本发明专利技术提供了一种基于微型光谱机器人的土壤耕层原位检测装置和方法，该装置包括检测模块、动力模块、控制面板和支撑架，动力模块与控制面板均搭载于支撑架上，检测模块与控制面板均支持蓝牙通讯功能，检测模块固定连接到动力模块的下端，在控制面板的控制下，动力模块带动检测模块探入土洞中进行土壤剖面光谱定点测量，随着检测模块的移动，检测模块获取的光谱信息与土壤成分信息通过蓝牙协议传输到控制面板并实时显示。控制面板并实时显示。控制面板并实时显示。
【技术实现步骤摘要】
一种基于微型光谱机器人的土壤耕层原位检测装置和方法
[0001]本专利技术属于土壤光谱检测领域，尤其涉及一种基于微型光谱机器人的土壤耕层原位检测装置和方法。
技术介绍
[0002]土壤是农业生产过程中最具影响的组成部分，土壤在生态系统中占据重要地位。因此，如何根据土壤成分含量及其分布，对土地资源进行有效管理是全球共同面临的难题。测定土壤成分分布有利于明确土壤施肥类别及施肥量，是实现精准农业的重要一步。传统土壤化学实验不仅在土壤采集及实验过程中耗费大量人力物力财力，而且土壤成分信息具有高度时间变异性及空间差异性，实验室分析速度慢、周期长、缺乏实时性。相较于传统土壤化学实验，可见
‑
近红外(Vis
‑
NIR)光谱技术因其测试速度快、无需预处理、无污染、无破坏等特点，已较为成熟地应用于土壤成分检测，正在逐步取代传统的理化方法测定土壤成分。
[0003]目前，实验室内的土壤光谱测量已达到较高的精准度，但多采用风干过筛样，仍存在将土壤采集后再带回实验室费时费力的问题。同时，大多数研究关注于土壤水平表层信息，而忽视了与作物根系生长、土壤营养流失等密切相关的土壤耕层剖面信息。现有研究中获取土壤耕层剖面信息的光谱检测装置较少，而且结构设计也较为复杂，成本也较高，也不便于携带，也无法快速实现野外土壤剖面成分信息的获取。
技术实现思路
[0004]为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本专利技术的目的在于针对上述问题，提供一种基于微型光谱机器人的土壤耕层原位检测装置，包括检测模块、动力模块、控制面板7和支撑架8，其特征在于，动力模块与控制面板7均搭载于支撑架8上，检测模块与控制面板7均支持蓝牙通讯功能，检测模块固定连接到动力模块的下端，在控制面板7的控制下，动力模块带动检测模块探入土洞中进行土壤剖面光谱定点测量，随着检测模块的移动，检测模块获取的光谱信息与土壤成分信息通过蓝牙协议传输到控制面板7并实时显示。
[0005]优选的，检测模块包括保护外壳1、微型光谱仪2和支撑挡板3，支撑挡板3固定于保护外壳1的内部，微型光谱仪2设置在支撑挡板3上，保护外壳1上开设有预留孔洞，微型光谱仪2的蓝宝石窗口与预留孔洞相匹配；保护外壳1整体呈长方体形，保护外壳1上端螺纹连接有密封盖。
[0006]优选的，动力模块包括伺服电机6、齿轮5和带齿延长杆4，带齿延长杆4的下端穿过支撑架8的顶面中心向下延伸与检测模块顶端固定连接，伺服电机6的输出端与齿轮5相固接，齿轮5与带齿延长杆4上的齿条相啮合，伺服电机6带动齿轮5转动，齿轮5转动带动带齿延长杆4做垂直于地面的直线运动，从而实现检测模块的上下移动；使用时，在控制面板7输入高度参数，通过单片机将参数转化为伺服电机6的位置信息，从而将信息传输至驱动器以实现伺服电机6的控制，同时伺服电机6实时反馈位置信息至控制面板7上，便于准确调控和
记录测量土壤的具体深度。
[0007]优选的，还包括Android移动设备和云端服务器，微型光谱仪2与控制面板7均在蓝牙模式下通过BLE4.0协议连接Android移动设备进行通讯，Android移动设备通过移动网络与云端服务器通信。
[0008]优选的，微型光谱仪2拆卸外部包装，仅保留内部核心部件，整体尺寸进一步减小，使装置更具灵活性。
[0009]优选的，支撑架8为折叠式，便于田间便捷应用。
[0010]本专利技术还公开了一种基于微型光谱机器人的土壤耕层原位检测的方法，包括以下步骤：
[0011]步骤一，根据研究需要，确定微型光谱仪2的型号，将其搭载至检测模块保护外壳1内的支撑挡板3上，固定后将装置携带至检测点，置于待测土壤的矩形土洞上方，轻微调整检测位置，使支撑架8的轴线垂直于地表；
[0012]步骤二，实现控制面板7与微型光谱仪2的通讯，微型光谱仪2采集被测土壤光谱数据，微型光谱仪2在蓝牙模式下通过BLE4.0协议连接Android移动设备进行通讯，将数据传输给Android移动设备；
[0013]步骤三，启动装置，伺服电机6为齿轮5与带齿延长杆4的啮合传动提供动力支持，使装有微型光谱仪2的检测模块伸入土洞，控制面板7控制检测模块的运动方向、速率和深度，深度数值实时显示；并通过步骤二中的通讯方法控制微型光谱仪2实现土壤耕层不同位置光谱信息的采集；
[0014]步骤四，目标检测点测量完成后，将检测模块带出土壤表层并擦拭蓝宝石窗口，减少对获取下一检测点土壤耕层光谱信息的干扰；达到下一检测点后，重复步骤三；
[0015]步骤五，借助MatLab软件完成数据处理，对获取的土壤耕层剖面光谱进行预处理，同时剔除异常值并进行特征波长筛选，进一步提升光谱质量，随后建立土壤耕层剖面成分定量预测模型。
[0016]优选的，步骤二中，Android移动设备软件开发在实现微型近红外传感器的硬件基本控制的基础上，还实现模型文件的调用以及采集数据与云端服务器实时数据交换功能，以便现场快速预测未知样品的成分或性质；Android移动设备获取的数据通过移动网络将光谱数据传输到云端服务器，云端服务器利用部署在云端的定标模型对接收到的光谱数据进行计算、分析得到土壤耕层剖面成分定量预测结果，并将计算结果通过Web Restful接口返回至Android移动设备，Android移动设备通过控制面板7将成分分析结果向用户展示，以此实现土壤耕层剖面成分信息的实时精准预测。
[0017]与现有技术相比，本专利技术具备以下有益效果：
[0018]1)本专利技术克服了目前现有土壤检测装置结构复杂、成本较高的弊端，充分体现了农业装备的智能化应用。
[0019]2)本专利技术中的检测装置结构简单，可便捷到达各测量点，减轻人力；充分利用土洞自带特征，减少环境光等因素对土壤耕层剖面光谱检测的不良影响。
[0020]3)本专利技术中的检测装置采用微型光谱仪，其小巧轻便，不再需要外部光源等配件，外部配备保护外壳便可实现土壤剖面光谱信息的采集，无需复杂结构设计，且成本相对较低，更有利于推广使用；再者，保护外壳盖板采用螺纹配合，可根据需要更换内部微型光谱
仪型号；
[0021]4)本专利技术的检测装置采用电机控制齿轮齿条传动使检测模块探入土壤孔洞，进一步保证垂直测量，避免了不必要的人工操作扰动；
[0022]5)本专利技术中的土壤耕层剖面成分快速预测方法相对完善可直接应用；依托控制面板便可实现光谱采集、电机控制并实时显示土壤耕层剖面光谱信息、检测深度值和成分预测值，整体操作简单，使其在土壤检测领域大规模推广应用成为可能。
附图说明
[0023]图1为基于微型光谱机器人的土壤耕层原位检测装置的立体结构示意图；
[0024]图2为检测模块内部结构示意图。
[0025]图中附图标记为：
[0026]1‑
保护外壳，2
‑
微型光谱仪，3
‑
支撑挡板，4
‑
带齿延长杆，5
‑
齿轮，6...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于微型光谱机器人的土壤耕层原位检测装置，包括检测模块、动力模块、控制面板(7)和支撑架(8)，其特征在于，动力模块与控制面板(7)均搭载于支撑架(8)上，检测模块与控制面板(7)均支持蓝牙通讯功能，检测模块固定连接到动力模块的下端，在控制面板(7)的控制下，动力模块带动检测模块探入土洞中进行土壤剖面光谱定点测量，随着检测模块的移动，检测模块获取的光谱信息与土壤成分信息通过蓝牙协议传输到控制面板(7)并实时显示。2.根据权利要求1所述的一种基于微型光谱机器人的土壤耕层原位检测装置，其特征在于，检测模块包括保护外壳(1)、微型光谱仪(2)和支撑挡板(3)，支撑挡板(3)固定于保护外壳(1)的内部，微型光谱仪(2)设置在支撑挡板(3)上，保护外壳(1)上开设有预留孔洞，微型光谱仪(2)的蓝宝石窗口与预留孔洞相匹配；保护外壳(1)整体呈长方体形，保护外壳(1)上端螺纹连接有密封盖。3.根据权利要求2所述的一种基于微型光谱机器人的土壤耕层原位检测装置，其特征在于，动力模块包括伺服电机(6)、齿轮(5)和带齿延长杆(4)，带齿延长杆(4)的下端穿过支撑架(8)的顶面中心向下延伸与检测模块顶端固定连接，伺服电机(6)的输出端与齿轮(5)相固接，齿轮(5)与带齿延长杆(4)上的齿条相啮合，伺服电机(6)带动齿轮(5)转动，齿轮(5)转动带动带齿延长杆(4)做垂直于地面的直线运动，从而实现检测模块的上下移动；使用时，在控制面板(7)输入高度参数，通过单片机将参数转化为伺服电机(6)的位置信息，从而将信息传输至驱动器以实现伺服电机(6)的控制，同时伺服电机(6)实时反馈位置信息至控制面板(7)上，便于准确调控和记录测量土壤的具体深度。4.根据权利要求1所述的一种基于微型光谱机器人的土壤耕层原位检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括Android移动设备和云端服务器，微型光谱仪(2)与控制面板(7)均在蓝牙模式下通过BLE4.0协议连接Android移动设备进行通讯，Android移动设备通过移动网络与云端服务器通信。5.根据权利要求1所述的一种基于微型光谱机器人的土壤耕层原位检测装置，其特征在于，微型光谱仪(2)拆卸外部包装，仅保留内部核心部件，整体尺寸进...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨增玲，任朝霞，史卓林，韩鲁佳，梁浩，黄圆萍，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。