一种农业低功耗相机的系统的制作方法

1.本实用新型属于农业技术领域，尤其涉及一种农业低功耗相机的系统。


背景技术：

2.我国是世界农业大国，农业生产在我国社会发展和经济建设过程中具有举足轻重的地位。通过在农作物生长过程中进行合理的监控，可以及时了解农作物的生长发育状态，适时地进行浇水施肥，为农作物生长创造良好条件。当在农作物生长过程中出现病虫害时，及时进行防治和处理，以提高农产品质量，提升总体产量。
3.传统的农作物生长监控一般采用农技员现场巡园的方式来实现，存在工作效率低下，耗费人力等问题，在一些恶劣环境及偏远地区人烟稀少，不容易通过人工巡园监控实现。
4.传统的网络摄像头监控方案，存在需要拉网、拉电等施工接线问题，在许多山区不容易进行部署。而常规网络监控摄像头存在耗电较高的问题，无法长时间进行工作，且一般摄像头像素也达不到看清农作物细节的要求，无法识别出具体的病虫害特征，以至于农田中产生的病虫害不能及时被发现。而在一些人迹罕至的山林，需要进行长期的防火监控，在一些河流的水位关键点，也需要部署防汛监控。
5.通过现代物联网技术，可以在农业现场部署多种传感器节点，将农业现场的传感器数据接入互联网，实现对农作物生长过程的数据监控。而要确定一种农作物是否出现了病虫害，光凭借传感器数值并不能直接判断，还需要能直接观察作物表面。通过在关键的作物生长点部署监控拍照设备进行多点拍照记录，便能够直接观察到作物的整个生长周期，对生长过程中出现的病虫害进行及时治理。通过网络远程观察农作物生长图片，还能邀请农技专家远程进行诊断，降低了许多聘请专家的差旅成本，还增加了解决问题的效率，对于地处偏远山区的农产品非常值得推广。
6.为了解决广大农业应用中存在的没有网络、没有市电，又需要部署农业监控的问题，因此，需要一种农业低功耗相机的系统。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于提供一种农业低功耗相机的系统，从而克服了现有农业监控部署中拉电、拉网困难的问题。
8.为实现上述目的，本实用新型提供了一种农业低功耗相机的系统，包括：
9.镜头，所述镜头用于拍摄农作物图像；
10.图像采集模块，所述图像采集模块与所述镜头电连接，所述图像采集模块用于将镜头拍摄的光学图像转换成电子信号；
11.图像处理模块，所述图像处理模块与所述图像采集模块电连接，所述图像处理模块用于对图像采集模块传输的图像数据进行处理；
12.无线传输模块，所述无线传输模块与所述图像处理模块电连接，通过所述无线传
输模块将采集的图像数据进行传输；
13.电源模块，所述电源模块与所述图像处理模块电连接，所述电源模块用于为所述图像处理模块供电；
14.光照监测模块，所述光照监测模块用于当前环境的光强度；
15.功耗控制模块，所述功耗控制模块分别与所述图像处理模块、电源模块、光照监测模块电连接，所述功耗控制模块用于根据光照监测模块监测的数据控制所述电源模块实现低功耗；以及
16.云台，所述云台能够多角度旋转，所述云台的控制模块与所述功耗控制模块连接，所述镜头、图像采集模块、图像处理模块、无线传输模块、电源模块、光照监测模块以及功耗控制模块安装在所述云台上。
17.优选地，所述电源模块包括：
18.太阳能电池板；
19.蓄电池；以及
20.电源管理模块，所述电源管理模块分别与所述太阳能电池板、蓄电池、图像处理模块以及功耗控制模块电连接。
21.优选地，所述蓄电池采用锂电池。
22.优选地，所述镜头采用高清镜头。
23.优选地，所述图像采集模块采用图像传感器。
24.优选地，所述无线传输模块采用4g模块。
25.优选地，还包括服务器和后台控制模块，所述服务器与所述无线传输模块无线连接，将无线传输模块传输的数据进行存储，后台控制模块与所述服务器电连接，所述后台控制模块从所述服务器中获取实施农业数据。
26.优选地，所述功耗控制模块采用单片机芯片。
27.优选地，还包括定位模块，所述定位模块与所述功耗控制模块电连接。
28.优选地，所述定位模块采用北斗定位模块或gps定位模块。
29.与现有的技术相比，本实用新型具有如下有益效果：
30.本实用新型所提供的农业低功耗相机的系统，通过电源模块进行供电，农业监控部署中拉电、拉网困难的问题；通电后，镜头拍摄农作物图像，图像采集模块将镜头拍摄的农作物图像转换层电子信号并传输至图像处理模块，图像处理模块可以将接收到的图像进行自动调节参数从而获得更高像素的图像，根据拍照点和系统时间生成图片名称等，并将处理后的图像通过无线传输模块传输至服务器或移动终端等。光照监测模块监测当前环境的光照墙洞，功耗控制模块可以根据光照监测模块监测的光照强度控制农业低功耗相机的系统的工作时间，例如，通过光照强度的高低，使农业低功耗相机的系统仅在白天工作，晚上不拍摄实现间隔拍照功能，剔除晚上拍摄时产生不清晰的照片，从而实现节约功耗。此外，还能远程将控制信号通过无线传输模块传送至图像处理模块，通过图像处理模块传输至功耗控制模块，通过功耗控制模块控制云台旋转，进行多角度拍摄。上述的农业低功耗相机的系统解决了农业监控部署中拉电、拉网困难的问题，降低了监控设备安装成本，安装简单。
附图说明
31.为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，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实用新型的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，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。
32.图1是本实用新型的农业低功耗相机的系统的结构示意图；
33.图2是本实用新型的电源模块的电路图；
34.图3是本实用新型的云台的控制芯片的电路图；
35.图4是本实用新型的4g模块的电路图；
36.图5是本实用新型的图像传感器的电路图；
37.图6是本实用新型的设计流程图；
38.图7是本实用新型的锂电池电压报表；
39.图8是本实用新型的监控照片；
40.其中：1、镜头；2、图像采集模块；3、图像处理模块；4、无线传输模块；5、电源模块；51、太阳能电池板；52、蓄电池；53、电源管理模块；6、光照监测模块；7、功耗控制模块；8、云台；9、定位模块；10、调试接口。
具体实施方式
41.下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实施新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
42.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
43.在本实用新型的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
44.图1示出了本实用新型所提供的农业低功耗相机的系统，包括：镜头1、图像采集模块2、图像处理模块3、无线传输模块4、电源模块5、光照监测模块6、功耗控制模块7以及云台8，
45.其中，所述镜头1用于拍摄农作物图像；
46.所述图像采集模块2与所述镜头1电连接，所述图像采集模块2用于将镜头1拍摄的光学图像转换成电子信号；
47.所述图像处理模块3与所述图像采集模块2电连接，所述图像处理模块3用于对图像采集模块2传输的图像数据进行处理；
48.所述无线传输模块4与所述图像处理模块3电连接，通过所述无线传输模块4将采集的图像数据进行传输；
49.所述电源模块5与所述图像处理模块3电连接，所述电源模块5用于为所述图像处理模块3供电，即为整个农业低功耗相机的系统供电；
50.所述光照监测模块6用于当前环境的光强度；
51.所述功耗控制模块7分别与所述图像处理模块3、电源模块5、光照监测模块6电连接，所述功耗控制模块7用于根据光照监测模块6监测的数据控制所述电源模块5实现低功耗；
52.所述云台8能够多角度旋转，所述云台8的控制模块与所述功耗控制模块7连接，所述镜头1、图像采集模块2、图像处理模块3、无线传输模块4、电源模块5、光照监测模块6以及功耗控制模块7安装在所述云台8上。
53.上述的农业低功耗相机的系统，农业低功耗相机的系统通过电源模块5进行供电，农业监控部署中拉电、拉网困难的问题；通电后，镜头1拍摄农作物图像，图像采集模块2将镜头1拍摄的农作物图像转换层电子信号并传输至图像处理模块3，图像处理模块3可以将接收到的图像进行自动调节参数从而获得更高像素的图像，根据拍照点和系统时间生成图片名称等，并将处理后的图像通过无线传输模块4传输至服务器或移动终端等。光照监测模块6监测当前环境的光照墙洞，功耗控制模块7可以根据光照监测模块6监测的光照强度控制农业低功耗相机的系统的工作时间，例如，通过光照强度的高低，使农业低功耗相机的系统仅在白天工作，晚上不拍摄实现间隔拍照功能，剔除晚上拍摄时产生不清晰的照片，从而实现节约功耗。此外，还能远程将控制信号通过无线传输模块4传送至图像处理模块3，通过图像处理模块3传输至功耗控制模块7，通过功耗控制模块7控制云台8旋转，进行多角度拍摄。上述的农业低功耗相机的系统解决了农业监控部署中拉电、拉网困难的问题，降低了监控设备安装成本，安装简单。
54.其中一个实施例，农业低功耗相机的系统还包括立杆，立杆的一端安装云台8，立杆的另一端插入图中或固定在地面上，当不方便通过其他固定件固定农业低功耗相机的系统时，可以通过立杆来固定农业低功耗相机的系统。
55.其中一个实施例，所述电源模块5包括：太阳能电池板51、蓄电池52以及电源管理模块53，其中，所述电源管理模块53分别与所述太阳能电池板51、蓄电池52、图像处理模块3以及功耗控制模块7电连接，具体的，太阳能电池板51的输出端、电源管理模块53以及蓄电池52依次连接，太阳能电池板51的输出端还与第一二极管的一端连接，蓄电池52的输出端还与第二二极管的一端连接，第一二极管的另一端和第二二极管的另一端连接作为供电输出端与图像处理模块3好功耗控制模块7。
56.具体的，电源模块5的电路图如图2所示，蓄电池52采用锂电池，锂电池采用7.4v 9000mah锂电池；太阳能电池板51选用21v 20w的光伏太阳能发电板；电源管理模块53采用独立式同步降压电池充电控制器 bq24650，该电源管理模块53具有最大功率点（mppt）跟踪
功能。通过太阳能进行户外充电以及锂电池在使用前蓄电，实现了两种方式供电，太阳能电池板51和蓄电池52之间通过二极管隔离，可以设置电源管理模块53，当环境中有太阳存在时，太阳能输出电压高则优先供电，同时可节约蓄电池52寿命，当太阳能供电不足时，再转入使用蓄电池52供电。
57.因此，通过锂电池和太阳能电池板51供电，无需额外的变电设备，且供电电压最高仅为21v，远低于人体安全电压，极大的避免了施工人员安装监控时出现的触电问题。
58.其中一个实施例，所述镜头1采用高清镜头1，高清镜头1采用焦距为5.4mm的高分辨率镜头1。
59.其中一个实施例，所述图像采集模块2采用图像传感器。
60.具体的，如图5所示，图像传感器选用mn34120，为松下千万级高清图像传感器，图像传感器与图像处理模块3通过mipi接口进行通信，mipi共有10对高速差分信号线，需要进行等长走线，以保证图像信号能够正确传输，走线阻抗需进行90欧姆的阻抗匹配，同时在进行pcb布线时模拟地与数字地需分割开。图像传感器搭配焦距为5.4mm的高分辨率镜头1，可达到千万级像素的成像图片，农作物的病理特征清晰可见。
61.其中一个实施例，图像处理模块3为相机图像处理核心板，选用hi3519v101，运行嵌入式linux系统，可以提前对hi3519v101进行开发和编译，最高可进行千万级像素的图像传感器解码，且能够进行网络通信；图像处理模块3与图像处理模块3之间通过mipi接口通信。图像处理模块3主要完成与图像传感器之间的通信、实现抓取图片、根据环境自动调节拍照参数以获得更高的图片质量、根据拍照点和系统时间生成图片名称、通过4g网络上传拍照图片以及与stm32建立通信的功能。
62.其中一个实施例，所述无线传输模块4采用4g模块。
63.具体的，4g模块选用华为me909s、mini pcie模块，如sim7600ce、移远ec20、高新兴me3630等。如图4所示，本实施例选用华为me909s安装在图像处理模块3的pcie接口，4g模块与图像处理模块3之间通过usb通信，通过usb协议进行通信，sim卡槽与pcie座的对应引脚连接，以便4g模块能够识别出sim卡，通过4g模块能够快速传输图像数据至服务器。用户可从pc端或微信小程序通过服务器查看农业现场监控照片，展示效果如图8所示，农户可及时发现农作物出现的异常生理状态，从而进行相关病虫害的防治。
64.其中一个实施例，农业低功耗相机的系统还包括服务器和后台控制模块，所述服务器与所述无线传输模块4无线连接，将无线传输模块4传输的数据进行存储，后台控制模块与所述服务器电连接，所述后台控制模块从所述服务器中获取实施农业数据。例如，服务器可自动对照片进行智能识别，当诊断出病虫害或异常生理状态时，并通过无线传输模块4返回至图像处理模块3，图像处理模块3再通过无线传输模块4及时给用户发送预警消息，并提供相应的植保方案，也可以直接通过服务器给用户发送预警消息。
65.其中一个实施例，所述光照监测模块6采用光照传感器。
66.具体的，光照传感器选用max44009，可获取当前环境光强度，便于在夜间停止拍照，节约能耗。
67.其中一个实施例，所述功耗控制模块7采用单片机芯片，用于对整个农业低功耗相机的系统进行拍照控制和功耗控制。
68.具体的，单片机芯片可以采用stm32l151可更换为其他系列的单片机，如
stm32f103c8t6、stm32g030c8t6等，本实施例中，单片机芯片选用stm32l151c8t6，简称stm32，通过设置，stm32l151c8t6在休眠模式下电流仅为ua级别，stm32l151c8t6与图像处理模块3之间通过串口通信，使用pwm及gpio操控台体的电机芯片atd5988，通过iic总线读取光照传感器数据。
69.其中一个实施例，农业低功耗相机的系统还包括定位模块9，所述定位模块9与所述功耗控制模块7电连接。
70.所述定位模块9采用北斗定位模块9或gps定位模块9。
71.具体的，gps定位模块9选用l76c，在室外可精确读取到设备安装位置数据，gps定位模块9与stm32l151c8t6之间也使用串口进行通信，l76c通过串口与stm32进行通信，由于gps定位模块9与图像处理模块3共用了stm32的串口，两个模块需要分时复用，通过模拟开关来切换两路模块之间的通信，即gps工作时核心板断电，stm32与gps通信，图像处理模块3工作时gps断电，stm32与图像处理模块3通信。通过gps定位模块9方便查找农业低功耗相机的系统的所处位置。
72.其中一个实施例，如图3所示，所述云台8的控制选用两个电机控制芯片adt5988，分别控制相机在垂直方向与水平方向的运动，当然，也可以直接采用现有的。云台8可在水平方向进行 0至250
°
的旋转、垂直方向进行0至60
°
旋转，配合千万级高清像素传感器，实现多角度的更宽视野自由拍照，一台设备监测范围更广，降低用户使用成本。
73.其中一个实施例，农业低功耗相机的系统还包括调试接口，调试接口与功耗控制模块7电连接，调试接口选用ch340c usb转串口芯片，通过调试借口方便进行程序代码的调试和下载。
74.对本实用新型农业低功耗相机的系统的工作进行详细说明，以使本领域技术人员更了解本实用新型：
75.本实用新型农业低功耗相机的系统通过多块pcb板连接相应的模块。如图6所示，具体的实施方式包括以下步骤：
76.s1、将设计好的新型农业低功耗相机的系统的原理图导出为pcb文件，进行元器件摆放和布线，网口、mipi接口、usb口等高速信号在进行pcb走线时需要做90欧姆的阻抗匹配，差分信号进行等长处理。将设计好的pcb进行生产，并购买对应的元器件进行加工焊接。
77.s2、图像处理模块3使用的是嵌入式linux系统，需要对嵌入式linux系统的u-boot、kernel和rootfs进行裁剪，kernel中添加4g模块及usb的相关驱动，在嵌入式linux系统开启ppp拨号后生成无线网卡，用于图片的传输和服务器间的通信。rootfs为嵌入式linux系统里的根文件系统，系统及上层应用的相关库文件、软件、配置文件等都存放在这里。嵌入式linux系统的图片采集程序、图片上传程序、系统配置相关、stm32之间的通信程序及协议解析等应用程序都存放在rootfs里。选用了轻量级的嵌入式系统buildroot来作为hi3519的根文件系统，buildroot集成了一些常见的第三方库和软件，可以缩短开发周期。
78.s3、使用一台运行ubuntu系统的电脑，用于嵌入式linux的内核裁剪和应用程序开发。由于嵌入式linux系统的内部资源有限，而基础的rootfs只需要10m左右的空间便能构建完成。所以，需要一个完整的linux系统来进行应用程序的开发和编译，编译出的可执行文件是仅能运行在对应的嵌入式linux系统中，而不能运行在宿主机中，所以还需要将对应
的文件拷贝到hi3519当中。
79.s4、根据农业低功耗相机的系统要实现的功能来进行程序设计，主要分为单片机stm32的程序和核心板hi3519的程序，stm32程序使用集成开发环境keil进行开发，hi3519程序使用vs code进行代码编辑，使用交叉编译器进行代码编译。
80.s5、根据图2的系统电源模块5设计，将4g模块、hi3519、云台8、光照传感器、stm32均进行独立供电，独立供电可便于管理每一个模块的电源，不需要使用到模块则切断供电，降低整个系统的功耗。系统的电源选用静态电流极低电源模块供电，iq仅为ua级别。
81.s6、图3是系统的云台8的电机驱动模块，由两个atd5988控制水平和垂直两个方向的步进电机，电机驱动芯片由stm32芯片进行控制，主要对电机驱动的方向、使能、步进模式选择等引脚进行控制，与stm32的gpio引脚相连，步进节拍则由stm32的pwm输出引脚控制，通过pwm的输出频率可控制步进电机的快慢，通过使能和方向引脚控制是哪一个电机需要工作。
82.s7、图4为系统的4g模块pcie相关部分，系统使用华为me909s作为通信模块，核心板的usb总线与4g模块usb总线相连，通过usb协议进行通信，sim卡槽与pcie座的对应引脚连接，以便4g模块能够识别出sim卡。
83.s8、gps定位模块9l76c通过串口与stm32进行通信，由于gps与核心板共用了stm32的串口，两个模块需要分时复用，通过模拟开关来切换两路模块之间的通信，即gps工作时核心板断电，stm32与gps通信，核心板工作时gps断电，stm32与核心板通信。
84.s9、stm32相关程序主要完成gps定位数据的获取、光照传感器读数的获取、云台8的转向控制、核心板hi3519之间的通信、各种外设的电源控制、定时执行拍照任务的控制以及整个系统的功耗控制。
85.s10、图像处理模块3为核心板hi3519，相关程序主要完成与图像传感器之间的通信、实现抓取图片、根据环境自动调节拍照参数以获得更高的图片质量、根据拍照点和系统时间生成图片名称、通过4g网络上传拍照图片以及与stm32建立通信的功能。
86.s11、图5为图像传感器mn34120原理图，与mn34120通过mipi接口进行通信，mipi共有10对高速差分信号线，需要进行等长走线，以保证图像信号能够正确传输，走线阻抗需进行90欧姆的阻抗匹配，同时在进行pcb布线时模拟地与数字地需分割开。图像传感器搭配焦距为5.4mm的高分辨率镜头1，可达到千万级像素的成像图片，农作物的病理特征清晰可见。
87.s12、让系统实现低功耗工作的核心思路为间隔开启拍照功能，非工作模式下整个系统待机功耗极低，实测为20ua。通过光照传感器的判断，可以让设备仅在白天进行工作，剔除了晚上拍照时产生不清晰的照片，也能同时节约功耗。拍摄结果如图8所示。
88.为了证明农业低功耗相机的系统能够实现低功耗进行了功耗测试，按照设备每天工作12小时，每小时进行一次拍照的频率，使用电流表统计农业低功耗相机的系统各部分模块的功耗情况如表1所示，主要系统在工作状态下的电流和在待机状态下的电流，从而估算出设备的整体续航时间。
89.表1 农业低功耗相机的系统各部分模块的功耗情况
[0090][0091]
锂电池的满电电压为8.2v左右，8.2v至7v为锂电池的线性放电区域，通过设备运行的锂电池电压报表查看可知（如图7），每天的电池电压约下降了70mv左右，不到电池总容量的10%，而在基本在第二天的白天，锂电池会被太阳能充电电路迅速充满。通过图2设计的锂电池充电电路可知，充电电流设计为1.21a，最大功率跟踪点电压(mppt)设定为11.2v，则20w的太阳能板在mppt点能够给充电电路提供的最大电流为20/11.2=1.78a，大于设的充电电流，可保证达到最大充电电流输出。在设计电流1.21a的充电条件下，充满一块7.4v 9000mah的锂电池大致需要9000/1210=7.43h，在太阳充足的情况下，一天就能够将一块没有电量的锂电池充满。而在即使不接入外部供电的条件下，一块满电的7.4v 9000mah锂电池能够支撑系统运行9000*0.8/14.44/24=20.7天，即设备可以在连续阴雨天下工作至少3个星期。
[0092]
综上，本实用新型一种农业低功耗相机的系统的低功耗工作的核心思路为间隔开启拍照功能，非工作模式下整个系统待机功耗极低，实测为20ua。通过光照传感器的判断，可以让设备仅在白天进行工作，剔除了晚上拍照时产生不清晰的照片，也能同时节约功耗，而且经过测试，可以证明该农业低功耗相机的系统能够解决了农业监控部署中拉电、拉网困难的问题，降低了监控设备安装成本，安装简单，为更多的农业工作者解决农作物生长难监控、监控效率低下、监控不及时等问题。而且通过有关政策还能在网上聘请相关专家对生长作物进行远程诊断，防治相关病虫害，保障农产品质量安全。
[0093]
以上所揭露的仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。