

本实施例中所述第一预定限值、第二预定限值和第三预定限值分别为刀轴转速的限值、割茬高度的限值和所述秸秆还田机2的行驶速度的限值，可根据实际的需要进行设定，本实施例对此不作限定。图4中对第三预定限值即行驶速度的限值给出一个值为0，即只要秸秆还田机2不是静止不动即判定行驶速度达到限值。

作为一个可选实施例，所述S2进一步包括：

基于所述初始后置图像和所述后置作业图像，利用指纹信息生成流程分别生成初始后置图像指纹信息和后置作业图像指纹信息，比较所述初始后置图像指纹信息和后置作业图像指纹信息的变化程度；当所述变化程度大于设定阈值时将信息上报给远程监测平台进行处理；

基于所述初始后置图像、所述后置作业图像、所述初始前置图像和所述前置作业图像，利用指纹信息生成流程分别生成初始后置图像指纹信息、后置作业图像指纹信息、初始前置图像指纹信息和前置作业图像指纹信息；根据所述初始后置图像指纹信息和所述初始前置图像指纹信息生成初始变化指数，根据所述后置作业图像指纹信息和所述前置作业图像指纹信息生成作业变化指数；判断所述初始变化指数和所述作业变化指数是否大于预设阈值，并将信息上报给远程监测平台进行处理。

本实施例为S2的另一个实施例，与S2的上一个实施例可以同时执行。所述预设阈值可根据实际需要而选取，本实施例对此不作限定。

本实施例中，前置图像采集单元用于采集未作业场景的图像，后置图像采集单元用于采集作业机具及已作业场景的图像。两个图像采集单元会同时采集图像，并传输到图像处理单元中进行分析处理，两个图像采集单元采集间隔时间相同。为了采集到比较完整的场景，两个图像采集单元应安装在尽量高的地方。

在初始安装时，后置图像采集单元会采集一张作业机具及已作业场景的图像InitImg_b，前置图像采集单元采集一张未作业场景的图像InitImg_f，经过监控主机的图像处理模块后，保存在存储模块中。在作业过程中，后置图像采集单元会定时采集图像WorkImg_b，前置图像采集单元会定时采集图像WorkImg_f。

其中，对后置图像的处理流程如图5所示，由图像处理模块与初始作业机具图像进行比对，如发现有更换作业机具，报警提示机手，并将结果直接发送到远程监测平台，平台处理后短信通知到农机管理部门相关人员，以避免用非秸秆还田机具作业进行套补情况的发生。针对后置图像的处理，主要是在图像处理模块里进行图像数据处理进行秸秆还田机具的识别，其处理流程包括，首先，将InitImg_b缩小尺寸，只保留结构和明暗等基本特征信息。将缩小后的图像转为灰度图像，简化图像数据的计算量。计算图像的离散余弦变换，获取离散余弦变换系数矩阵。缩小离散余弦变换矩阵的尺寸，获取图像的低频部分，计算此系数矩阵的平均值。根据缩小的矩阵生成图像指纹信息FpInitImg_b；其次，将后置图像采集单元定时采集的WorkImg_b用同样的方法处理，得到采集图像的指纹信息FpWorkImg_b；再次，通过比对两张图像的指纹信息判断采集图像的变化程度；然后，将图像变化程度大于设定阈值的信息记为疑似更换机具，并将信息上报到监测平台；最后，由监测平台进行报警提示与存储记录。

其中，对前置图像的处理流程如图6所示，将两张定时采集的图像处理分析得到当前作业地块是否是未作业地块，如果是已作业地块，则立刻将结果直接发送到远程监测平台，平台处理后短信通知到农机管理部门相关人员，以避免在已作业地块进行作业出现的套补情况。其处理流程包括，首先，将图像InitImg_f和WorkImg_f使用上述处理方法获取指纹信息FpInitImg_f和FpWorkImg_f。其次，通过判断指纹信息FpInitImg_f和FpInitImg_b获取初始的作业标定变化指数Init_e；再次，通过计算指纹信息FpWorkImg_f和FpWorkImg_b生成变化指数Work_e；然后，判断Init_e和Work_e是否大于设置的阈值进而实现地块是否作业判别，并将信息上报到监测平台；最后，由监测平台进行报警提示与存储记录。

如图7所示，上述实施例中所述指纹信息生成流程包括：

获取原始图像，缩小所述原始图像的尺寸并转换为灰度图像；

计算所述灰度图像的离散余弦变换，获取离散余弦变换系数矩阵；

缩小所述离散余弦变换系数矩阵的尺寸，获取图像的低频部分，计算所述离散余弦变换系数矩阵的平均值，生成所述原始图像的指纹信息。

综上所述，本发明基于倾角测量原理，设计了割茬高度监测方法，实现割茬高度的准确监测；基于割茬高度、刀轴转速和作业速度的实时监测，设计了秸秆还田作业的工作状态判定流程，为作业面积的准确计算打下基础；通过前置和后置两个图像采集单元，同时采集未作业场景和已作业场景以及作业机具的图像，实现未作业地块和作业机具的识别，保证作业的真实有效性。

与现有的技术比较，本发明的优点是：

1、基于倾角测量原理，通过割茬高度监测单元实现了割茬高度的实时准确监测。

2、通过割茬高度监测单元、刀轴转速监测单元和卫星定位模块获取数据，提出一种秸秆还田作业的工作状态判定方法，实现了工作状态的准确判定，为作业面积的准确计算打下基础。

3、设计了前置和后置两个图像采集单元，同时采集未作业场景和已作业场景以及作业机具的图像，实现未作业地块和作业机具的识别，保证作业的真实有效性，避免远程监测的盲区。

4、通过监测刀轴转速，判断秸秆还田机作业故障，及早发现故障，以免损坏机器。

本发明解决了现有技术中割茬高度难以监测、秸秆还田作业的工作状态不易判定、机具和未作业地块无法识别及作业故障无法监测的问题，具有良好的有益效果和应用前景。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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。