農業綜合信息遠程無線監控與預警系統的制作方法

專利名稱：農業綜合信息遠程無線監控與預警系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及農業、科研信息化領域，特別是一種農業綜合信息遠程無線監控與預警系統。
二背景技術：
近年來，隨著計算機網絡、通信技術和多媒體技術的發展，傳統監控系統也不斷向著新的方向發展并不斷進行更新。為了和電腦對應，傳統的模擬設備已經開始向數字設備轉換；數字資料已經開始方便地傳送和管理；可以借助安防網絡設備連接其他的數字產品來擴大應用范圍；遠程傳送的需求也越來越大，這表明視頻監控技術已全面進入數字時代。網絡信息的發展；許多建筑物已經具備局域網和廣域網；有許多要求是在PC控制下的升級系統；圖象處理用PC有許多的彈性；多種的數據保存硬件(硬盤、備份光盤等)發展很快，基礎設施的發展為視頻監控技術的發展創造了條件。雖然無線視頻監控已經在工業生產、居民生活等領域有了較大程度的普及，然而，由于生產者的文化素質、通信設備的成本控制等方面的問題，無線監控在農業生產養殖等領域的應用并不廣泛。現在市場上大多數應用于農業的無線監控系統大多是以小型單片機為控制核心，傳輸媒介采用射頻模塊的系統，這種類型的系統無線通信帶寬低，控制核心計算速度低，有的無法實現高清視頻的實時傳輸，有的雖然實現了視頻傳輸卻犧牲了大量資源在視頻的編解碼上，無法實現其他功能的集成。文獻1:中國專利CN1，916，790A.占錦川.農作物培育監控系統及監控方法.2006.9.公開了一種集成控制部件、感測模塊及計算機監控模塊的農作物培育監控系統，其中的監控前端只有溫濕度酸堿度傳感器，沒有視頻監控功能和預警功能，同時其傳輸方式也局限在有線傳輸，故而無法實現遠程監控。其局限性還表現在，僅能對農作物的生長過程進行監控，并且受到時間和地域等條件對監控者的約束，功能擴展性差。
三
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種能夠對農業生產的現場信息進行準確、高效、及時的立體式監控的農業綜合信息遠程無線監控與預警系統，旨在提高農業生產的便捷性和高效性。實現本實用新型目的的技術解決方案為:一種農業綜合信息遠程無線監控與預警系統，包括監控中心、基站和I個以上監控前端:其中每個監控前端包括環境參數采集模塊、全球定位系統GPS模塊、DSP多媒體處理器、人機接口模塊、報警裝置、3G模塊和WiFi模塊，監控中心包括監控臺、網絡服務器、數據庫服務器；所述環境參數采集模塊分為視頻采集模塊、溫濕度傳感器和光照傳感器三部分，人機接口模塊分為IXD觸屏和4X4按鍵兩部分，報警裝置由I個以上紅外傳感器、I個警鈴和I個報警指示燈組成；所述每個監控前端的內部連接關系如下:視頻采集模塊的CXD攝像頭通過模擬視頻信號線CVBS與視頻解碼芯片連接，視頻解碼芯片通過高清數字信號輸入線與DSP多媒體處理器相連；溫濕度傳感器采用一體化芯片，以I2C接口形式與DSP多媒體處理器相連；光照傳感器與DSP多媒體處理器的A/D 口連接；全球定位系統GPS模塊通過RS232方式與DSP多媒體處理器連接；4X4按鍵通過IO 口與鍵盤控制芯片相連，DSP多媒體處理器與鍵盤控制芯片以I2C接口形式相連；IXD觸屏的輸入接口連接觸屏控制器，觸屏控制器與DSP多媒體處理器以SPI串行外設方式互連，DSP多媒體處理器的視頻輸出信號口與IXD觸屏相連；警鈴和警示燈通過IO 口與DSP多媒體處理器相連，紅外傳感器經調理電路與DSP多媒體處理器的A/D輸入端相連；3G模塊和WiFi模塊分別通過UART串口形式與DSP多媒體處理器相連；所述監控前端分別置于不同的農業生產場所，各監控前端之間通過WiFi模塊互聯，每個監控前端的3G模塊通過基站與監控中心互聯；監控臺、網絡服務器、數據庫服務器之間以局域網形式互聯。本實用新型農業綜合信息遠程無線監控與預警系統，所述監控前端之間搭建局域網信息共享，以一個監控前端為中心點監控前端，其它監控前端與該中心點監控前端相連形成星形拓撲結構。本實用新型農業綜合信息遠程無線監控與預警系統，所述DSP多媒體處理器采用DM365芯片。本實用新型與現有技術相比，其顯著優點是:1、實現無人化遠程監控，節約了人力，提升了監控的及時性，養殖者足不出戶就能將飼養地信息盡收眼底并且能夠及時準確的應對突發事件；2、監控信息發布到公共網站，手機用戶和互聯網用戶能在任何地方登陸訪問監控中心服務器公共網站，得到相應的信息，方便管理者隨時隨地的進行監控；3、監控前端之間形成星形拓撲結構，當有一臺監控前端的3G模塊出現故障，可以將信息通過WiFi模塊傳送給中心點監控前端，代發給監控中心，提高了系統的穩定性和容故障能力；4、產品外觀小巧簡潔，低功耗，無噪音，安裝靈活方便，系統運行穩定，大大提升了農業生產的效率。
四
圖1是本實用新型農業綜合信息遠程無線監控與預警系統的示意圖。圖2是本實用新型農業綜合信息遠程無線監控與預警系統的監控前端的結構圖。圖3是本實用新型農業綜合信息遠程無線監控與預警系統的環境信息采集模塊結構圖。圖4是本實用新型農業綜合信息遠程無線監控與預警系統的工作流程圖。
五具體實施方式
以下結合附圖，對本實用新型做進一步詳細描述。結合圖1，本實用新型農業綜合信息遠程無線監控與預警系統，包括監控中心、基站和I個以上監控前端:其中每個監控前端如圖2所示，包括環境參數采集模塊、全球定位系統GPS模塊、DSP多媒體處理器、人機接口模塊、報警裝置、3G模塊和WiFi模塊，監控中心包括監控臺、網絡服務器、數據庫服務器；所述環境參數采集模塊分為視頻采集模塊、溫濕度傳感器和光照傳感器三部分，人機接口模塊分為LCD觸屏和4X4按鍵兩部分，報警裝置由I個以上紅外傳感器、I個警鈴和I個報警指示燈組成；所述每個監控前端的內部連接關系如下:結合圖3環境信息采集模塊結構圖，視頻采集模塊的CXD攝像頭通過模擬視頻信號線CVBS與視頻解碼芯片連接，視頻解碼芯片通過高清數字信號輸入線與DSP多媒體處理器相連；溫濕度傳感器采用一體化芯片，以I2C接口形式與DSP多媒體處理器相連；光照傳感器與DSP多媒體處理器的A/D 口連接；全球定位系統GPS模塊通過RS232方式與DSP多媒體處理器連接；4X4按鍵通過IO 口與鍵盤控制芯片相連，DSP多媒體處理器與鍵盤控制芯片以I2C接口形式相連；IXD觸屏的輸入接口連接觸屏控制器，觸屏控制器與DSP多媒體處理器以SPI串行外設方式互連，DSP多媒體處理器的視頻輸出信號口與LCD觸屏相連；警鈴和警示燈通過IO 口與DSP多媒體處理器相連，紅外傳感器經調理電路與DSP多媒體處理器的A/D輸入端相連；3G模塊和WiFi模塊分別通過UART串口形式與DSP多媒體處理器相連；所述監控前端分別置于不同的農業生產場所如農作物種植地、家禽養殖場所和牲畜養殖場所等，各監控前端之間通過WiFi模塊互聯，每個監控前端的3G模塊通過基站與監控中心互聯；監控臺、網絡服務器、數據庫服務器之間以局域網形式互聯；所述監控前端之間搭建局域網信息共享，以一個監控前端為中心點，其它監控前端與該中心點相連形成星形拓撲結構，所有監控前端的信息匯總于中心點并以3G方式統一發送給基站；所述DSP多媒體處理器采用DM365芯片，且配有片外存儲器、FLASH、E2PR0M、SD卡以及DDR2。一、下面來具體介紹監控前端各模塊之間的工作原理:(I)為了方便對監控前端設備的操作和設置，監控前端增設了人機接口模塊，分為真彩觸屏和4X4數碼按鍵兩部分。人機接口模塊與DSP通過IO 口和專門的數字接口互相通信，操作者可以設置不同的預警閾值，進行正常工作模式和無人化自動預警模式的切換，此外還可以通過短信的方式與監控中心進行通訊。(2)報警裝置由多個紅外傳感器，一個警鈴和一個紅色警示燈組成。警鈴和警示燈通過IO 口與DSP多媒體處理器相連，紅外傳感器經調理電路與DSP多媒體處理器的A/D輸入端相連。當飼養地無人出入時，啟動監控前端裝置的無人化自動預警模式，安放在各個門窗或圍欄圍墻的紅外傳感器會同時啟動。如果有突發事件(如人為私自闖入偷盜牲畜農作物或其他生物的危害)，會觸發紅外傳感器產生電壓變化，這種變化超過DSP多媒體處理器設置的閾值時，產生警報電平，從而產生警報中斷，程序響應中斷，開啟警鈴和報警指示燈，并且連帶GPS信息把警報及時發送給監控中心。監控中心系統根據報警信息迅速定位出事地點，從而有效迅速的制止危害行為。為了避免系統的缺陷，也在監控中心設置了自動報警模式，當監控者發現危害事件可人工觸發報警系統。報警系統的靈敏度，種類設置也是可根據具體情況加以修正。(3)全球定位系統GPS模塊將獲取的各農業生產場所當前的地理位置信息傳給DSP多媒體處理器。(4)如圖3所示，環境參數采集模塊分為視頻采集模塊、溫濕度傳感器和光照傳感器三部分:1)溫濕度傳感器采用高精度數字溫濕度傳感器，獲取當地的室內空間或戶外土壤水域等環境的溫度濕度，通過I2C串行總線接口與DSP多媒體處理器相連。與原始的獨立式模擬輸出的溫度傳感器和濕度傳感器相比，高精度數字溫濕度傳感器一體化的結構使它具有質量好，反應快，抗干擾，價格低等特點；2)光照傳感器根據光強的不同輸出0-2v的模擬電壓信號，此信號輸入到DSP多媒體處理器的A/D 口進行模數轉換，生成相應的光照強度信息，針對有些對環境因素敏感的生物可以對環境參數進行準確及時地調控，對提高農產品產量有很大幫助；3)視頻采集模塊架設于三軸旋轉的云臺，能夠使CCD攝像頭多角度全方位覆蓋觀測點；CCD攝像頭配備紅外聚光燈，解決大霧、暴雨等惡劣環境下的照明問題；設有避雷措施，以防戶外雷雨天氣的雷擊對整個系統造成毀滅性打擊；CCD攝像頭采集的高清晰度模擬視頻信號輸入到高清視頻轉換芯片，高清視頻轉換芯片能實現R/Pr、G/Y、B/Pb信號的數字轉換，轉換率高達165MHz，分辨率高達1080P，DSP多媒體處理器通過IIC總線對其配置，轉換好的視頻流輸出給DSP多媒體處理器處理。(5) WiFi模塊用于監控前端之間建立局域網的通信，以UART串口形式與DSP多媒體處理器相連。監控前端數據包的發送可設置主從兩種模式:從模式下，局域網內的監控前端可以將采集數據統一發送到同一臺監控前端作為中心點，并由該中心點統一通過3G技術發送給基站；主模式下，所有監控前端不進行局域網搭建，分別利用自身的3G模塊發送數據給基站。這樣的好處是:節約資源，3G模塊比WiFi費電，所有前端一起使用3G模塊工作的話，電量耗費大，若是組成局域網統一發送數據能較好的節約資源；當有一臺前端的3G模塊發生故障不能及時處理，可以利用局域網的形式，將數據共享到另外的前端，再進行傳輸，提高了系統的穩定性和容故障能力。(6) 3G模塊通過UART串口的形式與DSP多媒體處理器互聯，將DSP多媒體處理器打包好的信息發送出去，同時也能接收監控中心發來的指令。(7) DSP多媒體處理器采用DM365。DM365上的VPFE接口，能支持多種格式的視頻輸入格式，一個監控前端可支持4路高清視頻同時輸入，相比起以往的單片處理視頻流，大大節約了控制芯片資源，降低了成本；DM365主要對輸入視頻數據進行H.264壓縮，同時對其他傳感器采集的環境信息進行打包集成；DM365同時提供高清數字視頻輸入接口，如果使用的外設攝像頭是數字式無需模數轉換，直接使用高清輸入即可。DM365綜合信息輸出部分:DM365內嵌ARM微處理器，該處理器核心功能是對數據流進行轉發。ARM先完成壓縮數據的封裝，然后通過3G模塊完成數據包的發送。此外ARM還負責解析接收數據，對PC機發來的相關參數命令進行轉發，進行相應的運算設置(視頻壓縮碼率、幀率等)，通過串口實現對外設的控制(云臺控制器、報警設備等)，通過GPIO對系統上其他模塊的初始化等。最終由DSP多媒體處理器將這些信息通過3G無線傳輸模塊發射出去。DM365的優勢在于:1)先進的壓縮算法接入在2G/3G網絡環境中，最低要求30Kbps上傳帶寬即可滿足手機端觀看需求，最低IOOKbps的上傳帶寬即可滿足手機端和電腦端同時觀看的需求；2)在2G/3G手機終端上能夠保證流暢的視頻觀看效果，碼率僅保持在40KbpS-60KbpS ；3采用符合JVT (ITU-T，ISO聯合組織)標準的H.264硬編碼技術，實時編碼壓縮能力，也支持每路單獨的子碼流，以確保網絡擁堵時可以優先傳輸子碼流，比MPEG-4平均可節省39%的比特率；3)具有強大的抗丟包和抗誤碼性能，以及抗干擾能力。系統外接EEPROM，SD卡，DDR2 SDRAM和NAND Flash作為片外存儲器，通過設置BTSEL[2:0]為000來選擇啟動方式為NAND Flash BOOT模式。DM365的AEMIF接口可以支持NAND Flash和NOR Flash，因為NAND Flash存儲容量大，價格便宜，本設計選用NANDFlash。DM365提供了專門的DDR2控制接口，16位數據線，14位地址線和3根塊選擇信號，可以支持256MByte的存儲空間。SD卡通過SDIO 口與DSP多媒體處理器互連，EEPROM通過SPI串行外設接口與DSP多媒體處理器互連。二、下面來具體介紹監控中心各模塊之間的工作原理:(I)監控臺的軟件對獲得的綜合信息進行解析，針對高清視頻數字信號使用
H.264軟解碼技術實時解碼視頻流，針對環境參數的數據包根據傳輸時的協議要求逐一解析，可以根據獲得的高清圖像信息及環境參數，準確的分析農作物或牲畜此時的狀態信息(如農作物的病蟲害以及牲畜的數量、疾病癥狀)，直觀的判斷出是否需要響應措施進行跟進處理，用于農場養殖場負責人對整個系統的管理協調和維護處理。監控臺的具體功能如下:1)信息集成:監視軟件自動將多傳感器獲得的環境參數信息和視頻圖像一起顯示，豐富的監控信息方便監控人員對現場的宏觀把握；2)視頻圖像設置可調:視頻圖像可進行分辨率、亮度、對比度、色彩等多種調節，這樣在環境干擾較大，高清視頻傳輸出現較大延遲時，則可以降低圖像質量，降低傳輸數據量，從而提高實時性；3)統計繪圖功能:可以把指定時段的參數變化以圖表的形式顯示出來，方便管理人員對歷史數據的統計分析，尋找規律:比如飼養者發現在某一時期的幼豬生長迅速，體重增加明顯，則可將此時期的溫度濕度飼料搭配作為比較成功的飼養方法記錄下來，應用于下一批的豬苗的飼養；4)預警功能:根據GPS得到的位置信息自動生成整個農業生產場所的布局圖，每個光標代表一個設備，如果設備工作正常為綠色，當出現警報和故障將變為紅色閃爍狀態，提示監控人員，同時，監控前端的自動預警功能也會現場發出預警信號；5)在線回放錄像，抓拍圖片:可進行網絡遠程錄像回放，方便用戶遠程歷史資料調閱，并且可遠程視頻圖片抓拍，直接進行網絡證據等信息保存；6)支持畫面切換，多畫面觀看，支持多畫面同時播放，使用戶可直觀進行全局控制。(2)數據庫服務器將每天的監控信息壓縮存儲下來，以備回放、備案等所用。(3)網絡服務器作為監控中心和互聯網客戶端的紐帶，將監控信息發布到公共網站，這樣手機用戶就能在任何地方登陸訪問監控中心服務器公共網站，得到相應的信息，方便管理者隨時隨地的進行監控，手機和互聯網用戶可借助手機寬帶業務訪問監控中心的公共網站，即使遠在千里之外也能對養殖基地運籌帷幄。三、下面來具體介紹該農業綜合信息遠程無線監控與預警系統的工作流程:結合圖4，本實用新型農業綜合信息遠程無線監控與預警系統的工作方法，包括以下步驟:第一步，通過人機接口模塊設置預警閾值、選擇工作模式，若選擇無人化自動預警模式，則進入下一步，若選擇正常工作模式，則轉入第三步；第二步，紅外傳感器啟動，DSP多媒體處理器讀取紅外傳感器的電壓信號，當紅外傳感器的電壓變化超過設置的閾值時，產生警報中斷，程序響應中斷，開啟警鈴和報警指示燈，并將該警報中斷信息結合全球定位系統GPS獲取的地理位置信息打包處理，得到預警數據包；第三步，監控前端的環境參數采集模塊和全球定位系統GPS模塊采集農業生產場所的環境參數，得到環境參數的數字信息，然后將該數字信息通過相應的數字接口發送給DSP多媒體處理器打包處理，得到環境參數數據包，所述的環境參數包括:(I)全球定位系統GPS獲取的地理位置信息；[0042](2)溫濕度傳感器獲得的溫度濕度信息以及光照傳感器獲得的光照強度信息；(3) CXD視頻采集模塊采集的農業生產場所的視頻數字信息。第四步，DSP多媒體處理器將數據包通過3G模塊發送到基站，并通過基站轉給監控中心；第五步，監控中心網關接收基站發來的數據包，并將其發送到監控中心各服務器，各服務器將獲得的數據包進行相應處理:(I)監控臺對獲得的數據包進行解析得到農業生產場所的環境參數和預警信息，然后進行管理協調和維護處理；(2)數據庫服務器將收到的數據包壓縮存儲，以備回放、備案所用；(3)網絡服務器將農業生產場所的環境參數和預警信息發布到監控中心服務器公共網站。本實用新型農業綜合信息遠程無線監控與預警系統的監控前端采用了嵌入式處理器和嵌入式操作系統，結合了 IT領域中最新的H.264音視頻壓縮/解壓縮技術、網絡技術、USB通信技術、CAN總線技術、3G無線通訊(支持CDMA 2000, WCDMA, TD-SCDMA)技術、WiFi無線通訊技術、智能傳感器技術、高級車載電源管理技術，適用于各類農業生產場所進行24小時監控，將監控圖像實時傳輸到監控中心，通過圖像資源整合、共享，實時、清晰、直觀地了解和掌握農場動植物飼養動態，充分發揮系統在農業飼養監測、病蟲害防治、處置突發性事件、創建生態科技農業工作中的作用，節約了人力，提升了監控的及時性，養殖者足不出戶就能將飼養地信息盡收眼底并且能夠及時準確的應對突發事件，此外產品外觀小巧簡潔，低功耗，無噪音，安裝靈活方便，系統運行穩定，大大提升了農業生產的效率。
權利要求1.一種農業綜合信息遠程無線監控與預警系統，其特征在于，該系統包括監控中心、基站和I個以上監控前端:其中每個監控前端包括環境參數采集模塊、全球定位系統GPS模塊、DSP多媒體處理器、人機接口模塊、報警裝置、3G模塊和WiFi模塊，監控中心包括監控臺、網絡服務器、數據庫服務器；所述環境參數采集模塊分為視頻采集模塊、溫濕度傳感器和光照傳感器三部分，人機接口模塊分為LCD觸屏和4X4按鍵兩部分，報警裝置由I個以上紅外傳感器、I個警鈴和I個報警指示燈組成； 所述每個監控前端的內部連接關系如下:視頻采集模塊的CCD攝像頭通過模擬視頻信號線CVBS與視頻解碼芯片連接，視頻解碼芯片通過高清數字信號輸入線與DSP多媒體處理器相連；溫濕度傳感器采用一體化芯片，以I2C接口形式與DSP多媒體處理器相連；光照傳感器與DSP多媒體處理器的A/D 口連接；全球定位系統GPS模塊通過RS232方式與DSP多媒體處理器連接；4X4按鍵通過IO 口與鍵盤控制芯片相連，DSP多媒體處理器與鍵盤控制芯片以I2C接口形式相連；IXD觸屏的輸入接口連接觸屏控制器，觸屏控制器與DSP多媒體處理器以SPI串行外設方式互連，DSP多媒體處理器的視頻輸出信號口與IXD觸屏相連；警鈴和警示燈通過IO 口與DSP多媒體處理器相連，紅外傳感器經調理電路與DSP多媒體處理器的A/D輸入端相連；3G模塊和WiFi模塊分別通過UART串口形式與DSP多媒體處理器相連； 所述監控前端分別置于不同的農業生產場所，各監控前端之間通過WiFi模塊互聯，每個監控前端的3G模塊通過基站與監控中心互聯；監控臺、網絡服務器、數據庫服務器之間以局域網形式互聯。
2.根據權利要求1所述的農業綜合信息遠程無線監控與預警系統，其特征在于:所述監控前端之間搭建局域網信息共享，以一個監控前端為中心點監控前端，其它監控前端與該中心點監控前端相連形成星形拓撲結構。
3.根據權利要求1所述的農業綜合信息遠程無線監控與預警系統，其特征在于:所述DSP多媒體處理器采用DM365芯片。
專利摘要本實用新型公開了一種應用于農業生產、科研的農業綜合信息遠程無線監控與預警系統，包括監控中心、基站和1個以上監控前端其中每個監控前端包括環境參數采集模塊、全球定位系統GPS模塊、DSP多媒體處理器、人機接口模塊、報警裝置、3G模塊和WiFi模塊，監控中心包括監控臺、網絡服務器、數據庫服務器；監控前端對農業生產、科研場所的各種環境參數進行實時采集，采集得到的監控信息通過3G模塊發送到基站，監控信息被基站轉發給遠端的監控中心網關，交由監控中心各服務器進行相應處理。本實用新型在大面積的農作物牲畜養殖地能實現無人化遠程監控，節約了人力，提升了監控的實時性，安裝靈活方便，系統運行穩定，大大提升了農業生產的效率。
文檔編號G08B25/00GK202975763SQ20122067877
公開日2013年6月5日 申請日期2012年12月11日 優先權日2012年12月11日
發明者郭健, 賈海鵬, 吳益飛, 袁路, 馬妍平 申請人:南京理工大學