一种车载式模块化土壤全氮含量检测装置

1.本发明涉及农业技术领域，尤其涉及一种车载式模块化土壤全氮含量检测装置。


背景技术：

2.变量施肥和智慧农田管理都是以高精度的农田土壤参数信息为基础。作为一种快速、无损、无污染以及可在线分析的技术，近红外光谱一直是土壤参数检测领域的热点。
3.现有技术中，基于近红外光谱的土壤全氮检测装置，在检测时仅能够与拖拉机连接，无法实现在检测全氮含量的同时，对待检测土壤进行旋松操作，适应性差。在待检测土壤同时具有旋松需求时，对待检测土壤的全氮含量的检测工序和对土壤的旋松工序需分开进行，浪费时间，影响效率。
4.因此，如何解决现有技术中的基于近红外光谱的土壤全氮检测装置无法在检测全氮含量的同时对待检测土壤进行旋松操作的问题，成为本领域技术人员所要解决的重要技术问题。


技术实现要素：

5.本发明提供一种车载式模块化土壤全氮含量检测装置，用以解决现有技术中的基于近红外光谱的土壤全氮检测装置无法在检测全氮含量的同时对待检测土壤进行旋松操作的缺陷。
6.本发明提供一种车载式模块化土壤全氮含量检测装置，包括：
7.检测系统，包括光谱采集装置、图像采集装置和控制装置，所述光谱采集装置用于获取待检测土壤表面漫反射的土壤光谱信息，所述图像采集装置用于获取所述待检测土壤的土壤表面图像，所述光谱采集装置和所述图像采集装置均与所述控制装置电连接，所述控制装置设置为基于所述土壤光谱信息和所述土壤表面图像获取所述待检测土壤的全氮含量；
8.安装箱，所述光谱采集装置和所述图像采集装置设置在所述安装箱内，所述安装箱上设置有连接机构和开沟器，所述连接机构用于与动力机械和/或旋松机械连接，所述开沟器用于对所述待检测土壤进行开沟操作。
9.根据本发明提供的一种车载式模块化土壤全氮含量检测装置，所述连接机构包括：
10.第一连接部，设置在所述安装箱的上端；
11.第二连接部，包括横拉杆和设置在所述横拉杆两端的第一连接臂，所述第一连接部与所述横拉杆的中部可拆卸连接，所述第一连接臂的两端均设置有第一连接孔。
12.根据本发明提供的一种车载式模块化土壤全氮含量检测装置，所述连接机构还包括：
13.第三连接部，位于所述第二连接部的上方，所述第三连接部的一端与所述第一连接部可拆卸连接，另一端设置有第二连接孔，所述第一连接孔和所述第二连接孔呈三角形
分布。
14.根据本发明提供的一种车载式模块化土壤全氮含量检测装置，所述连接机构包括：
15.第一连接部，设置在所述安装箱的上端；
16.第四连接部，设置在所述第一连接部的上方，所述第四连接部的第一端与所述第一连接部可拆卸连接，第二端设置有第三连接孔。
17.根据本发明提供的一种车载式模块化土壤全氮含量检测装置，所述开沟器设置在所述安装箱的下端，且所述开沟器呈向下倾斜的尖角状。
18.根据本发明提供的一种车载式模块化土壤全氮含量检测装置，所述光谱采集装置包括：
19.卤钨光源，用于产生连续波段光线并照射到所述待检测土壤上；
20.滤光片，用于过滤所述待检测土壤表面漫反射的光线，得到对应特征波长的光信号；
21.光电探测器，用于将所述光信号转化为电流信号；
22.信号转换组件，与所述光电探测器和所述控制装置电连接，用于将所述电流信号转化为包含土壤光谱信息的数字信号，并将所述数字信号传输至所述控制装置。
23.根据本发明提供的一种车载式模块化土壤全氮含量检测装置，所述安装箱的下端敞口设置，且所述安装箱能够与所述待检测土壤形成暗室，所述安装箱内设置有用于安装所述光谱采集装置和所述图像采集装置的安装位。
24.根据本发明提供的一种车载式模块化土壤全氮含量检测装置，所述安装箱内部设置有安装座板，所述卤钨光源设置在所述安装座板的上方，所述安装座板上设置有供所述卤钨光源发出的光线通过的通孔；
25.所述安装座板上设置有多个第一安装孔，所述滤光片和所述光电探测器嵌置在所述第一安装孔内，且所述滤光片位于所述光电探测器的下方。
26.根据本发明提供的一种车载式模块化土壤全氮含量检测装置，所述安装座板的下端面设置有容纳槽和蓝宝石玻璃，所述蓝宝石玻璃嵌置在所述容纳槽的开口端，所述第一安装孔位于所述容纳槽的底壁上。
27.根据本发明提供的一种车载式模块化土壤全氮含量检测装置，所述图像采集装置包括扫描仪或摄像头，所述安装座板上设置有用于安装所述扫描仪或所述摄像头的第二安装孔。
28.本发明提供的车载式模块化土壤全氮含量检测装置中，光谱采集装置和图像采集装置设置在安装箱内，分别用于获取待检测土壤表面漫反射的土壤光谱信息和土壤表面图像，控制装置根据土壤光谱信息和土壤表面图像可以获取待检测土壤的全氮含量。通过连接机构可以将安装箱固定在动力机械上，仅用于单独检测土壤的全氮含量，检测时，利用安装箱下端的开沟器对待检测土壤进行开沟操作即可。也可以将安装箱固定在旋松机械上，或者将安装箱同时固定在动力机械和旋松机械上，在检测土壤的全氮含量的同时可以对土壤进行旋松操作，适应性强，节约时间，有利于提高效率。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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。
30.图1是本发明提供的车载式模块化土壤全氮含量检测装置的结构示意图一；
31.图2是本发明提供的车载式模块化土壤全氮含量检测装置的结构示意图二；
32.图3是本发明提供的车载式模块化土壤全氮含量检测装置的结构示意图三；
33.图4是本发明提供的安装座板的结构示意图；
34.图5是本发明提供的安装箱的剖视图。
35.附图标记：
36.1：第二安装孔；2：安装箱；3：开沟器；4：第一连接部；5：横拉杆；6：第一连接臂；7：第一连接孔；8：第二连接孔；9：第四连接部；10：第三连接孔；11：通孔；12：安装座板；13：第一安装孔；14：容纳槽；15：第二连接臂；16：第三连接臂；17：安装板；18：卤钨光源。
具体实施方式
37.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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作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。
38.下面结合图1至图5描述本发明的车载式模块化土壤全氮含量检测装置。
39.如图1至图5所示，本发明实施例提供的车载式模块化土壤全氮含量检测装置包括检测系统和安装箱2。
40.上述检测系统包括光谱采集装置、图像采集装置和控制装置，光谱采集装置和图像采集装置均与控制装置电连接。具体来说，光谱采集装置用于获取待检测土壤表面漫反射的土壤光谱信息，图像采集装置用于获取待检测土壤的土壤表面图像，控制装置设置为基于土壤光谱信息和土壤表面图像获取待检测土壤的全氮含量。
41.上述光谱采集装置和图像采集装置设置在安装箱2内，在安装箱2上设置有连接机构和开沟器3，连接机构用于供安装箱2连接在动力机械上，或供安装箱2连接在旋松机械上，或者供安装箱2连接在动力机械和旋松机械上。开沟器3能够对土壤进行开沟操作。
42.如此设置，通过连接机构可以将安装箱2连接在旋松机械上或将安装箱2同时连接在动力机械和旋松机械上，在检测土壤全氮含量的同时，利用旋松机械对土壤进行旋松操作，节约时间，有利于提高效率。此外，通过连接机构也可以只将安装箱2连接在动力机械上，动力机械仅用于驱使安装箱2移动，此时需利用安装箱下端的开沟器对待检测土壤进行开沟操作。如此设置，本发明实施例中的车载式模块化土壤全氮含量检测装置具有较强的适应性，可以根据具体需求选择安装，解决了现有技术中的基于近红外光谱的土壤全氮检测装置无法在检测全氮含量的同时对待检测土壤进行旋松操作的问题。
43.本发明实施例中，将上述开沟器3设置在安装箱2的下端，并且开沟器3呈向下倾斜的尖角状，形成深松犁的结构形式。在检测时，使安装箱2的下端抵在待检测土壤上，并使开
沟器3伸入待检测土壤的内部。动力机械仅需驱使安装箱2向前移动，在安装箱2向前移动过程中，开沟器3与待检测土壤的相互作用进行开沟作业。
44.本发明实施例中，上述连接机构包括第一连接部4和第二连接部，具体来说，第一连接部4设置在安装箱2的上端，用于与第二连接部连接。
45.参照图1，第二连接部包括第一连接臂6和横拉杆5，横拉杆5与第一连接部4可拆卸连接，第一连接臂6设置有两个，两个第一连接臂6分别设置在横拉杆5的两端。第一连接臂6的两端均设置有第一连接孔7。
46.上述动力机械可以选用拖拉机，上述旋松机械可以为旋耕机或铧式犁。在对土壤的全氮含量进行检测的同时，具有对土壤的旋耕作业需求时，可以将安装箱2设置在拖拉机与旋耕机之间，且安装箱2位于旋耕机的前方。在对土壤进行全氮含量检测时，先利用本发明实施例中的车载式模块化土壤全氮含量检测装置检测土壤的全氮含量，然后再对土壤进行旋耕操作。
47.具体地，可以利用螺栓等紧固件将两个第一连接臂6的一端的第一连接孔7与拖拉机三点悬挂系统的两个下悬挂孔连接，利用螺栓等紧固件将两个第一连接臂6的另一端的第一连接孔7与旋耕机三点悬挂系统的两个下悬挂孔连接。横拉杆5悬挂固定在两个第一连接臂6之间，作为承重结构，为安装箱2提供安装位。
48.需要说明的是，为保证旋耕机正常作业，还需要利用螺栓等紧固件将旋耕机三点悬挂系统的上悬挂孔与拖拉机三点悬挂系统的上悬挂孔连接。如此设置，既实现了对安装箱2的固定安装，又保证了对旋耕机的三点悬挂安装。
49.进一步实施例中，上述连接机构还包括第三连接部，第三连接部位于第二连接部的上方。第三连接部的一端与第一连接部4可拆卸连接，另一端设置有第二连接孔8，第二连接孔8与两个第一连接臂6的第一连接孔7呈三角形分布。
50.参照图2，上述第三连接部分段设置，包括第二连接臂15和第三连接臂16，第二连接臂15的第一端与第一连接部4可拆卸连接，第二端与第三连接臂16的第一端铰接，第二连接孔8设置在第三连接臂16的第二端。
51.第三连接臂16的第一端与第二连接臂15的第二端铰接，铰接轴沿水平方向设置，可以调节第三连接臂16的倾斜角度，可以适用于不同型号的拖拉机，有利于提高本发明实施例中的车载式模块化土壤全氮含量检测装置的适应性。
52.若在对土壤的全氮含量进行检测，没有对土壤的旋松作业需求，则可以直接选用拖拉机作为上述动力机械，将本发明实施例中的车载式模块化土壤全氮含量检测装置直接连接在拖拉机的后面即可。
53.具体地，可以利用螺栓等紧固件将两个第一连接臂6的一端的第一连接孔7与拖拉机三点悬挂系统的两个下悬挂孔连接，同时利用螺栓等紧固件将第三连接部的第二连接孔8与拖拉机三点悬挂系统的上悬挂孔连接，从而实现对安装箱2的固定安装，并保证安装箱2的稳定性。
54.在第一连接臂6的中部也设置有连接孔，用于实现第一连接臂6与横拉杆5之间的连接。横拉杆5可以与第一连接臂6端部的第一连接孔7连接，也可以与第一连接臂6中部的连接孔连接，具体可以根据拖拉机后部结构以及拖拉机与安装箱2之间的距离需求确定。
55.如果在对土壤的全氮含量进行检测的同时，具有对土壤的旋松作业需求，且对土
壤的旋松操作需由铧式犁完成时，可以将安装箱2固定在铧式犁的机架上。
56.相应地，在本发明实施例中，上述连接机构包括第一连接部4和第四连接部9，第一连接部4设置在安装箱2的上端，用于与第四连接部9连接。第四连接部9设置在第一连接部4的上方，第四连接部9的第一端与第一连接部4可拆卸连接，第二端设置有第三连接孔10。
57.具体地，参照图3，第四连接部9的第二端设置有安装板17，第三连接孔10设置在安装板17上。第三连接孔10设置有至少两对，每对第三连接孔10之间具有间距，可以利用u型螺栓将第四连接部9的安装板17与铧式犁的机架固定连接。
58.上述u型螺栓的型号根据铧式犁机架的尺寸确定。上述第三连接孔10可以设置为十字孔，可以与不同型号的u型螺栓连接，从而实现与不同的铧式犁的连接，有利于提高本发明实施例中的车载式模块化土壤全氮含量检测装置的适应性。
59.上述第四连接部9与第一连接部4之间的连接和第三连接部与第一连接部4之间的连接，均可以通过螺栓实现。具体来说，第一连接部4呈柱状结构，第四连接部9和第三连接部的第二连接臂15均设置成能够套设于第一连接部4外部的筒状结构。在第一连接部4、第四连接部9和第三连接部的第二连接臂15的侧壁上设置有铰接孔，利用螺栓等紧固件穿过铰接孔并与螺母旋紧固定即可。
60.上述铰接孔在第一连接部4、第四连接部9和第三连接部的第二连接臂15的侧壁上均设置有多个，多个铰接孔沿第一连接部4、第四连接部9和第三连接部的第二连接臂15的轴向分布，且相邻铰接孔之间的间距相同。
61.需要说明的是，本发明实施例中的车载式模块化土壤全氮含量检测装置，可以仅具有第一连接部4和第二连接部，也可以仅具有第一连接部4、第二连接部和第三连接部，或仅具有第一连接部与第四连接部9；还可以同时具有第一连接部4、第二连接部、第三连接部和第四连接部9，第一连接部4、第二连接部、第三连接部和第四连接部9作为车载式模块化土壤全氮含量检测装置的配件，可以在检测时根据实际需求选择性安装，适应性强。
62.本发明实施例中，上述光谱采集装置包括卤钨光源18、滤光片、光电探测器和信号转换组件，具体来说，卤钨光源18用于产生连续波段光线并照射到待检测土壤上，滤光片用于过滤待检测土壤表面漫反射的光线，得到对应特征波长的光信号，光电探测器用于将光信号转化为电流信号。信号转换组件与光电探测器和控制装置电连接，用于将电流信号转化为包含土壤光谱信息的数字信号，并将数字信号传输至控制装置。
63.上述卤钨光源18选用hl-2000卤钨光源，土壤全氮含量的敏感波段在900-2500nm左右的区间中，hl-2000卤钨光源能够提供稳定的300-2500nm的连续光线，能提供足够土壤表面漫反射的光强。并且hl-2000卤钨光源具有体积小、耗能低、自带散热功能和工作稳定的优点，使得本发明实施例中的车载式模块化土壤全氮含量检测装置也具有体积小、能耗低和工作稳定的优点。
64.上述光电探测器可以选用ingaas光电探测器，ingaas光电探测器具有快速的响应时间和较高的灵敏度，暗电流也较小的优点，有利于提高本发明实施例中的车载式模块化土壤全氮含量检测装置的检测精度。
65.为避免非目标波段的漫反射光透过滤光片，可以选用窄通镀膜滤光片，但为了降低成本，也可以选用滤光片胶合技术，以较低成本满足滤光片滤波性能需求。
66.上述滤光片与光电探测器对应设置，光电探测器和滤光片的数量都为所选取出的
与土壤全氮含量相关的特征波长的数量，例如，所选取出的与土壤全氮含量相关的特征波长为945、1045、1200、1300、1450、1535、1600nm7个特征波长，则滤光片设置为这7个特征波长对应的滤光片，对应地，设置7个光电探测器分别接收各个滤光片对应的光信号。
67.上述信号转换组件包括电流电压放大器和模拟数字转换器，电流电压放大器与光电探测器电连接，电流电压放大器将光电探测器输出的电流信号进行转化和放大，得到模拟光谱信息。模拟数字转换器与电流电压放大器和控制装置电连接，用于将模拟光谱信息转化为包括土壤光谱信息的数字信号，并将数字信号传输至控制装置。
68.在检测过程中，卤钨光源18产生的连续波段光线照射到待检测土壤上，并产生漫反射。待检测土壤表面漫反射的光线经过各特征波长对应的滤光片过滤后，得到各特征波长对应的光信号。然后，各光信号分别经过各个光电探测器转化为电流信号。各个光电探测器将电流信号传送到电流电压放大器，通过电流电压放大器将采集到的电流信号进行转化和放大，得到模拟光谱信息。随后，模拟光谱信息经过模拟数字转换器后转化为包含土壤光谱信息的数字信号，包含土壤光谱信息的数字信号经过电流电压放大器传输至控制装置。
69.上述图像采集装置可以为扫描仪，也可以为摄像头，或其他可以采集图像的设备。图像采集装置将采集到的图像信息发送至控制装置。控制装置获取包含土壤光谱信息的数字信号和土壤表面图像信息后，从土壤表面图像中提取出与土壤全氮含量相关的图像特征，并通过将土壤光谱信息与图像特征进行数据融合来预测待检测土壤的全氮含量，在一定程度上弥补了近红外光谱分析仅能获得物体光谱信息的缺陷，提高了对于土壤全氮含量的预测精度。
70.需要说明的是，上述控制装置基于土壤光谱信息和土壤表面图像获取待检测土壤的全氮含量的原理和过程对于本领域技术人员而言，为成熟的现有技术，故此处不再赘述。
71.本发明实施例中，上述安装箱2的下端敞口设置，如图5所示，且安装箱2能够与待检测土壤形成暗室。安装箱2内设置有用于安装光谱采集装置和图像采集装置的安装位，以将光谱采集装置和图像采集装置设置在暗室内，从而在农田作业时可以减少自然光的干扰。
72.本实施例中，在安装箱2内部设置有安装座板12，如图4所示，卤钨光源18设置在安装座板12的上方，在安装座板12上设置有通孔11，供卤钨光源18发出的光线通过，以照射在待检测土壤上。
73.在安装座板12上设置有多个第一安装孔13，滤光片和光电探测器嵌置在第一安装孔13内，且滤光片位于光电探测器的下方。多个第一安装孔13沿以卤钨光源18为圆心的圆形均匀分布。
74.在安装座板12的下端面设置有容纳槽14和蓝宝石玻璃，第一安装孔13设置在容纳槽14的底壁上，蓝宝石玻璃嵌置在容纳槽14的开口端。卤钨光源18工作时产生的连续波段光线，能够经过蓝宝石玻璃照射到土壤表面上。蓝宝石玻璃的设置不仅可以保护光谱采集装置和图像采集装置，延长使用寿命，还保证了土壤漫反射光的通过，保证了检测精度。
75.上述光谱采集装置的信号转换组件可以与控制装置集成在容纳箱内，通过减小各元器件之间的距离，可以减小对容纳箱的容积的需求，有利于缩小容纳箱的体积，使装置灵巧、便于携带和安装。
76.若上述安装箱2内部位于安装座板12上方的空间充足时，可以将容纳箱设置在安
装箱2内。
77.若上述安装箱2内部位于安装座板12上方的空间较小时，可以将容纳箱与安装箱2分开设置，在检测过程中，将容纳箱放置在拖拉机车轮上方的翼子板上即可。
78.可选实施例中，可以将安装箱2设置成长度能够沿竖直方向可伸缩调节的形式，可以根据安装箱2在拖拉机上的安装高度，调节安装箱2的长度，以确保安装箱2的下端能够与待检测土壤形成暗室，并保证开沟器3正常工作。
79.在安装座板12上还设置有第二安装孔1，用于安装扫描仪或摄像头。第二安装孔1设置有两个，对称分布在容纳槽14的两侧。相应地，扫描仪或摄像头也设置两个，分别固定在两个第二安装孔1内。
80.需要说明的是，本发明实施例中的车载式模块化土壤全氮含量检测装置还包括锂电池，锂电池为控制装置、光电探测器、卤钨光源18、电流电压放大器、模拟数字转换器和图像采集装置提供电能。
81.最后应说明的是：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。