一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统及方法

技术领域

本发明专利属于土壤检测技术领域。具体涉及一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统及方法。

背景技术

土壤有机质含量是评估土壤肥力的重要指标，是农作物出苗、生长的关键因素。由于不同地区的土壤有机质含量不同，所需要的播种量也不相同。因此在播种时需要原位检测出土壤有机质含量，根据土壤有机质信息实时调节排种器的播种量，从而实现精量播种。

然而，传统的土壤有机质检测方法存在一些局限性。例如，传统的实验室分析需要大量的时间和资源，不适用于实时监测和远程监控。另外，一些现场检测方法对土壤样本的处理和准备过程较为繁琐，容易引入干扰因素，影响测试结果的准确性。

综上所述，开发一种高效、实时、准确的土壤有机质检测系统，以满足现代农业和环境保护的需求，已经成为亟需解决的技术问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统，包括机架27，所述机架27上承载安装有直线运动机构、二级过滤及冷却装置、稀释装置、二氧化碳检测模块、气动模块和控制模块，所述直线运动机构上安装有加热装置，所述加热装置侧边安装有一级过滤装置，所述气动模块包括气泵16和气动气管28，所述气泵16安装在机架27上，所述气动气管28按照顺序串联二级过滤及冷却装置、气泵16、稀释装置以及二氧化碳检测模块。

优选的，所述加热装置包括高温探头1、导气仓2、顶盖3和隔热板4，所述导气仓2与所述顶盖3通过螺栓连接形成导气室腔，所述高温探头1处于导气室腔内部并通过螺母和垫片与顶盖3相连接，所述隔热板4固定在所述顶盖3的侧边。

优选的，所述直线运动机构包括丝杠箱6、梯形丝杠7、丝杠螺母、滑轨、加热装置固定板5、联轴器、无刷电机9和电机支架8，所述梯形丝杠7通过轴承连接在丝杠箱6中，所述梯形丝杠7的顶端部通过联轴器与无刷电机9相连接，所述丝杠螺母放置在梯形丝杠7上，所述加热装置固定板5与丝杠螺母、滑轨通过螺栓固定，所述无刷电机9通过电机支架8固定在丝杠箱6端部。

优选的，所述一级过滤装置包括过滤仓一和过滤仓二，所述过滤仓一与所述过滤仓二通过螺栓固定形成一级过滤室11，所述过滤仓一的端部带有螺纹以与加热装置相连接，所述气动宝塔接头10通过螺纹连接在过滤仓二的端部以方便气动气管28的安装，所述一级过滤室11的内部通过四个固定块固定有用于过滤灰尘的滤网。

优选的，所述二级过滤及冷却装置包括半导体制冷片12，冷却室13和散热风扇及散热片15，所述半导体制冷片12的制冷面安装在冷却室13外部，所述散热片和散热风扇安装在半导体制冷片12散热面，所述冷却室13的两侧分别安装有顶盖一和顶盖二，顶盖一和顶盖二的内部通过卡簧固定有滤网，顶盖一、顶盖二两端安装有方便气动气管28安装的气动宝塔接头10并放置密封垫片，所述冷却室13的两侧使用密封圈防止气体外逸以形成一个密闭的冷却腔室。

优选的，所述稀释装置包括稀释仓17，所述稀释仓17由3D打印一体式成型，所述稀释仓17两侧分别安装有气动宝塔接头10以方便气动气管28的安装，所述气动宝塔接头10与稀释仓17的连接处均放置有密封垫片。

优选的，所述二氧化碳检测模块包括二氧化碳传感器18、电路板20和传感器导气室19，所述二氧化碳传感器18安装在传感器导气室19中，所述传感器导气室19安装在机架27上，所述传感器导气室19两侧分别安装有气动宝塔接头10以方便气动气管28的安装，所述气动宝塔接头10与所述传感器导气室19的连接处均放置密封垫片，所述二氧化碳传感器18通过电路板20进行供电和数据传输。

优选的，所述控制模块包括主控制器21、继电器23、显示器26、电源24、变压器29、电机控制器以及人机交互界面25，所述电源24使用24V电源，所述变压器29用于高温探头1、半导体制冷片12、二氧化碳传感器18降压供电，所述主控制器21为树莓派4B，所述显示器26作为主控制器21的显示终端使用，人机交互界面25在主控制器21上使用Qt Creator5进行设计并使用。

本申请的目的还在于提供一种面向变量播种的土壤有机质原位检测方法，包括以下步骤：

根据研究需要，确定高温探头1的温度并将高温探头1安装在直线运动机构上的加热装置固定板5上；

到达检测区域后，启动主控制器21，待高温探头1和二氧化碳传感器18预热完毕后，将气泵16和半导体制冷片12打开，通过直线运动机构控制高温探头1插入到土壤中，使导气仓2贴近土壤表面，高温土壤中的少量有机质氧化成二氧化碳；

在气泵16的作用下，二氧化碳气体依次通过导气仓2、一级过滤装置、二级过滤及冷却装置、气泵16、稀释装置传输到二氧化碳传感器18内部，从而获取不断变化的二氧化碳浓度值；

二氧化碳传感器18获取的二氧化碳浓度值由串口通讯传输到主控制器21，主控制器21通过相应算法进行计算，最后土壤有机质检测结果显示在人机交互界面25上，并实时保存在EXCEL表格中方便后续使用。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

本申请通过高温激发土壤有机质生成CO2的原位快速检测原理，设置了多级过滤除尘和气体稀释系统，采用自动控制与数据处理模块，实现了对土壤有机质的精准、实时监测，系统便携紧凑，简易操作，检测过程无污染，不仅可满足现代农业对土壤精细化管理的需求，实现精准施肥(该装置目前仅用于变量或者精量播种，不用于施肥，需将精准施肥改为精量播种或者变量播种)，也具有推广应用的经济价值，是一项集环保、效率、准确性于一体的先进检测技术，可为相关领域提供强有力的技术支撑。

附图说明

图1为本发明公开的一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统的前端示意图；

图2为本发明公开的一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统的后端示意图；

图3为本发明公开的一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统中加热装置的结构示意图；

图4为本发明公开的一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统中气路的结构示意图；

图5为本发明公开的一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统的原理流程图；

图6为本发明公开的一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统的控制原理图。

图中附图标记为：

1－高温探头；2－导气仓；3－顶盖；4－隔热板；5－加热装置固定板；6－丝杠箱；7－梯形丝杠；8－电机支架；9-无刷电机；10-气动宝塔接头；11－一级过滤室；12-半导体制冷片；13－冷却室；14－二级过滤顶盖；15－散热风扇及散热片；16－气泵；17－稀释仓；18－二氧化碳传感器；19－传感器导气室；20－电路板；21－主控制器；22-CAN HAT；23－继电器；24－电源；25-人机交互界面；26－显示器；27－机架；28-气动气管；29－变压器；30－土壤。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个宽泛实施例中，一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统，包括机架27，所述机架27上承载安装有直线运动机构、二级过滤及冷却装置、稀释装置、二氧化碳检测模块、气动模块和控制模块，所述直线运动机构上安装有加热装置，所述加热装置侧边安装有一级过滤装置，所述气动模块包括气泵16和气动气管28，所述气泵16安装在机架27上，所述气动气管28按照顺序串联二级过滤及冷却装置、气泵16、稀释装置以及二氧化碳检测模块。

优选的，所述加热装置包括高温探头1、导气仓2、顶盖3和隔热板4，所述导气仓2与所述顶盖3通过螺栓连接形成导气室腔，所述高温探头1处于导气室腔内部并通过螺母和垫片与顶盖3相连接，所述隔热板4固定在所述顶盖3的侧边。

优选的，所述直线运动机构包括丝杠箱6、梯形丝杠7、丝杠螺母、滑轨、加热装置固定板5、联轴器、无刷电机9和电机支架8，所述梯形丝杠7通过轴承连接在丝杠箱6中，所述梯形丝杠7的顶端部通过联轴器与无刷电机9相连接，所述丝杠螺母放置在梯形丝杠7上，所述加热装置固定板5与丝杠螺母、滑轨通过螺栓固定，所述无刷电机9通过电机支架8固定在丝杠箱6端部。

优选的，所述一级过滤装置包括过滤仓一和过滤仓二，所述过滤仓一与所述过滤仓二通过螺栓固定形成一级过滤室11，所述过滤仓一的端部带有螺纹以与加热装置相连接，所述气动宝塔接头10通过螺纹连接在过滤仓二的端部以方便气动气管28的安装，所述一级过滤室11的内部通过四个固定块固定有用于过滤灰尘的滤网。

优选的，所述二级过滤及冷却装置包括半导体制冷片12，冷却室13和散热风扇及散热片15，所述半导体制冷片12的制冷面安装在冷却室13外部，所述散热片和散热风扇安装在半导体制冷片12散热面，所述冷却室13的两侧分别安装有顶盖一和顶盖二，顶盖一和顶盖二的内部通过卡簧固定有滤网，顶盖一、顶盖二两端安装有方便气动气管28安装的气动宝塔接头10并放置密封垫片，所述冷却室13的两侧使用密封圈防止气体外逸以形成一个密闭的冷却腔室。

优选的，所述稀释装置包括稀释仓17，所述稀释仓17由3D打印一体式成型，所述稀释仓17两侧分别安装有气动宝塔接头10以方便气动气管28的安装，所述气动宝塔接头10与稀释仓17的连接处均放置有密封垫片。

优选的，所述二氧化碳检测模块包括二氧化碳传感器18、电路板20和传感器导气室19，所述二氧化碳传感器18安装在传感器导气室19中，所述传感器导气室19安装在机架27上，所述传感器导气室19两侧分别安装有气动宝塔接头10以方便气动气管28的安装，所述气动宝塔接头10与所述传感器导气室19的连接处均放置密封垫片，所述二氧化碳传感器18通过电路板20进行供电和数据传输。

优选的，所述控制模块包括主控制器21、继电器23、显示器26、电源24、变压器29、电机控制器以及人机交互界面25，所述电源24使用24V电源，所述变压器29用于高温探头1、半导体制冷片12、二氧化碳传感器18降压供电，所述主控制器21为树莓派4B，所述显示器26作为主控制器21的显示终端使用，人机交互界面25在主控制器21上使用Qt Creator5进行设计并使用。

本申请的目的还在于提供一种面向变量播种的土壤有机质原位检测方法，包括以下步骤：

根据研究需要，确定高温探头1的温度并将高温探头1安装在直线运动机构上的加热装置固定板5上；

到达检测区域后，启动主控制器21，待高温探头1和二氧化碳传感器18预热完毕后，将气泵16和半导体制冷片12打开，通过直线运动机构控制高温探头1插入到土壤中，使导气仓2贴近土壤表面，高温土壤中的少量有机质氧化成二氧化碳；

在气泵16的作用下，二氧化碳气体依次通过导气仓2、一级过滤装置、二级过滤及冷却装置、气泵16、稀释装置传输到二氧化碳检测模块，从而通过二氧化碳传感器18获取不断变化的二氧化碳浓度值；

二氧化碳传感器18获取的二氧化碳浓度值由串口通讯传输到主控制器21，主控制器21通过相应算法进行计算，最后土壤有机质检测结果显示在人机交互界面25上，并实时保存在EXCEL表格中方便后续使用。

下面结合附图，列举本发明的优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。

如图1-6所示，一种基于高温激发原理的土壤有机质原位检测系统和方法，通过高温探头1加热氧化土壤，使其中的有机质氧化成二氧化碳，通过气泵16使生成的二氧化碳通过过滤装置、冷却装置、稀释装置进行冷却、过滤、稀释，最后通过二氧化碳传感器18进行实时的二氧化碳气体浓度检测，然后主控制器21经过计算得出土壤有机质含量，实现原位检测土壤有机质。

基于高温激发原理的土壤有机质原位检测系统，包括机架27，所述机架27上承载安装有直线运动机构、一级过滤装置、二级过滤及冷却装置、稀释装置、二氧化碳检测模块、气动模块和控制模块，所述直线运动机构上安装有加热装置，所述气动模块包括气泵16和气动气管28，所述气泵16安装在机架27上，所述气动气管28按照顺序串联一级过滤装置、二级过滤及冷却装置、气泵16、稀释装置以及二氧化碳检测模块。

所述加热装置包括高温探头1、导气仓2、顶盖3和隔热板4，所述导气仓2与所述顶盖3通过螺栓连接形成导气室腔，所述高温探头1处于导气室腔内部并通过螺母和垫片与顶盖3相连接，所述隔热板4固定在所述顶盖3的侧边。

所述直线运动机构包括丝杠箱6、梯形丝杠7、丝杠螺母、滑轨、加热装置固定板5、联轴器、无刷电机9和电机支架8，所述梯形丝杠7通过轴承连接在丝杠箱6中，所述梯形丝杠7的顶端部通过联轴器与无刷电机9相连接，所述丝杠螺母放置在梯形丝杠7上，所述加热装置固定板5与丝杠螺母、滑轨通过螺栓固定，所述无刷电机9通过电机支架8固定在丝杠箱6端部。

所述一级过滤装置包括过滤仓一和过滤仓二，所述过滤仓一与所述过滤仓二通过螺栓固定形成一级过滤室11，所述过滤仓一的端部带有螺纹以与加热装置相连接，所述气动宝塔接头10通过螺纹连接在过滤仓二的端部以方便气动气管28的安装，所述一级过滤室11的内部通过四个固定块固定有用于过滤灰尘的滤网。

所述二级过滤及冷却装置包括半导体制冷片12，冷却室13和散热风扇及散热片15，所述半导体制冷片12的制冷面安装在冷却室13外部，所述散热片和散热风扇安装在半导体制冷片12散热面，所述冷却室13的两侧分别安装有顶盖一和顶盖二，顶盖一和顶盖二的内部通过卡簧固定有滤网，顶盖一、顶盖二两端安装有方便气动气管28安装的气动宝塔接头10并放置密封垫片，所述冷却室13的两侧使用密封圈防止气体外逸以形成一个密闭的冷却腔室。

所述稀释装置包括稀释仓17，所述稀释仓17由3D打印一体式成型，所述稀释仓17两侧分别安装有气动宝塔接头10以方便气动气管28的安装，所述气动宝塔接头10与稀释仓17的连接处均放置有密封垫片。

所述二氧化碳检测模块包括二氧化碳传感器18、电路板20和传感器导气室19，所述二氧化碳传感器18安装在传感器导气室19中，所述传感器导气室19安装在机架27上，所述传感器导气室19两侧分别安装有气动宝塔接头10以方便气动气管28的安装，所述气动宝塔接头10与所述传感器导气室19的连接处均放置密封垫片，所述二氧化碳传感器18通过电路板20进行供电和数据传输。

所述控制模块包括主控制器21、继电器23、显示器26、电源24、变压器29、电机控制器以及人机交互界面25，所述电源24使用24V电源，所述变压器29用于高温探头1、半导体制冷片12、二氧化碳传感器18降压供电，所述主控制器21为树莓派4B，所述显示器26作为主控制器21的显示终端使用，人机交互界面25在主控制器21上使用Qt Creator5进行设计并使用。

系统结构功能如下：

直线运动机构安装在机架27上，加热装置安装在直线运动机构上，加热装置的隔热板4与直线运动机构的加热装置固定板5通过螺栓相连接，隔热板4的作用是防止热量传输到直线运动机构中，以免损坏直线运动机构上的零部件；控制模块通过PID调控使加热装置运动到指定位置，高温探头1预热到指定温度后插入土中，随后生成的待测气体由气泵16吸入到导气室腔，然后顺着气路进入侧端的一级过滤装置中。

一级过滤装置通过螺纹连接固定在加热装置的侧端，以实现对待测气体的初次过滤，防止灰尘影响二氧化碳传感器18的检测精度。

二级过滤及冷却装置放置在机架27上，用于对待测气体中的灰尘进行二次过滤，并冷却手段降低高温气体的温度，以满足二氧化碳传感器18对待测气体温度的要求。

稀释装置用于稀释待测气体中的二氧化碳浓度，当土壤有机质含量大于40g﹒kg-1时，生成的二氧化碳浓度会超过二氧化碳传感器18的检测量程，所以需要稀释装置对气体进行稀释。同时，二级过滤及冷却装置产生的冷凝水会与过滤掉的灰尘混合生成泥水，稀释装置也可以防止泥水进入传感器检测模块。

二氧化碳传感器18通过电路板20进行供电和数据传输，二氧化碳传感器18输出的数字信号通过电路板20传输到主控制器21中，同时，电源24也会通过电路板20给二氧化碳传感器18进行降压供电。电路板20通过串口通讯与主控制器21进行数据传输。

气动模块中，为了最大化的利用气泵16的吸力，同时减少灰尘的吸入，气路中装置的安放顺序为：加热装置、一级过滤装置、二级过滤及冷却装置、稀释装置、传感器检测模块、气泵16。

控制模块中，以树莓派4(树莓派4B)作为主控制器21，使用微雪的RS485 CANHAT22将树莓派4的SPI通讯转为CAN通讯，作为继电器23和无刷电机9的CAN通讯使用，使用USB转TTL模块将树莓派4的USB接口转为串口通讯接口，作为二氧化碳传感器18的串口通讯使用。无刷电机9和继电器23均基于CAN通讯控制，无刷电机9使用位置环PID进行定位控制，使其能够稳定达到预期位置，继电器23用于控制高温探头1、半导体制冷片12与气泵16的通断。在树莓派4中使用C++语言在Qt Creator5软件进行设计人机交互界面25，可以用于控制高温探头1、半导体制冷片12、气泵16的通断，也可以控制加热装置到达工作的指定位置，同时可以实时获取二氧化碳传感器18的浓度数据，并经过算法处理，在屏幕上输出土壤有机质数据并实时储存在EXCEL表格中。

检测方法原理如下：

为了检测不同质地的土壤有机质，使用高温激发原理来检测土壤有机质。高温激发原理指的是使用高温物体插入到土壤30中，使土壤30中的有机碳发生分解，产生大量的二氧化碳，通过检测二氧化碳的浓度来预测有机碳的含量。土壤30中的有机碳含量越多，生成的二氧化碳浓度越多。同时，有机碳与有机质含量成线性正相关，有机碳含量乘vanbemmelen因子便是有机质含量。为了防止土壤30中的无机碳干扰检测精度，需要将高温探头1的温度控制在650摄氏度以下。

系统工作流程如下：

在检测土壤有机质含量时，首先将安装在直线运动机构上的高温探头1通电，使其温度上升至500℃，同时对二氧化碳传感器18进行预热；高温探头1和二氧化碳传感器18预热完毕后，直线运动机构将温度达到500℃的高温探头1插入到土壤30中，高温将土壤有机质氧化成二氧化碳，此时，导气室腔紧贴土壤30表面，防止气体外溢；气泵16将生成的二氧化碳气体依次通过导气仓2、一级过滤装置、二级过滤及冷却装置、气泵16、稀释装置传输到二氧化碳传感器18内部，从而获取不断变化的二氧化碳浓度值；二氧化碳传感器18获取的二氧化碳浓度值由串口通讯传输到控制模块并进行相应的数据计算，最后土壤有机质检测结果显示在显示器26上。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。