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一种土壤有机质含量在线监测装置及方法

花匠小妙招
2024-12-28 20:28

一种土壤有机质含量在线监测装置及方法

本发明涉及土壤分析监测领域，尤其涉及一种土壤有机质含量在线监测装置及方法。

背景技术：

0、技术背景

1、土壤是农业生产的基础，其不同成分的含量对作物的生长有着不同的影响。土壤有机质是维持土壤健康和生态系统功能的关键成分，它不仅提高了土壤的肥力，还增强了土壤的保水能力和结构稳定性。土壤有机质在碳循环中扮演重要角色，其动态变化关系到温室气体的释放与吸收，对缓解气候变化具有深远影响。然而，土壤退化现象在全球范围内日益严重，导致了土壤有机质的显著减少，进而影响农作物产量和环境质量。长期监测土壤有机质含量对于农业和环境管理具有重要意义，有助于评估土壤健康状况，为土地管理和保护措施的制定提供科学依据，从而实现可持续的农业和环境保护目标。持续监测可以及时了解土壤有机质的变化趋势，指导科学施肥，提升农田生产力。

2、传统的土壤有机质含量测量方法主要依赖于实验室化学分析，尽管这种方法能够提供准确的测量结果，但它存在诸多缺点。首先，这种方法需要消耗大量的化学试剂，不仅成本高，而且会产生有害残留物，对环境造成潜在的污染。其次，实验室化学分析过程复杂且耗时，从样品采集到得出结果需要较长时间，无法实现对土壤有机质含量的实时监测。此外，由于需要将样品送至实验室进行处理和分析，这种方法并不适合大面积土壤的有机质含量测量和周期性变化的监测，难以满足现代农业对快速、便捷、低成本的土壤监测需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种土壤有机质含量在线监测装置，旨在解决现有技术中土壤有机质含量无法定期连续监测的问题，该装置的土壤光谱信息获取模块在无光环境中运行，有效避免了环境光源变化带来的干扰，传感器在土壤中长时间工作，为防止湿气积聚影响其精度和稳定性，在传感器内部设计了通风换气结构。

2、本发明的目的通过如下技术方案实现：

3、一种土壤有机质含量在线监测装置，包括支架10和多个土壤光谱采集模块，支架10的底部安装有底座17，所述的测定装置和底座10通过数据传输线15连接，所述的土壤光谱采集模块包括带有两个通气孔5的四棱台形状的壳体16、位于壳体内部每条侧棱处的光纤9、位于壳体内部底面四角处的光源8、位于壳体底面中心处的光电传感器6和位于壳体内部的气流引导结构7，壳体16无顶面，光源8光经光纤9传输至待检测土壤，再经待检测土壤传输至光电传感器；所述气流引导结构仿榕树叶轮廓曲面，两个通气孔5位于壳体16相对的两个底边上，气流引导结构7位于通气孔5的下方，气流从一个通气孔5吹入后，经气流引导结构7引导和分散至另一通气孔5。

4、作为本发明更优的技术方案，所述的支架10的顶部安装有太阳能板14。

5、作为本发明更优的技术方案，还包括数据处理模块，所述的数据处理模块包括为其供电的电池1、解析光谱数据的stm32单片机开发板2、用于实时上传数据的4g模块3和信号放大模块4。

6、作为本发明更优的技术方案，所述的光源8为620-750nm、850nm、940nm和950nm四种不同波段。

7、作为本发明更优的技术方案，所述的榕树叶的轮廓为弯曲的椭圆形，椭圆形长轴a为160mm，短轴b为100mm；轮廓曲率k为0.0125mm-1，对应的曲率半径r为80mm。

8、作为本发明更优的技术方案，所述的榕树叶的表面粗糙度ra为0.1μm。

9、作为本发明更优的技术方案，所述的榕树叶安装角θ为20°，所述的安装角为叶片平放最高点a和b之间的连线与两通风口所在直线的之间的角度。

10、本发明还有一个目的是提供一种土壤有机质含量在线监测方法，包括如下步骤，

11、将多个土壤光谱采集模块分别放置在多处待测量土壤处；

12、通过v型光纤的一端照射光源，光线传递至土壤并经土壤漫反射后传至v型光纤另一端的光电传感器，光信号被转换为电信号并经过放大后传输至stm32单片机开发板，通过内置的训练的机器学习模型计算出土壤的有机质含量，并通过4g模块将数据上传至云平台。

13、本发明相对于传统的土壤有机质含量测量方法，有益效果如下：

14、通过4g模块实现数据的实时上传，用户可以在手机或电脑端实时查看，极大地提高了监测的及时性和效率。采用光谱分析技术，无需使用化学试剂，避免了化学残留物的产生。其仿榕树叶轮廓设计的通风换气结构有效防止湿气积聚，确保传感器的长期稳定性。多个土壤有机质敏感波段光源构建机器学习模型，提高了预测的准确性和可靠性。此外，装置配备四个土壤光谱采集模块，同时收集多个点位的数据并计算平均值，数据更具代表性。最后，采用太阳能板供电，使装置能够长期在田地中连续工作，具有可持续性和环保优势，降低了维护成本。本发明能够高效、准确、环保地监测土壤有机质含量，适用于大面积土壤的周期性变化分析。

技术特征：

1.一种土壤有机质含量在线监测装置，其特征在于：包括支架和多个土壤光谱采集模块，支架的底部安装有底座，所述的测定装置和底座通过数据传输线连接，所述的土壤光谱采集模块包括带有两个通气孔的四棱台形状的壳体、位于壳体内部每条侧棱处的光纤、位于壳体内部底面四角处的光源、位于壳体底面中心处的光电传感器和位于壳体内部的气流引导结构，壳体无顶面，光源光经光纤传输至待检测土壤，再经待检测土壤传输至光电传感器；所述气流引导结构仿榕树叶轮廓曲面，两个通气孔位于壳体相对的两个底边上，气流引导结构位于通气孔的下方，气流从一个通气孔吹入后，经气流引导结构引导和分散至另一通气孔。

2.如权利要求1所述的一种土壤有机质含量在线监测装置，其特征在于：所述的气流引导结构的轮廓为弯曲的椭圆形，曲率k为0.0125mm-1 。

3.如权利要求1所述的一种土壤有机质含量在线监测装置，其特征在于：所述的椭圆形的长轴为160mm，短轴为100mm；对应的曲率半径r为80mm。

4.如权利要求1所述的一种土壤有机质含量在线监测装置，其特征在于：所述的气流引导结构的表面粗糙度ra为0.1μm。

5.如权利要求1所述的一种土壤有机质含量在线监测装置，其特征在于：所述的气流引导结构的安装角θ为20°。

6.如权利要求1所述的一种土壤有机质含量在线监测装置，其特征在于：所述的支架的顶部安装有太阳能板。

7.如权利要求1所述的一种土壤有机质含量在线监测装置，其特征在于：还包括数据处理模块，所述的数据处理模块包括为其供电的电池、解析光谱数据的stm32单片机开发板、用于实时上传数据的4g模块和信号放大模块。

8.如权利要求1所述的一种土壤有机质含量在线监测装置，其特征在于：所述的光源为620-750nm、850nm、940nm和950nm四种不同波段。

9.一种土壤有机质含量在线监测方法，其特征在于：包括如下步骤，

技术总结
本发明提供了一种用于土壤有机质含量在线监测的装置及方法，旨在解决现有技术中无法实现土壤有机质含量定期连续监测的问题。该装置配备了土壤光谱信息获取模块，在无光环境中运行，有效避免了环境光源变化带来的干扰。此外，考虑到传感器在土壤中长期工作的需求，为了防止湿气积聚影响测量精度和稳定性，传感器内部设计了仿榕树叶轮廓的通风换气结构，确保设备的长期可靠性和准确性，仿榕树轮廓结构的安装角度为20度。

技术研发人员：郭丽,高钦,韩明泽,张梦怡,齐江涛,李默,黄子坤,王晓凡
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/26