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一种作物表型监测装置及系统

阅读：325发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种作物表型监测装置及系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及农作物监测技术领域，公开了一种作物表型监测装置及系统，包括：底座，所述底座上设置有用于供电的电源装置及驱动机构；支撑架，可伸缩的设置在所述底座上，所述驱动机构与所述支撑架连接用于控制所述支撑架旋转；以及用于获取作物图像信息的监测成像单元，所述监测成像单元设置在所述支撑架的上端，所述监测成像单元经通讯模块将所述作物图像信息上传到远端服务器。该作物表型监测装置避免了直接测量时对作物样品的破坏，克服了间接测量不能较好地反映作物表型性状的局限性，能够实时、便捷、准确地将所观测的作物图像信息上传至服务器，进行作物信息预处理、分析计算和实时存储，实现作物表型特征、智能化、精确化测量。(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利，下面是一种作物表型监测装置及系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种作物表型监测装置，其特征在于，包括：
底座，所述底座上设置有用于供电的电源装置及驱动机构；
支撑架，可伸缩的设置在所述底座上，所述驱动机构与所述支撑架连接用于控制所述支撑架旋转；
以及用于获取作物图像信息的监测成像单元，所述监测成像单元设置在所述支撑架的上端，所述监测成像单元经通讯模块将所述作物图像信息上传到远端服务器。
2.如权利要求1所述的作物表型监测装置，其特征在于：
所述监测成像单元包括壳体、设置在所述壳体的前端的成像模块，以及设置在所述壳体的内部的控制模块及电源模块，所述电源模块分别与所述成像模块及所述控制模块连接，所述控制模块与所述成像模块连接控制所述成像模块的工作状态。
3.如权利要求2所述的作物表型监测装置，其特征在于：
所述监测成像单元还包括遮阳罩及传感器接口，所述遮阳罩设置在所述成像模块的上侧，所述传感器接口用于连接外接传感器，所述传感器接口与所述控制模块连接。
4.如权利要求2所述的作物表型监测装置，其特征在于：
所述支撑架的顶端设有接口母端，所述接口母端分别与所述电源装置及驱动机构连接；所述壳体的底部设有接口公端，所述接口公端分别与所述电源模块及所述控制模块连接，所述接口公端与所述接口母端适配连接。
5.如权利要求4所述的作物表型监测装置，其特征在于：
所述壳体的底部设有第一连接部，所述接口母端的顶部设有第二连接部，所述接口母端与所述支撑架固定连接，固定栓贯穿所述第一连接部及所述第二连接部，使所述壳体与所述支撑架转动连接。
6.如权利要求1所述的作物表型监测装置，其特征在于：
所述支撑架包括第一支撑部及第二支撑部，所述第二支撑部为中空结构，所述第一支撑部插设在所述第二支撑部内经所述抱箍固定。
7.如权利要求1所述的作物表型监测装置，其特征在于：
所述电源装置包括电池箱、蓄电池、太阳能板及光伏控制器，所述蓄电池设置在所述电池箱的内部，所述光伏控制器分别与所述太阳能板和所述蓄电池连接，所述太阳能板经所述光伏控制器给所述蓄电池充电。
8.如权利要求7所述的作物表型监测装置，其特征在于：
所述驱动机构设置在所述电池箱上，所述驱动机构包括驱动电机及减速机，所述驱动电机的输出端与所述减速机的驱动轴连接，所述减速机的输出端与所述支撑架连接，所述减速机的驱动轴与所述支撑架呈90度设置。
9.如权利要求1所述的作物表型监测装置，其特征在于：
所述底座的底部设有多个地钉，所述地钉与所述底座固定连接。
10.一种作物表型监测系统，其特征在于：包括多个如权利要求1-9中任意一项所述的作物表型监测装置，多个所述作物表型监测装置分别经无线模块与所述远端服务器连接，分别将所获取的作物图像信息上传至所述远端服务器。

说明书全文

一种作物表型监测装置及系统

技术领域

[0001] 本实用新型涉及农作物监测技术领域，尤其涉及一种作物表型监测装置及系统。

背景技术

[0002] 作物表型是作物基因与环境交互作用的外在表达，包括作物生长发育过程的生理生态性状及其动态特征，例如，株高、密度、叶长、叶宽、叶倾角和叶面积指数等。在作物生育期内，连续、及时和准确的监测多种作物表型性状(即高通量表型)，是实现作物智能化诊断和管理的重要依据。

[0003] 现有的作物表型监测方法可分为直接测量和间接测量两种方法：直接测量方法为人工取样，破坏性测量，通过剪纸称重法、叶片称重法测定作物叶面积指数、米尺测定株高，费时费力，仅适用于小区域范围的作物采样，无法高通量、大区域范围获取作物信息；间接测量方法主要利用无人机或田间机器人等搭载可见光相机、雷达或多光谱相机等探头，进一步借助图像分析和光传输等模型算法，实现对作物结构和功能特性的估算。但是，基于无人机的监测系统，容易受到环境条件的影响，同时由于滞空时间的限制，无人机获取的影像信息的精度往往并不能很好满足精准的作物表型特性提取的要求。尽管基于田间机器人的监测系统可以很好克服无人机系统的不足，但其造价高昂，同时对田块布设等有非常苛刻的要求，它并不适用于大多数的农业实验。

[0004] 因此，设计一种可广泛应用于各种复杂环境的作物表型监测装置及系统是业内亟需解决的问题。发明内容

[0005] 为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种作物表型监测装置及系统，避免了直接测量时对作物样品的破坏，克服了间接测量不能较好地反映作物表型性状的局限性，能够实时、便捷、准确地将所观测的作物图像信息上传至服务器，进行作物信息预处理、分析计算和实时存储，实现作物表型特征、智能化、精确化测量，为精准农业提供有力的技术支撑。

[0006] 本实用新型提供的技术方案如下：

[0007] 一种作物表型监测装置，包括：

[0008] 底座，所述底座上设置有用于供电的电源装置及驱动机构；

[0009] 支撑架，可伸缩的设置在所述底座上，所述驱动机构与所述支撑架连接用于控制所述支撑架旋转；

[0010] 以及用于获取作物图像信息的监测成像单元，所述监测成像单元设置在所述支撑架的上端，所述监测成像单元经通讯模块将所述作物图像信息上传到远端服务器。

[0011] 优选地，所述监测成像单元包括壳体、设置在所述壳体的前端的成像模块，以及设置在所述壳体的内部的控制模块及电源模块，所述电源模块分别与所述成像模块及所述控制模块连接，所述控制模块与所述成像模块连接控制所述成像模块的工作状态。

[0012] 进一步优选地，所述监测成像单元还包括遮阳罩及传感器接口，所述遮阳罩设置在所述成像模块的上侧，所述传感器接口用于连接外接传感器，所述传感器接口与所述控制模块连接。

[0013] 进一步优选地，所述支撑架的顶端设有接口母端，所述接口母端分别与所述电源装置及驱动机构连接；所述壳体的底部设有接口公端，所述接口公端分别与所述电源模块及所述控制模块连接，所述接口公端与所述接口母端适配连接。

[0014] 进一步优选地，所述壳体的底部设有第一连接部，所述接口母端的顶部设有第二连接部，所述接口母端与所述支撑架固定连接，固定栓贯穿所述第一连接部及所述第二连接部，使所述壳体与所述支撑架转动连接。

[0015] 进一步优选地，所述支撑架包括第一支撑部及第二支撑部，所述第二支撑部为中空结构，所述第一支撑部插设在所述第二支撑部内经所述抱箍固定。

[0016] 进一步优选地，所述电源装置包括电池箱、蓄电池、太阳能板及光伏控制器，所述蓄电池设置在所述电池箱的内部，所述光伏控制器分别与所述太阳能板和所述蓄电池连接，所述太阳能板经所述光伏控制器给所述蓄电池充电。

[0017] 进一步优选地，所述驱动机构设置在所述电池箱上，所述驱动机构包括驱动电机及减速机，所述驱动电机的输出端与所述减速机的驱动轴连接，所述减速机的输出端与所述支撑架连接，所述减速机的驱动轴与所述支撑架呈90度设置。

[0018] 进一步优选地，所述底座的底部设有多个地钉，所述地钉与所述底座固定连接。

[0019] 本实用新型提供的另一技术方案如下：一种作物表型监测系统，其特征在于：包括多个上述所述的作物表型监测装置，多个所述作物表型监测装置分别经无线模块与所述远端服务器连接，分别将所获取的作物图像信息上传至所述远端服务器。

[0020] 与现有技术相比，本实用新型的作物表型监测装置及系统有益效果在于：

[0021] 本实用新型中，通过将作物表型监测装置安装于田间或温室，监测成像单元360度旋转，监测周边作物的动态生长状态，并将所获取作物图像信息上传至远端服务器；避免了直接测量时对作物样品的破坏，克服了间接测量不能较好地反映作物表型性状的局限性，能够实时、便捷、准确地对所观测的作物信息进行预处理、分析计算和实时存储，实现作物表型特征、智能化、精确化测量，为精准农业提供有力的技术支撑。附图说明

[0022] 下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

[0023] 图1是本实施例作物表型监测装置的结构示意图；

[0024] 图2是本实施例监测成像单元的结构示意图；

[0025] 图3是本实施例接口公端与接口母端的结构示意图；

[0026] 图4是本实施例驱动机构的结构示意图；

[0027] 图5是本实施例底座的结构示意图。

[0028] 附图标号说明：

[0029] 1.底座，11.地钉，2.电源装置，21.电池箱，22.太阳能板，3.驱动机构，31.驱动电机，32.电机主轴，33.连接轴，34.减速机，4.支撑架，41.第一支撑部，42.第二支撑部，43.抱箍，44.接口母端，5.监测成像单元，51.壳体，52.成像模块，53.遮阳罩，54.传感器接口，55.接口公端，56.第一连接部，57.第二连接部，58.固定栓。

具体实施方式

[0030] 以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

[0031] 应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。

[0032] 为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

[0033] 还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

[0034] 在附图所示的实施例中，方向的指示(诸如上、下、左、右、前和后)用以解释本实用新型的各种组件的结构和运动不是绝对的而是相对的。当这些组件处于附图所示的位置时，这些说明是合适的。如果这些组件的位置的说明发生改变时，则这些方向的指示也相应地改变。

[0035] 另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0036] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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，并获得其他的实施方式。

[0037] 在实施例一中，如图1所示，本实施例提供了一种作物表型监测装置，包括：底座1、电源装置2、驱动机构3、支撑架4及监测成像单元5。底座1用于安装在地上，电源装置2安装在底座1的上侧，驱动机构3安装在电源装置2的上侧，电源装置2与驱动机构3连接用于为驱动机构3提供电力。支撑架4可进行伸缩，支撑架4与驱动机构3连接，驱动机构3控制支撑架4旋转。监测成像单元5设置在支撑架4的上端，监测成像单元5用于获取作物图像信息，监测成像单元5经通讯模块将作物图像信息上传到远端服务器。本实施例中，通过将作物表型监测装置安装于田间或温室，监测成像单元5进行360度旋转，监测周边作物的动态生长状态，并将所获取作物图像信息上传至远端服务器；避免了直接测量时对作物样品的破坏，克服了间接测量不能较好地反映作物表型性状的局限性，能够实时、便捷、准确地对所观测的作物信息进行预处理、分析计算和实时存储，实现作物表型特征、智能化、精确化测量，为精准农业提供有力的技术支撑。

[0038] 具体地，如图2所示，监测成像单元5包括壳体51、设置在壳体51的前端的成像模块52，以及设置在壳体51的内部的控制模块及电源模块。电源模块通过与电源装置2连接为成像模块及控制模块提供运行所需的电力。其中，成像模块52为高清相机模组，相机模组能自动对焦，镜头带UV滤镜，有滤紫外、防水、防油的功能。相机模组也可也可使用带热红外功能的成像镜头，进而得到植物的冠层温度、病虫害、水分胁迫指数等理化指标。成像模块52的上侧安装有遮阳罩53，遮阳罩53的一侧与壳体51连接，对成像模块52进行遮挡，防止拍照曝光，并能遮挡直接的雨淋。同时，遮阳罩53与壳体51也可设置为转动连接，当监测成像单元5处于非工作状态时，遮阳罩53向下翻转做防护罩使用。壳体51的后端下侧设有用于连接外接传感器的传感器接口54，传感器接口54与控制模块连接。外接传感器可以为土壤三参数(温度、适度、电导率)传感器、空气温湿度传感器、光和作用有效辐射传感器、CO2浓度传感器等。控制模块为微型电脑，通过微型电脑中植入相关程序，使监测成像单元5自主休眠与启动，当系统不拍照、采集数据时，就进入休眠状态，当间隔时间到了，就自主启动拍照与采集环境数据，最大限度的节省能耗。可定时旋转支撑架4、定时拍照、定时采集环境参数传感器的数据，实时上传数据到云或服务器端。

[0039] 如图3所示，支撑架4的顶端设有接口母端44，接口母端44内凹于支撑架4的顶端，接口母端44的凹槽底部设有第一连接端，第一连接端经导线与电源装置2及驱动机构3连接。壳体51的底部设有与接口母端44适配的接口公端55，接口公端55的前端设有与接口母端44的凹槽适配的凸台，凸台的顶端设有第二连接端，第二连接端分别与电源模块及控制模块连接。凹槽及凸台的四周分别设有适配的螺纹，使接口公端55与接口母端44适配拧接。

[0040] 如图2所示，壳体51的底部设有第一连接部56，第一连接部56包括第一夹板及第二夹板，第一夹板与第二夹板相平行且与壳体51的底部垂直连接，第一夹板和第二夹板分别与壳体51一体成型。接口母端44的顶部设有第二连接部57，第二连接部57包括第三夹板及第四夹板，第三夹板与第四夹板相平行且与接口母端44的顶部垂直连接，第三夹板和第四夹板分别与接口母端44一体成型。第一夹板和第二夹板将三夹板和第四夹板夹持在其二者之间，固定栓58依次贯穿第一夹板、第三夹板、第四夹板及第二夹板，使壳体51与支撑架4转动连接。此结构可使监测成像单元5在竖直方向进行角度调整，通过在固定栓58的两端设置螺母来进行固定。此结构需要手动调整角度，当然也可以在此处设置减速电机来实现角度的自动调整。

[0041] 如图2所示，支撑架4包括第一支撑部41及第二支撑部42，第一支撑部41与第二支撑部42均为中空的管状结构。第一支撑部41的直径略小于第二支撑部42的直径，使第一支撑部41可插设在所述第二支撑部42的内部。第一支撑部41及第二支撑部42的连接处设有抱箍43，抱箍43能进行拧紧拧松。当抱箍43拧紧时，第一支撑部41及第二支撑部42处于固定状态；当抱箍43拧松时，第一支撑部41及第二支撑部42处于活动状态，第一支撑部41可在第二支撑部42内上下移动。通过此结构可对监测成像单元的拍摄高度进行调节，以适应于对不同生长时期的作物进行拍摄。

[0042] 如图5所示，电源装置2包括电池箱21、蓄电池、太阳能板22及光伏控制器。其中，电池箱21为方形的结构，电池箱21安装在底座1上，蓄电池设置在电池箱21的内部。太阳能板22设置在安装支架上，太阳能板22通过电线与蓄电池连接。光伏控制器分别与太阳能板22和蓄电池连接，太阳能板22经光伏控制器给蓄电池充电。同时，蓄电池也给太阳能板22的逆变器负载供电。具体的过程为：太阳能板22为光伏控制器供电，光伏控制器对蓄电池进行充电，充电后的蓄电池对光伏控制器供电，光伏控制器对驱动机构3及监测成像单元5供电。

[0043] 如图4所示，所述驱动机构3设置在电池箱21上，驱动机构3包括驱动电机31及减速机34。其中，驱动电机31为可编程马达，驱动电机31的电机主轴32与连接轴33连接，连接轴33靠近电机主轴32的一端是带槽位的套筒，槽位与电机主轴32上设有的凸起对齐并适配连接，进而使连接轴33可以随电机主轴32一起在转动。连接轴33的另一端是齿轮结构，且与减速机34内部的齿盘适配啮合带动齿盘转动。减速机34的输出端与支撑架4的底部连接，连接轴33与所述支撑架4呈90度设置，使支撑架4可在水平方向旋转，并能控制转速。值得说明的是，本结构的目的是为了使支撑架4可在水平方向旋转，同时能对转速进行控制，其它能实现本目的的结构也是可行的。

[0044] 如图5所示，底座1的底部设有多个地钉11，地钉11与底座1经螺纹连接或焊接。底座1可以安装在水泥地面，也可以直接安装在田间，通过长约30cm的地钉11固定。底座1的底部设有纵横交错的加强筋，以加强系统的平稳性。

[0045] 在实施例二中，如图1所示，在上述实施例的基础上，本实施例提供了一种作物表型监测系统，其包括多个作物表型监测装置，多个作物表型监测装置分别经无线模块与远端服务器连接，分别将所获取的作物图像信息上传至远端服务器。每一个作物表型监测装置可以独立运行，采集数据，利用4G网络上传远端服务器，也可以各个作物表型监测装置之间组网，统一上传远端服务器。

[0046] 实际应用中，一般农业科研种植的规划为，一个基因型设一个实验小区块，每个小区块地形大小约1mx2m、或1.5mx3m，一个作物品种约100-1000个基因型。一个作物表型监测装置可以监测周围1至8个实验小区块，根据场地大小及实验小区块植物多少而定配置个数，例如，如果有800个基因型或小区块，就可以配置100个作物表型监测装置形成作物表型监测系统，极大的节省投入成本。在一种植物的整个生长季，每间隔1-4小时拍照一次，生长季结束，就有上千张照片，建照片流，反映植物的动态生长状况，基于此可以测算植物的生长速率；植物旁设标尺，根据像素与标尺的对应关系，可以测算植物的表型性状，如株高、株型、株幅、叶长/宽、植株倒伏情况等；根据一季或几季的数据，可以预测下一季植物的生长，可以预测产量等。另外，监测成像单元的成像模块，可以由RGB扩展为热红外加RGB，进而得到植物的冠层温度、病虫害、水分胁迫指数等理化指标。

[0047] 所有的图片、环境参数利用4G网络，上传到云端或服务器；所有的数据在云端或服务器统一集中化管理,自动识别筛选清晰图像，统一格式命名，顺序堆栈处理等；集中控制系统提供中央实时监控，以管理监测成像单元工作站，记录在线或离线状态、操作模式、日常图像、微环境和计算资源，并整理收集数据，以便可视化、批处理和注释。

[0048] 作物表型监测系统是一个物联网支持的表型测量平台，设计简单易用，可广泛应用于任何环境。并配套一个自动化田间控制系统、高通量性状分析算法和基于机器学习的建模，以管理和处理平台生成的数据，从而探究基因型、表型和环境之间的动态关系。

[0049] 作物表型监测系统是基于Linux的操作系统Debian运行数据传输与远程控制，其包含两个服务器，NetATalk和VNC服务器，以便于田间数据传输和远程系统控制，这允许用户通过无线(使用平板电脑或智能手机)或有线连接(使用笔记本电脑)连接到每个监测成像单元。

[0050] 作物表型监测系统是基于GUI的成像程序实现实时系统交互，将其添加到软件包中，以控制RGB或NoIR相机模块，用于延时(time-lapse)作物监测。该程序可以自动检测给定监测成像单元的IP地址，以便将该监测成像单元与其田间试验的特定实验ID相关联。之后，程序要求用户通过GUI对话框指定诸如基因型(品种)、生物学重复和成像持续时间等信息，用户可以在其中启动图像采集。

[0051] 在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述或记载的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

[0052] 应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

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