一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统及方法

本发明专利属于土壤检测。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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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：

10、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；

11、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；

12、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；

13、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。

14、与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

15、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。

技术特征：

1.一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统，包括机架(27)，其特征在于，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。

2.根据权利要求1所述的一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统，其特征在于，所述一级过滤装置通过螺纹连接固定在所述加热装置的侧端，以实现对待测气体的初次过滤，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。

5.根据权利要求1所述的一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统，其特征在于，所述二级过滤及冷却装置用于对待测气体中的灰尘进行二次过滤并降低高温气体的温度，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。

6.根据权利要求1所述的一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统，其特征在于，所述稀释装置用于稀释待测气体中的二氧化碳浓度并防止泥水进入传感器检测模块，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。

7.根据权利要求1所述的一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统，其特征在于，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。

8.根据权利要求1所述的一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统，其特征在于，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。

9.一种面向变量播种的土壤有机质原位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种面向变量播种的土壤有机质原位检测系统及方法，该土壤有机质高温激发原位检测系统包括机架，机架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，直线运动机构上安装有加热装置，加热装置侧边安装有一级过滤装置，气动模块包括气泵和气动气管，气泵安装在机架上，气动气管按照顺序串联二级过滤及冷却装置、气泵、稀释装置以及二氧化碳检测模块测模块。

技术研发人员：张凯良,贾存虎,周通,杨丽,张东兴,崔涛,和贤桃,桑兴超
受保护的技术使用者：中国农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15