一种农田氮素地下淋溶监测机器人系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种农田氮素地下淋溶监测机器人系统及方法，地下淋溶监测机器人系统包括云平台、监测机器人和淋溶液收集模块，其中，云平台用于向监测机器人发送待测地点、待测深度信息，以及接收监测机器人的测量信息；监测机器人用于移动至待测地点，与位于待测地点、待测深度的淋溶液采集模块对接，提取淋溶液采集模块的淋溶液，并进行淋溶液的淋溶液氮素检测，并将淋溶液氮素检测结果发送至云平台。本发明专利技术的农田氮素地下淋溶监测机器人系统及方法，完成大范围农田土壤多点、多层深度的淋溶液自动提取后，智能化对提取的淋溶液进行全流程的实时检测和分析。程的实时检测和分析。程的实时检测和分析。

【技术实现步骤摘要】
一种农田氮素地下淋溶监测机器人系统及方法


[0001]本专利技术涉及生态环境保护技术，特别是涉及到一种农田氮素地下淋溶监测机器人系统及方法。

技术介绍

[0002]氮素是植物生长过程中必需的营养元素，对于农作物的生长发育有着重要的影响。因此，在农业生产中，农民会使用化肥来补充土壤中缺失的氮素元素，以提高农作物的产量和质量。但是，化肥中的氮素成分往往不能被植物完全吸收利用，一部分氮素会随着雨水和灌溉水的冲刷、地下水的流动和渗漏等方式进入到地下水体中，导致地下水中氮素含量超标，引发环境和健康问题。
[0003]目前，农业氮素淋溶的问题已经引起了广泛的关注和重视。根据全国土壤污染状况调查结果显示，农田土壤中氮素污染是全国土壤污染的主要类型之一，其中约有1/4的农田土壤存在氮素污染问题。同时，由于氮素淋溶问题的存在，地下水中氮素含量超标也成为了当前环境保护的重要问题之一。据统计，全国地下水中氮素含量超标的地区已经超过1/3，其主要分布区域以东部地区和北方平原地区为主。
[0004]氮素污染不仅对人类健康和生态环境造成了严重的危害，而且也给农业生产和农产品的质量带来了很大的挑战。氮素超标会导致农产品中毒素含量过高，严重影响人们的健康和安全。此外，氮素的大量流失还会造成土壤肥力的丧失，导致土地的退化和耕地质量下降。
[0005]因此，解决氮素淋溶污染问题已经成为当前环保和农业生产中的重要任务之一。建立智能化的农田氮素地下淋溶监测系统，可以及时发现和处理氮素超标的情况，帮助农民科学施肥，减少氮素的流失和污染，保护地下水资源和生态环境的可持续发展。
[0006]传统的氮素淋溶液监测方法通常有静态淋溶液收集方法、动态淋洗法、根际液体收集法、微型土柱淋洗法、采样淋洗法。
[0007]1.静态淋溶液收集方法是指在农田里设立淋溶液收集装置，收集一定时间内的淋溶液样品，然后对淋溶液样品中的氮素含量进行检测分析。该方法需要在田间设置收集装置，会对土地造成一定的影响。
[0008]2.动态淋洗法通过喷淋或渗漏装置向土壤中灌注一定量的水，收集经过土壤淋洗的水样进行分析。这种方法操作复杂，需要设置灌溉装置和收集装置，费用较高。
[0009]3.根际液体收集法通过人工挖掘和设置根际液体采样管，在根际土壤内收集根际液体样品，然后对样品中的氮素含量进行检测分析。这种方法操作复杂，需要挖掘和设置采样管，成本高。
[0010]4.微型土柱淋洗法是将将采集的土壤样品装填在微型土柱中，然后通过喷淋或渗漏装置向土柱中灌注一定量的水，收集经过土柱淋洗的水样进行分析。该方法需要大量土壤样品，且操作复杂。
[0011]5.采样淋洗法是将土壤样品放置到淋洗装置中，再往土壤样品中加定量水，然后
再收集淋溶液进行分析。该方法对土壤的破坏大，容易造成二次污染。
[0012]因此，目前氮素淋溶监测方法常采用现场采样和实验室分析相结合的方法，耗时耗力且无法实现实时检测。少部分采用固定式检测的方法，该方法采用固定采样点安装大容积淋溶桶后提取淋溶液，并通过管道运送至淋溶液检测终端实现氮素淋溶监测，需要在多个采样点铺设多个大容积淋溶桶和管道，前期建设成本高，对土壤环境破坏大，处理过程复杂。

技术实现思路

[0013]本专利技术为解决现有技术中氮素淋溶监测方法常采用现场采样和实验室分析相结合的方法，耗时耗力且无法实现实时检测。少部分采用固定式检测的方法，该方法采用固定采样点安装大容积淋溶桶后提取淋溶液，并通过管道运送至淋溶液检测终端实现氮素淋溶监测，需要在多个采样点铺设多个大容积淋溶桶和管道，前期建设成本高，对土壤环境破坏大，处理过程复杂的技术问题，提出了一种农田氮素地下淋溶监测机器人系统及方法，该机器人系统通过移动式的方法完成大范围农田土壤多点、多层深度的淋溶液自动提取后，智能化对提取的淋溶液进行全流程的实时检测和分析，不依赖于人工采集与实验室分析。
[0014]为了实现这一目标，本专利技术采取了如下的技术方案。
[0015]一种农田氮素地下淋溶监测机器人系统，地下淋溶监测机器人系统包括云平台、监测机器人和淋溶液采集模块，其中，云平台用于向监测机器人发送待测地点、待测深度信息，以及接收监测机器人的测量信息；监测机器人用于移动至待测地点，与位于待测地点、待测深度的淋溶液采集模块对接，提取淋溶液采集模块的淋溶液，并进行淋溶液的淋溶液氮素检测，并将淋溶液氮素检测结果发送至云平台。
[0016]另外，本专利技术的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，待测地点包括多个，每个待测地点包括一个以上待测深度；云平台中包括路径规划单元，路径规划单元根据多个待测地点的位置关系以及各个待测地点的待测深度数量，规划监测机器人的检测移动轨迹，并将检测移动轨迹发送至监测机器人；监测机器人接收到检测移动轨迹，根据检测移动轨迹，对每个待测地点以及每个待测深度依次进行淋溶液氮素检测。
[0017]另外，本专利技术的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，待测地点、待测深度处具有淋溶液采集模块，淋溶液采集模块包括淋溶液采集系统，电磁阀模块、传输支管道和Zigbee模块；其中淋溶液采集系统用于在待测地点处的待测深度收集淋溶液，电磁阀模块连接淋溶液采集系统和传输支管道，Zigbee模块连接至电磁阀模块，以及通过无线方式连接至监测机器人的Zigbee基站模块，用于根据Zigbee基站模块发送的指令，开启或关闭电磁阀模块。
[0018]另外，本专利技术的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，监测机器人包括Zigbee基站模块、淋溶液管道对接模块和淋溶液提取驱动模块；待测地点包括一个以上待测深度，每个待测深度具有淋溶液采集模块，淋溶液采集模块包括淋溶液采集系统、电磁阀模块、传输支管道和Zigbee模块；监测机器人包括Zigbee基站模块与每个待测深度处淋溶液采集模块Zigbee模块
无线连接，淋溶液管道对接模块与每个待测深度处淋溶液采集模块的传输支管道连接；用于依次利用Zigbee基站模块与每个待测深度处淋溶液采集模块的Zigbee模块通信，开启每个待测深度处淋溶液采集模块的电磁阀模块，从每个待测深度处淋溶液采集模块的传输支管道抽取淋溶液，并对每个待测深度处进行淋溶液氮素检测；其中对于一个待测深度进行淋溶液抽取时，仅开启该待测深度处淋溶液采集模块的电磁阀模块；保持其他待测深度处淋溶液采集模的电磁阀模块处于关闭状态。
[0019]另外，本专利技术的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，监测机器人包括移动模块，移动模块包括导航模块、移动载体和移动载体驱动单元，导航单元用于检测监测机器人的位置，移动载体包括轮式移动平台和电机，移动载体驱动单元用于控制移动载体的移动方向和移动距离。
[0020]另外，本专利技术的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，监测机器人包括环境感知模块，环境感知模块包括温湿度传感器、风向传感器、降雨量传感器和光照强度传感器，监测机器人将环境感知模块采集的温度、湿度、风向、降雨量和光照强度信息，与淋溶液氮素检测结果一起发送至云平台。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种农田氮素地下淋溶监测机器人系统，其特征在于，地下淋溶监测机器人系统包括云平台、监测机器人和淋溶液采集模块，其中，云平台用于向监测机器人发送待测地点、待测深度信息，以及接收监测机器人的测量信息；监测机器人用于移动至待测地点，与位于待测地点、待测深度的淋溶液采集模块对接，提取淋溶液采集模块收集的淋溶液，并进行淋溶液的淋溶液氮素检测，并将淋溶液氮素检测结果发送至云平台。2.根据权利要求1中所述的农田氮素地下淋溶监测机器人系统，其特征在于，待测地点包括多个，每个待测地点包括一个以上待测深度；云平台中包括路径规划单元，路径规划单元根据多个待测地点的位置关系以及各个待测地点的待测深度数量，规划监测机器人的检测移动轨迹，并将检测移动轨迹发送至监测机器人；监测机器人接收到检测移动轨迹，根据检测移动轨迹，对每个待测地点以及每个待测深度依次进行淋溶液氮素检测。3.根据权利要求1中所述的农田氮素地下淋溶监测机器人系统，其特征在于，待测地点、待测深度处具有淋溶液采集模块，淋溶液采集模块包括淋溶液采集系统，电磁阀模块、传输支管道和Zigbee模块；其中淋溶液采集系统用于在待测地点处的待测深度收集淋溶液，电磁阀模块连接淋溶液采集系统和传输支管道，Zigbee模块连接至电磁阀模块，以及通过无线通信方式连接至监测机器人的Zigbee基站模块，用于根据Zigbee基站模块发送的指令，开启或关闭电磁阀模块。4.根据权利要求3中所述的农田氮素地下淋溶监测机器人系统，其特征在于，监测机器人包括Zigbee基站模块、淋溶液管道对接模块和淋溶液提取驱动模块；待测地点包括一个以上待测深度，每个待测深度具有淋溶液采集模块，淋溶液采集模块包括淋溶液采集系统、电磁阀模块、传输支管道和Zigbee模块；监测机器人包括Zigbee基站模块与每个待测深度处淋溶液采集模块的Zigbee模块无线连接，淋溶液管道对接模块与每个待测深度处淋溶液采集模块的传输支管道连接；利用Zigbee基站模块与每个待测深度处淋溶液采集模块的Zigbee模块通信，开启每个待测深度处淋溶液采集模块的电磁阀模块，从每个待测深度处淋溶液采集模块的传输支管道抽取淋溶液，并对每个待测深度处抽取的淋溶液进行氮素检测；其中对于一个待测深度进行淋溶液抽取时，仅开启该待测深度处淋溶液采集模块的电磁阀模块；保持其他待测深度处淋溶液采集模的电磁阀模块处于关闭状态。5.根据权利要求1中所述的农田氮素地下淋溶监测机器人系统，其特征在于，监测机器人包括移动模块，移动模块包括导航模块、移动载体和移动载体驱动单元，导航模块用于获取监测机器人的位置，移动载体包括轮式移动平台和电机，移动载体驱动单元用于控制移动载体的运行方向和距离。6.根据权利要求1中所述的农田氮素地下淋溶监测机器人系统，其特征在于，监测机器人包括环境感知模块，环境感知模块包括温湿度传感器、风向传感器、降雨量传感器和光照强度传感器，监测机器人将环境感知模块采集的温度、湿度、风向、降雨量和光照强度信息，与淋溶液氮素检测结果一起发送至云平台。7.根据权利要求1中所述的农田氮素地下淋溶监测机器人系统，其特征在于，待测地点包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：李娴，贺湘楠，颜瑞，王震，李哲敏，
申请(专利权)人：中国农业科学院农业信息研究所，
类型：发明
国别省市：