一种基于大数据物联网的智慧农业植保作业控制系统
技术领域
本发明涉及农业植保技术领域，涉及到一种基于大数据物联网的智慧农业植保作业控制系统。
背景技术
近年来,随着社会的进步和经济的发展,农业对我国发展起到的基础性作用显得越来越重要,农业的产能效益也是保证国民生活水平的基础保障，因此现在农业生产都采用植保技术是提高农民农业产量,特别是利用植保无人机对农作物进行农药喷洒,人工喷洒农药有时会造成大气、水源、土壤等环境的污染，在喷洒不均匀的情况下，有可能会造成农作物的损伤，而用植保无人机对农作物进行农药喷洒则可以降低对环境的破坏，提高了喷洒效率，做到人与自然和谐相处，促进生态文明的建设。
但目前的植保无人机喷洒农药只是对已知的农作物种类及种植面积执行农药喷洒操作，对未知的农作物种植区域，特别是农作物混种区域，则无法进行农药喷洒，鉴于此，本发明设计一种基于大数据物联网的智慧农业植保作业控制系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于大数据物联网的智慧农业植保作业控制系统，针对农作物混种区域，通过区域图像采集模块、种植区域划分模块对农作物混种区域中农作物种类进行识别并对各农作物种植子区域进行划分，并结合区域面积统计模块、区域植株密度分析模块对各农作物种植子区域的农药喷洒量进行统计，再通过喷洒农药控制终端执行农药喷洒操作，解决了背景技术中存在的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于大数据物联网的智慧农业植保作业控制系统，包括区域图像采集模块、图像预处理模块、种植区域划分模块、农作物资源数据库、区域面积统计模块、区域植株密度分析模块、GPS跟踪定位模块、无人机控制终端、数据管理服务器和作业高度检测模块。
区域图像采集模块，包括图像采集设备，用于对农作物混种区域的图像进行采集，并将采集的图像发送至图像预处理模块；
图像预处理模块，与区域图像采集模块连接，用于接收区域图像采集模块发送的农作物混种区域图像，并对接收的农作物混种区域图像进行提高对比度、滤除噪声和高清滤波处理，得到预处理后的图像，并发送至种植区域划分模块；
种植区域划分模块，与图像预处理模块连接，用于接收图像预处理模块发送的预处理后的农作物混种区域图像，对接收的农作物混种区域图像进行放大，并将放大后的农作物混种区域图像进行农作物特征提取，识别农作物种类，同时根据不同农作物的外形特征不同，通过区域扫描提取不同种类农作物种植区域的边界线，不同种类农作物的边界线将农作物混种区域划分为各农作物种植子区域，各农作物种植子区域分别对应各农作物种类，对各农作物种植子区域按照设定的顺序进行编号，分别为1,2...i....n，种植区域划分模块将各农作物种植子区域编号及各种植子区域对应的农作物种类发送至农作物资源数据库；
区域面积统计模块，包括GPS测亩仪，与种植区域划分模块连接，用于对划分的各农作物种植子区域利用GPS测亩仪获取各农作物种植子区域边界的位置坐标，进而确定各农作物种植子区域的面积，区域面积统计模块将各农作物种植子区域边界的位置坐标发送至农作物资源数据库，并将各农作物种植子区域的面积发送至区域植株密度分析模块和数据管理服务器；
农作物资源数据库，分别与种植区域划分模块和区域面积统计模块连接，用于接收种植区域划分模块发送的各农作物种植子区域编号及各种植子区域对应的农作物种类，接收区域面积统计模块发送的各农作物种植子区域边界的位置坐标，并进行存储，构成各农作物种植子区域信息集合，各农作物种植子区域信息集合中包含各农作物种植子区域编号，农作物种类，种植子区域边界的位置坐标，同时存储不同种类农作物的各类外形特征向量及对应的特征分量；
区域植株密度分析模块，与区域面积统计模块连接，用于接收区域面积统计模块发送的各农作物种植子区域面积，并对各农作物种植子区域中的农作物植株总数进行统计，进而统计各农作物种植子区域的植株种植密度，记为ρ，
数据管理服务器，与区域面积统计模块和区域植株密度分析模块连接，用于接收区域面积统计模块发送的各农作物种植子区域面积和区域植株密度分析模块发送的各农作物种植子区域的植株种植密度，统计各农作物种植子区域的喷洒农药量，并通过植保无人机执行农药喷洒操作，每架植保无人机分别对应一个编号，且每架植保无人机喷洒的农药种类分别与每种农作物一一对应，根据预设的各植保无人机编号与各农作物种类的对应关系，数据管理服务器将各植保无人机编号及对应的农作物种类和对应的喷洒农药量发送至无人机控制终端，并接收无人机控制终端反馈的农药喷洒量，一旦反馈的农药喷洒量大于统计的农药喷洒量，则数据管理服务器发送停止喷洒控制指令至无人机控制终端；
无人机控制终端，与数据管理服务器连接，用于接收数据管理服务器发送的各植保无人机编号及对应的农作物种类和对应的喷洒农药量，根据接收的各植保无人机对应的农作物种类，提取农作物资源数据库中各农作物种植子区域信息集合中该农作物种类对应的农作物种植子区域编号，并通过接收的植保无人机编号，调取该植保无人机在指定的农作物种植子区域内执行农药喷洒操作，同时根据接收的各农作物种植子区域对应的喷洒农药量，控制植保无人机喷洒阀嘴的喷头打开，并实时采集喷洒农药量，将采集的喷洒农药量发送至数据管理服务器，同时，接收数据管理服务器发送的停止喷洒控制指令，控制控制植保无人机喷洒阀嘴的喷头由打开状态切换成关闭状态；
GPS跟踪定位模块，安装在各植保无人机上，用于实时跟踪定位各植保无人机的喷洒区域位置，并获取位置坐标信息，提取农作物资源数据库中各农作物种植子区域信息集合中该农作物种植子区域对应的边界位置坐标，并将获取的植保无人机的喷洒区域位置坐标信息与对应的该农作物种植子区域的边界位置坐标进行对比，若超出该农作物种植子区域边界位置坐标，则发送预警控制指令至无人机控制终端；
无人机控制终端，与GPS跟踪定位模块连接，用于接收GPS跟踪定位模块发送的预警控制指令，远程控制植保无人机改变喷洒区域；
作业高度检测模块，包括风速传感器，安装在各植保无人机上，用于采集植保无人机执行农药喷洒操作过程中的风速值，同时根据各农作物种类的植株高度不同，调整各植保无人机的作业高度，并记录植保无人机此时的作业高度，将采集的风速和植保无人机此时的作业高度发送至数据管理服务器；
数据管理服务器与作业高度检测模块连接，用于接收作业高度检测模块发送的风速和植保无人机此时的作业高度，并将接收的风速值与预设的标准风速值进行对比，若大于预设风速值，则降低植保无人机的作业高度，同时检测降低后的植保无人机作业高度，同时与预设的最小作业高度阈值进行对比，若小于预设的最小作业高度阈值，则发送停止喷洒指令至无人机控制终端；
无人机控制终端，接收数据管理服务器发送的停止喷洒指令，控制控制植保无人机喷洒阀嘴的喷头关闭。
优选地，所述图像采集设备为高清摄像模组。
进一步地，所述农作物混种区域的农作物种类识别方法包括以下几个步骤：
S1：提取农作物混种区域图像中的农作物外形特征向量分类，外形特征向量包括根、茎、叶、花、果五类，并进一步提取各类特征向量的特征分量，特征分量包括颜色和形状；
S2：将提取的农作物各类外形特征向量对应的特征分量与农作物资源数据库中各种农作物的各类外形特征向量对应的外形分量进行逐一对比，并统计各类外形特征向量对应的特征分量与农作物资源数据库存储的各种农作物的各类外形特征向量对应的各外形分量相似度；
S3：将统计的各类外形特征向量对应的各特征分量与农作物资源数据库存储的各种农作物的各类外形特征向量对应的外形分量相似度与预设的相似度阈值进行对比，当每类外形特征向量对应的每个特征分量相似度都大于设定的相似度阈值，则输出相似度最大的农作物种类作为该农作物的种类。
进一步地，所述GPS测亩仪内集成高精度的GPS定位系统，其测量农作物种植子区域面积的方法包括以下几个步骤：
H1：利用GPS定位系统获取农作物种植子区域边界的位置坐标；
H2：对获取的农作物子种植区域边界端点的经纬度坐标转换为平面坐标，由于在很小的范围内经线和纬线可视为互相垂直，故将经线方向视为Y轴，纬线方向视为X轴，取地球半径为6371116m，则任意一点农作物种植子区域边界端点j的经纬度坐标转换为平面坐标的公式为
H3：农作物种植子区域近似为不规则多边形，将农作物种植子区域边界各端点与坐标原点相连，则农作物种植子区域每条边与原点构成一个三角形，这样以来将该不规则多边形分隔为若干三角形，计算每条边所对应三角形的面积；
H4：对分割的所有三角形面积求和，即为农作物种植子区域面积。
进一步地，所述的农作物植株总数统计方法包括以下几个步骤：
W1：对农作物种植子区域中提取单株植株与单株植株之间的距离，即为株距，记为L；
W2：对农作物种植子区域中提取单位植株栽植行与单位植株栽植行之间的距离，即为行距，记为H；
W3：根据农作物种植子区域面积，记为S,计算农作物植株总数,记为Q,
有益效果：
(1)本发明针对农作物混种区域，通过区域图像采集模块、种植区域划分模块对农作物混种区域中农作物种类进行识别并对各农作物种植子区域进行划分，并结合区域面积统计模块、区域植株密度分析模块对各农作物种植子区域的农药喷洒量进行统计，再通过喷洒农药控制终端执行农药喷洒操作，能够对农作物混种区域进行有效地农药喷洒，扩展了植保无人机的作业场景，提高了植保工作技术水平，同时设置多架植保无人机，根据各植保无人机与各农作物种植子区域的对应关系，调取多架植保无人机同时对农作物混种区域执行农药喷洒操作，提高了喷洒效率。
(2)本发明通过GPS跟踪定位模块，实时跟踪定位植保无人机的喷洒区域位置，并获取位置坐标信息，与该植保无人机对应喷洒该农作物种植子区域边界的位置坐标进行对比，若超出该农作物种植子区域边界位置坐标，则进行预警控制该植保无人机改变喷洒区域，避免越界喷洒对其他农作物种类造成药害，体现了系统的灵活性。
(3)本发明通过设置植保无人机最小作业高度阈值，并结合作业高度检测模块，在植保无人机执行农药喷洒操作过程中采集风速，根据风速对植保无人机的作业高度的影响，调整植保无人机的作业高度，同时与最小作业高度阈值进行对比，若小于最小作业高度阈值，则控制植保无人机停止工作，避免植保无人机作业高度过低，影响农药喷洒效果，体现了系统的智能性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，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为本发明的模块示意图。
图2为本发明农作物种植子区域面积的分解图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2所示，一种基于大数据物联网的智慧农业植保作业控制系统，包括区域图像采集模块、图像预处理模块、种植区域划分模块、农作物资源数据库、区域面积统计模块、区域植株密度分析模块、喷洒农药控制终端、GPS跟踪定位模块、无人机控制终端、数据管理服务器和作业高度检测模块。
区域图像采集模块，包括图像采集设备，图像采集设备为高清摄像模组，安装在植保无人机上，利用植保无人机低空对农作物混种区域的图像进行采集，并将采集的图像发送至图像预处理模块。
图像预处理模块，与区域图像采集模块连接，用于接收区域图像采集模块发送的农作物混种区域图像，并对接收的农作物混种区域图像进行提高对比度、滤除噪声和高清滤波处理，得到预处理后的图像，并发送至种植区域划分模块。
种植区域划分模块，与图像预处理模块连接，用于接收图像预处理模块发送的预处理后的农作物混种区域图像，对接收的农作物混种区域图像进行放大，并将放大后的农作物混种区域图像进行农作物特征提取，识别农作物种类，其农作物种类识别方法包括以下几个步骤：
S1：提取农作物混种区域图像中的农作物外形特征向量分类，外形特征向量包括根、茎、叶、花、果五类，并进一步提取各类特征向量的特征分量，特征分量包括颜色和形状；
S2：将提取的农作物各类外形特征向量对应的特征分量与农作物资源数据库中各种农作物的各类外形特征向量对应的外形分量进行逐一对比，并统计各类外形特征向量对应的特征分量与农作物资源数据库存储的各种农作物的各类外形特征向量对应的各外形分量相似度；
S3：将统计的各类外形特征向量对应的各特征分量与农作物资源数据库存储的各种农作物的各类外形特征向量对应的外形分量相似度与预设的相似度阈值进行对比，当每类外形特征向量对应的每个特征分量相似度都大于设定的相似度阈值，则输出相似度最大的农作物种类作为该农作物的种类。
种植区域划分模块根据不同农作物种类的外形特征不同，通过区域扫描提取不同种类农作物种植区域的边界线，不同种类农作物的边界线将农作物混种区域划分为各农作物种植子区域，各农作物种植子区域相互连接，且各农作物种植子区域分别对应各农作物种类，对各农作物种植子区域按照设定的顺序进行编号，分别为1,2...i....n，种植区域划分模块将各农作物种植子区域编号及各种植子区域对应的农作物种类发送至农作物资源数据库。
区域面积统计模块，包括GPS测亩仪，与种植区域划分模块连接，用于对划分的各农作物种植子区域利用GPS测亩仪获取各农作物种植子区域边界的位置坐标，进而确定各农作物种植子区域的面积，所述GPS测亩仪内集成高精度的GPS定位系统，操作简单方便，无需再拉皮尺测量，省去不少人力、财力、物力，且可测量不规则土地面积，其测量农作物种植子区域面积的方法具体包括以下几个步骤：
H1：利用GPS定位系统获取农作物种植子区域边界的位置坐标；
H2：对获取的农作物种植子区域边界的经纬度坐标转换为平面坐标，由于在很小的范围内经线和纬线可视为互相垂直，故将经线方向视为Y轴，纬线方向视为X轴。取地球半径为6371116m，则任意一点农作物种植子区域边界端点j的经纬度坐标转换为平面坐标的公式为
H3：农作物种植子区域近似为不规则多边形，将农作物种植子区域边界各端点与坐标原点相连，则农作物种植子区域每条边与原点构成一个三角形，这样以来将该不规则多边形分隔为若干三角形，计算每条边所对应三角形的面积；
H4：在多边形外的面积值为负，其余为正，计算其代数和即为多边形面积，计算公式为
区域面积统计模块将各农作物种植子区域边界的位置坐标发送至农作物资源数据库，并将各农作物种植子区域的面积发送至区域植株密度分析模块和数据管理服务器。
农作物资源数据库，分别与种植区域划分模块和区域面积统计模块连接，用于接收种植区域划分模块发送的各农作物种植子区域编号及各种植子区域对应的农作物种类，接收区域面积统计模块发送的各农作物种植子区域边界的位置坐标，并进行存储，构成各农作物种植子区域信息集合，各农作物种植子区域信息集合中包含各农作物种植子区域编号，农作物种类，种植子区域边界的位置坐标，同时存储不同种类农作物的各类外形特征向量及对应的特征分量。
区域植株密度分析模块，与区域面积统计模块连接，用于接收区域面积统计模块发送的各农作物种植子区域面积，并对各农作物种植子区域中的农作物植株总数进行统计，其植株总数统计方法包括以下几个步骤：
W1：对农作物种植子区域中提取单株植株与单株植株之间的距离，即为株距，记为L；
W2：对农作物种植子区域中提取单位植株栽植行与单位植株栽植行之间的距离，即为行距，记为H；
W3：根据农作物种植子区域面积，记为S,计算农作物植株总数,记为Q,
区域植株密度分析模块根据统计的各农作物种植子区域的农作物植株总数，进而计算各农作物种植子区域的植株种植密度，记为ρ，
数据管理服务器，与区域面积统计模块和区域植株密度分析模块连接，用于接收区域面积统计模块发送的各农作物种植子区域面积和区域植株密度分析模块发送的各农作物种植子区域的植株种植密度，统计各农作物种植子区域的喷洒农药量，并通过植保无人机执行农药喷洒操作，每架植保无人机分别对应一个编号，且每架植保无人机喷洒的农药种类分别与每种农作物一一对应，植保无人机的总架数与农作物种植子区域的个数保持一致，根据预设的各植保无人机编号与各农作物种类的对应关系，数据管理服务器将各植保无人机编号及对应的农作物种类和对应的喷洒农药量发送至无人机控制终端，并接收无人机控制终端反馈的农药喷洒量，一旦反馈的农药喷洒量大于统计的农药喷洒量，则数据管理服务器发送停止喷洒控制指令至无人机控制终端。
无人机控制终端，与数据管理服务器连接，用于接收数据管理服务器发送的各植保无人机编号及对应的农作物种类和对应的喷洒农药量，根据接收的各植保无人机对应的农作物种类，提取农作物资源数据库中各农作物种植子区域信息集合中该农作物种类对应的农作物种植子区域编号，并通过接收的植保无人机编号，调取该植保无人机在指定的农作物种植子区域内执行农药喷洒操作，本实施例通过设置多架植保无人机，根据各植保无人机与各农作物种植子区域的对应关系，调取多架植保无人机同时对农作物混种区域执行农药喷洒操作，扩展了植保无人机的作业场景，提高了喷洒效率。
同时，无人机控制终端根据接收的各农作物种植子区域对应的喷洒农药量，控制植保无人机喷洒阀嘴的喷头打开，并实时采集喷洒量，将采集的喷洒量发送至数据管理服务器，同时，接收数据管理服务器发送的停止喷洒控制指令，控制控制植保无人机喷洒阀嘴的喷头由打开状态切换成关闭状态。
GPS跟踪定位模块，安装在各植保无人机上，用于实时跟踪定位各植保无人机的喷洒区域位置，并获取位置坐标信息，提取农作物资源数据库中各农作物种植子区域信息集合中该农作物种植子区域对应的边界位置坐标，并将获取的植保无人机的喷洒区域位置坐标信息与对应的该农作物种植子区域的边界位置坐标进行对比，若超出该农作物种植子区域边界位置坐标，则发送预警控制指令至无人机遥控控制终端。
无人机控制终端，与GPS跟踪定位模块连接，用于接收GPS跟踪定位模块发送的预警控制指令，远程控制植保无人机改变喷洒区域，避免越界喷洒对其他农作物种类造成药害，体现了系统的灵活性。
作业高度检测模块，包括风速传感器，安装在各植保无人机上，用于采集植保无人机执行农药喷洒操作过程中的风速值，同时根据各农作物种类的植株高度不同，调整各植保无人机的作业高度，并记录植保无人机此时的作业高度，将采集的风速和植保无人机此时的作业高度发送至数据管理服务器。
数据管理服务器与作业高度检测模块连接，用于接收作业高度检测模块发送的风速和植保无人机此时的作业高度，并将接收的风速值与预设的标准风速值进行对比，若大于预设风速值，则降低植保无人机的作业高度，同时检测降低后的植保无人机作业高度，与预设的最小作业高度阈值进行对比，若小于预设的最小作业高度阈值，则发送停止喷洒指令至无人机控制终端。避免植保无人机作业高度过低，影响农药喷洒效果，体现了系统的智能性。
无人机控制终端，接收数据管理服务器发送的停止喷洒指令，控制控制植保无人机喷洒阀嘴的喷头关闭。
本发明针对农作物混种区域，通过区域图像采集模块、种植区域划分模块对农作物混种区域中农作物种类进行识别并对各农作物种植子区域进行划分，并结合区域面积统计模块、区域植株密度分析模块对各农作物种植子区域的农药喷洒量进行统计，再通过喷洒农药控制终端执行农药喷洒操作，能够对农作物混种区域进行有效地农药喷洒，扩展了植保无人机的作业场景，提高了植保工作技术水平，同时设置多架植保无人机，根据各植保无人机与各农作物种植子区域的对应关系，调取多架植保无人机同时对农作物混种区域执行农药喷洒操作，提高了喷洒效率。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
