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

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.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。
6.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。
7.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。
8.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。
9.优选的，支撑架8为折叠式，便于田间便捷应用。
10.本发明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：
11.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；
12.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；
13.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；
14.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；
15.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。
16.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。
17.与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
18.1)本发明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。
19.2)本发明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。
20.3)本发明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；
21.4)本发明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；
22.5)本发明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
23.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；
24.图2为检测模块内部结构示意图。
25.图中附图标记为：
26.1-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-伺服电机，7-控制面板，8-支撑架。
具体实施方式
27.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。
28.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。
29.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。
30.在本发明的一个宽泛实施例中，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。
31.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。
32.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。
33.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。
34.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。
35.优选的，支撑架8为折叠式，便于田间便捷应用。
36.本发明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：
37.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；
38.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；
39.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；
40.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；
41.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。
42.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。
43.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。
44.如图1-2所示，一种基于微型光谱机器人的土壤耕层原位检测的装置，主要包括检测模块、动力模块、控制面板7及支撑架8；
45.检测模块主要包括保护外壳1、微型光谱仪2和支撑挡板3。
46.微型光谱仪2拆卸外部包装，仅保留内部核心部件，整体尺寸可进一步减小，使装置更具灵活性；光谱仪蓝宝石窗口与保护外壳1的预留孔洞相匹配，其余核心部件放置在支撑挡板3上，固定于保护外壳1内部，避免作业过程中内部核心部件移动；保护外壳1上端设有密封盖，与外壳螺纹连接，为微型光谱仪2核心部件提供密封、干净的作业环境。整个检测
模块结构设计简单，可高效率、低成本实现土壤耕层剖面光谱信息的获取。
47.动力模块主要包括伺服电机6、齿轮5、带齿延长杆4。
48.带齿延长杆4固定在检测模块顶端，齿轮5与带齿延长杆4相配合，伺服电机6带动齿轮5与齿条啮合，将伺服电机6输出轴旋转运动转化为延长杆垂直于地面的直线运动，从而实现检测模块的上下移动，可根据检测需要进行土壤剖面光谱定点测量。
49.控制面板7可被输入高度参数，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。控制面板7与微型光谱仪2蓝牙连接，用户通过控制面板7内置软件控制微型光谱仪2采集光谱信息，获取到的数据通过蓝牙协议传输到控制面板7并实时显示。控制面板7经由移动网络将光谱数据传送到云服务器，随后调用云服务器中的定标模型对土壤成分进行预测，最终在控制面板7显示土壤耕层成分预测值。
50.检测模块、动力模块、控制面板7合理配置在支撑架8上，结构简单，携带便捷，可确保检测装置垂直嵌入土壤、稳定用于实际作业，以实现较好的测量效果。
51.本发明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。
52.步骤一，根据研究需要，确定微型光谱仪2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垂直于地表。
53.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客户端。
54.步骤三，启动装置，伺服电机6为齿轮5齿条传动提供动力支持，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，深度数值可实时显示。并通过步骤2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。
55.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。
56.步骤五，借助matlab等软件完成数据处理，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等，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。
57.步骤二中的android客户端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，还能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等功能，以便现场快速预测未知样品的成分或性质。所以，android客户端获取的数据通过移动网络将光谱数据传输到云服务器，云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客户端，android客户端通过控制面板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。
58.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。