Устройство мониторинга живой растительности и визуализации характеристик активности фотосинтеза Российский патент 2024 года по МПК A01G7/00 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к устройству мониторинга живой растительности и визуализации характеристик активности фотосинтеза.

Известно устройство мониторинга живой растительности, принятое в качестве прототипа, включающее: приспособление (устройство) для съемки с оптическими фильтрами; процессор, содержащий разъемы для подключения внешнего монитора источника питания, карты памяти и внешнего компьютера; память, выполненную в виде оперативного запоминающего устройства (ОЗУ); средство хранения данных в виде флеш-карты памяти; низкоуровневые интерфейсы; средства сетевого взаимодействия (WiFi модуль), обеспечивающие сетевой прием и передачу данных; а также общую шину соединения компонентов устройства и передачи данных (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации №2693255 «Методика дистанционной рекогносцировочной диагностики обеспечения растений азотом (с помощью мультиспектральной камеры и беспилотных летательных аппаратов (БПЛА)», МПК A01G 7/00, G06K 9/52, А01С 21/00, опубл. 01.07.2019).

В известном устройстве мониторинг живой растительности и визуализации характеристик активности фотосинтеза в сельском хозяйстве осуществляют с помощью спектральной съемки с помощью мультиспектральной камеры, обеспечивающей получение изображений в видимом (красный, зеленый и синий) (RGB) и ближнем инфракрасном диапазоне (NIR), устанавливая мультиспектральную камеру на БПЛА или другой летательный аппарат. При этом, информация, полученная с камер, поступает на внешние источники, обеспечивающие обработку информации и ее хранение.

Известное устройство имеет сложную структуру (конструкцию), так как использует внешние вычислительные ресурсы для хранения и обработки данных.

Известное устройство предназначено для получения пространственных данных с помощью средств автоматизации (роботизированных систем сканирования), устанавливаемых на беспилотных летательных аппаратах, что ограничивает его использование для оценки физиологии и морфологии мониторинга живой растительности (в непосредственной близости), например, органов растения, находящихся в труднодоступных местах - прикорневой зоне или закрытых органами растения (листьями) участках, что является его недостатком.

Технической задачей и результатом предлагаемого технического решения является создание в мобильном форм-факторе устройства с универсальной (встраиваемой) системой получения, обработки и визуализации данных о состоянии растения, имеющего собственный пользовательский интерфейс и вычислительные ресурсы для использования в качестве встраиваемой системы.

Технический результат достигается тем, что устройство мониторинга живой растительности и визуализации характеристик активности фотосинтеза включает приспособление (устройство) для съемки с оптическими фильтром, процессор, содержащий разъемы для подключения источника питания и внешнего компьютера, память, выполненную в виде оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), средство хранения данных в виде флеш-карты памяти, низкоуровневые интерфейсы, представляющие собой стандартные средства для подключения и работы с устройством (USB), средства сетевого взаимодействия, обеспечивающие сетевой прием и передачу данных (WiFi модуль), а также общую шину соединения компонентов устройства и передачи данных, при этом устройство выполнено в мобильном форм-факторе с возможностью установки в непосредственной близости от растения, в качестве процессора использован одноплатный микрокомпьютер, выполняющий функцию контроллера приспособления (устройства) для съемки с оптическим фильтром, пропускающим только красный и ближний инфракрасный спектры, при этом одноплатный микрокомпьютер установлен в разъемном корпусе, содержит встроенное программное обеспечение (ПО), обеспечивающее возможность получения, обработки и визуализации данных о состоянии объекта-растения, обеспечивающее собственный пользовательский графический веб-интерфейс, при этом разъемный корпус выполнен из износостойкого термопластика методом литья под давлением и состоит из крышки и днища, выполненного с перфорацией с возможностью охлаждения одноплатного микрокомпьютера, установленного с зазором над днищем, и содержащего отверстия для низкоуровневых интерфейсов, причем крышка выполнена со сквозным отверстием, снабженным крепежным узлом стандарта C/CS под установку приспособления (устройства) для съемки с оптическим фильтром.

Днище корпуса выполнено с защелками с возможностью фиксации днища относительно крышки.

Днище корпуса выполнено с отверстием для установки карты памяти в одноплатный микрокомпьютер.

Днище корпуса выполнено с отверстием для подключения внешнего монитора к одноплатному микрокомпьютеру.

Днище корпуса выполнено с отверстием для подключения одноплатного микрокомпьютера к внешнему компьютеру с возможностью доступа к командной строке устройства.

Днище корпуса выполнено с отверстием для подключения источника питания.

Предлагаемое устройство позволяет получить цифровое изображение живой растительности с визуализацией характеристик активности фотосинтеза путем вычисления индексов отражающих характеристик исследуемого материала живой растительности в наборе спектров электромагнитного излучения, а также позволяет получить данные о здоровье растений в реальном времени для быстрого принятия решений об улучшении среды выращивания.

Благодаря своей компактности предлагаемое устройство может быть установлено с любой стороны растения или может быть встроено в систему, например, систему полива.

Устройство мониторинга живой растительности и визуализации характеристик активности фотосинтеза иллюстрировано чертежами, где: на фиг.1 изображено устройство, общий вид в изометрии со снятой крышкой корпуса; на фиг.2 - то же устройство в сборе со снятым объективом; на фиг.3 - продольное сечение устройства; на фиг.4 изображена схема работы устройства.

Устройство мониторинга живой растительности и визуализации характеристик активности фотосинтеза включает установленные в корпусе 1 - приспособление (устройство) для съемки 2 с оптическим фильтром 3, пропускающим только красный и ближний инфракрасный спектры, крепежным узлом стандарта C/CS 4 и процессор 5.

Оптический фильтр 3 установлен внутрь съемного объектива, между CMOS-сенсором и линзами объектива и пропускает в CMOS-сенсор только необходимые диапазоны спектра, а именно красный и ближний инфракрасный, лимитирует (ограничивает) помехи факторов окружающей среды, и снижает затраты вычислительных ресурсов на пост-обработку изображения (съемный объектив на чертеже не показан).

Оптический фильтр 3 лимитирует чувствительность CMOS-сенсора на частотах 700 - 1000 нм, а также лимитирует помехи факторов, создаваемых окружающей средой, например, синий цвет горшка растения, и тем самым снижает затраты вычислительных ресурсов на пост-обработку изображения.

В качестве процессора 5 использован одноплатный микрокомпьютер (далее по тексту микрокомпьютер), имеющий оперативную память - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), содержащий встроенное программное обеспечение (ПО) и низкоуровневые интерфейсы ввода/вывода.

Программное обеспечение (ПО) обеспечивает захват и обработку изображения, вычисления индексов состояния растений NDVI, GNDVI, CVI, RVI, IPVI и отправки данных на внешний компьютер (внешний компьютер на чертеже не показан), а также собственный графический пользовательский веб интерфейс и вычислительные ресурсы для использования.

При этом микрокомпьютер 5 выполняет одновременно функцию контроллера приспособления (устройства) для съемки 2 с оптическим фильтром 3 и автоматизируемых подключаемых устройств, вычислительного блока для алгоритма пост-обработки изображения, вычисления и визуализации индексов здоровья растительности.

Микрокомпьютер 5 установлен посредством стоек 6 над днищем корпуса 1 с зазором, при этом днище выполнено с перфорацией 7 с возможностью охлаждения микрокомпьютера 5 (днище на чертеже не показано).

Общая шина 8 серийного интерфейса соединяет приспособление (устройство) для съемки 2 с оптическим фильтром 3 и микрокомпьютер 5.

В днище корпуса 1 выполнены отверстия под разъемы, выполненные на микрокомпьютере 5: отверстие 9 для средства хранения данных - карты памяти с операционной системой; отверстие 10 для подключения внешнего монитора для вывода информации с устройства; отверстие 11 для подключения к внешнему компьютеру для доступа к командной строке устройства; отверстие 12 для подключения источника питания.

Корпус 1 выполнен со съемной крышкой 13 из износостойкого термопластика методом литья под давлением. Днище корпуса 1 снабжено защелками 14 для фиксации крышки 13 относительно корпуса 1. Крышка 13 выполнена со сквозным отверстием 15 для установки крепежного узла стандарта C/CS под приспособление (устройство) для съемки 2 с оптическим фильтром 3, удерживаемого относительно крышки 13 посредством кронштейнов 16, закрепленных на внутренней поверхности крышки 13 корпуса 1.

Предлагаемое устройство выполнено в мобильном форм-факторе не больших размеров длиной 90 мм, шириной 40 мм и высотой 40 мм, и имеет возможность его установки в непосредственной близости от растения, с универсальной системой получения, обработки и визуализации данных о состоянии объекта-растения, обеспечивающей собственный пользовательский графический веб интерфейс.

Устройство мониторинга живой растительности и визуализации характеристик активности фотосинтеза используют следующим образом.

Устройство крепят над поверхностью, направляя приспособление (устройство) для съемки 2 с оптическим фильтром 3 на листья растения - и закрепляют от растения таким образом, чтобы растение занимало большую часть кадра.

Далее пользователь с помощью micro USB кабеля подключает устройство к источнику питания питанию 5В, используя отверстие 12 для подключения источника питания (источник питания на чертеже не показан). Затем устройство подключают к сети WiFi, используя средство сетевого взаимодействия (WiFi модуль), обеспечивающее сетевой прием и передачу данных.

Далее пользователь, используя персональный компьютер, либо карманный персональный компьютер переходит в пользовательский графический веб интерфейс устройства.

Пользователю необходимо с помощью ползунков пользовательского графического веб интерфейса, установить яркость и контрастность области анализа изображения - растения, настроить отображаемое в пользовательском графическом веб интерфейсе изображение растения так, чтобы оно наилучшим образом соответствовало действительности.

Далее с помощью ползунка периода отправки данных на сервер разработчика (производителя), можно выбрать (установить) период отправки данных на сервер разработчика (производителя), в диапазоне от 1 мин до 1дня. После завершения настройки можно перейти на сайт разработчика (производителя), авторизоваться, перейти в раздел соответствующий предлагаемому устройству и увидеть данные, которые оно передало. Программа микрокомпьютера 5 обеспечивает захват и обработку изображения, с ОЗУ вычисления индексов состояния растений NDVI, GNDVI, CVI, RVI, IPVI и отправку данных на сервер разработчика предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство предназначено для обработки информации и получения на ее основе индексов показателей здоровья растений.

Нормализованный относительный индекс растительности (NDVI) - контраст характеристик мультиспектральных растровых данных интенсивности отражения в ближнем инфракрасном (NIR) и видимом красном (RED) спектрах электромагнитного излучения:

NDVI=(NIR-RED)/(NIR+RED)

NDVI оценивает концентрацию хлорофилла и его активность в биомассе растения

GNDVI - контраст интенсивностей отражения в ближнем инфракрасном (NIR) и видимом зеленом (GREEN) спектрах:

GNDVI=(NIR-GREEN)/(NIR+GREEN)

GNDVI оценивает потребление воды и количество азота в массе растения.

Пример

Устройство крепят над поверхностью, направляя объектив на листья растения, закрепляют на расстоянии, например 50 см от растения, имеющего радиус, например 10 см так, чтобы растение занимало большую часть кадра.

Далее пользователь с помощью micro USB кабеля подключает устройство к источнику питания 5В, используя отверстие 12 в днище корпуса. Затем устройство подключают к сети WiFi, используя средство сетевого взаимодействия (WiFi модуль), обеспечивающее сетевой прием и передачу данных. Далее пользователь, используя персональный компьютер, либо карманный персональный компьютер переходит в пользовательский графический веб интерфейс устройства.

С помощью ползунков пользовательского графического веб интерфейса, пользователь выбирает яркость, например 50% из диапазона яркости 0-100%, и контрастность 50% из диапазона контрастности 0-100%), настраивает отображаемое в пользовательском графическом веб интерфейсе изображение растения так, чтобы оно наилучшим образом соответствовало действительности.

Далее с помощью ползунка в пользовательском графическом веб интерфейсе периода отправки (в диапазоне от 1 мин до 1 дня) данных на сервер разработчика (производителя), предлагаемого устройства, выбирает период отправки данных, например 1 час.

После завершения настройки пользователь переходит на сайт разработчика (производителя), авторизуется, переходит в раздел соответствующий устройству и видит данные, которые передало устройство. Программа микрокомпьютера 5 обеспечивает захват и обработку изображения из ОЗУ вычисления индексов состояния растений NDVI, GNDVI, CVI, RVI, IPVI и отправку данных на сервер разработчика (производителя), предлагаемого устройства.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Устройство мониторинга живой растительности и визуализации характеристик активности фотосинтеза включает устройство для съемки с оптическими фильтром, процессор, содержащий разъемы для подключения источника питания и внешнего компьютера, память, выполненную в виде оперативного запоминающего устройства, средство хранения данных в виде флеш-карты памяти, низкоуровневые интерфейсы, представляющие собой стандартные средства для подключения и работы с устройством USB, средство сетевого взаимодействия, обеспечивающее сетевой прием и передачу данных – Wi-Fi модуль, а также общую шину соединения компонентов устройства и передачи данных. Устройство выполнено в мобильном форм-факторе с возможностью установки в непосредственной близости от растения. В качестве процессора использован одноплатный микрокомпьютер, выполняющий функцию контроллера устройства для съемки с оптическим фильтром, пропускающим только красный и ближний инфракрасный спектры. Одноплатный микрокомпьютер установлен в разъемном корпусе, содержит встроенное программное обеспечение, обеспечивающее возможность получения, обработки и визуализации данных о состоянии объекта-растения, обеспечивающее собственный пользовательский графический веб-интерфейс. Разъемный корпус выполнен из износостойкого термопластика методом литья под давлением и состоит из крышки и днища. Днище выполнено с перфорацией для охлаждения одноплатного микрокомпьютера, установленного с зазором над днищем, и содержит отверстия для низкоуровневых интерфейсов. Крышка выполнена со сквозным отверстием, снабженным крепежным узлом стандарта C/CS под установку устройства для съемки с оптическим фильтром. Техническим результатом является создание в мобильном форм-факторе устройства с универсальной системой получения, обработки и визуализации данных о состоянии растения, имеющего собственный пользовательский интерфейс и вычислительные ресурсы для использования в качестве встраиваемой системы. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство мониторинга живой растительности и визуализации характеристик активности фотосинтеза, включающее устройство для съемки с оптическими фильтром, процессор, содержащий разъемы для подключения источника питания и внешнего компьютера, память, выполненную в виде оперативного запоминающего устройства, средство хранения данных в виде флеш-карты памяти, низкоуровневые интерфейсы, представляющие собой стандартные средства для подключения и работы с устройством USB, средство сетевого взаимодействия, обеспечивающее сетевой прием и передачу данных – Wi-Fi модуль, а также общую шину соединения компонентов устройства и передачи данных, отличающееся тем, что устройство выполнено в мобильном форм-факторе с возможностью установки в непосредственной близости от растения, в качестве процессора использован одноплатный микрокомпьютер, выполняющий функцию контроллера устройства для съемки с оптическим фильтром, пропускающим только красный и ближний инфракрасный спектры, при этом одноплатный микрокомпьютер установлен в разъемном корпусе, содержит встроенное программное обеспечение, обеспечивающее возможность получения, обработки и визуализации данных о состоянии объекта-растения, обеспечивающее собственный пользовательский графический веб-интерфейс, при этом разъемный корпус выполнен из износостойкого термопластика методом литья под давлением и состоит из крышки и днища, выполненного с перфорацией с возможностью охлаждения одноплатного микрокомпьютера, установленного с зазором над днищем, и содержащего отверстия для низкоуровневых интерфейсов, причем крышка выполнена со сквозным отверстием, снабженным крепежным узлом стандарта C/CS под установку устройства для съемки с оптическим фильтром.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что днище корпуса выполнено с защелками с возможностью фиксации днища относительно крышки.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что днище корпуса выполнено с отверстием для установки карты памяти в одноплатный микрокомпьютер.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что днище корпуса выполнено с отверстием для подключения внешнего монитора к одноплатному микрокомпьютеру.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что днище корпуса выполнено с отверстием для подключения одноплатного микрокомпьютера к внешнему компьютеру с возможностью доступа к командной строке устройства.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что днище корпуса выполнено с отверстием для подключения источника питания.