CN108132628A - 一种农田综合环境检测装置及农田综合环境监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农田综合环境检测装置及农田综合环境监控系统，该农田综合环境检测装置包括主控制器、汇总站点和检测模块，所述汇总站点的输入端通过ZigBee通讯网络与所述检测模块的输出端信号连接，所述主控制器的输入端通过无线网络与所述汇总站点的输出端相连接，所述检测模块包括灌溉水水质监测模块、土壤参数监测模块和农田气候状况监测模块。该农田综合环境检测装置可以同时对灌溉水水质、土壤参数和农田气候状况进行检测，为农户科学化种植提供依据和指导，从而有效的提高农田效益和提升农作物品质。

Description

一种农田综合环境检测装置及农田综合环境监控系统

技术领域

本发明涉及农业技术领域，尤其涉及一种农田综合环境检测装置及农田综合环境监控系统。

背景技术

农田又称为耕地，指用于农业生产的用地，是一种不可继续增长的自然资源。而近年来我国土壤受污染状况日趋严重，地球化学探索杂志调查发现，我国目前清洁土壤仅为60％；据《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国耕地点位污染物超标率为19.4％；土壤污染主要是由铜、镉、汞、铅等重金属造成的，而且大多是人为活动所致。

重金属污染很容易通过食物链而富集，对人体和环境的危害极大，同时也会造成巨大的经济损失。在全国，每年因重金属污染而减产粮食1000多万吨，另外被重金属污染的粮食每年也多达1200万吨，合计经济损失至少200亿元。耕地土壤污染治理的首要任务是对重金属离子浓度的有效检测，耕地土壤的重金属来源于耕地土壤中本身存在的重金属以及对耕地进行灌溉的灌溉水中的重金属。传统的污染检测方法主要是通过人工采集样品，再送到实验室进行分析完成的，该传统方法存在着成本高、实时性差、周期时间长、监测范围小、采样误差大等缺点。现有农田环境检测系统只实现土壤参数部分数据检测，并没有对灌溉水的水质进行监测，得到的耕地土壤重金属的检测结果比较片面，可能导致种植者无法对土壤重金属污染进行有效的防治和解决。

鉴于此，我们设计了一种农田综合环境检测装置及农田综合环境监控系统。不仅可以对耕地土壤重金属进行准确全面的检测，从而为农户对土壤重金属污染进行有效的防治和解决提供依据，而且能够监测灌溉水水质、土壤参数和农田的气候等各项参数，及时反映灌溉水水质状况、土壤肥力及受污染情况和作物生长环境及状况，可以为农户科学化种植提供依据和指导，从而有效的提高农田效益和提升农作物品质。

发明内容

本发明提供了一种农田综合环境检测装置及农田综合环境监控系统，包括灌溉水水质监测模块、土壤参数监测模块和农田气候状况监测模块，可以同时对灌溉水水质、土壤参数和农田气候状况进行检测，为农户科学化种植提供依据和指导，从而有效的提高农田效益和提升农作物品质。

为实现上述设计，本发明采用以下技术方案：

第一方面，提供了一种农田综合环境检测装置，包括主控制器、汇总站点和检测模块，所述汇总站点的输入端通过ZigBee通讯网络与所述检测模块的输出端信号连接，所述主控制器的输入端通过无线网络与所述汇总站点的输出端相连接，所述检测模块包括灌溉水水质监测模块、土壤参数监测模块和农田气候状况监测模块。

其中，所述灌溉水水质监测模块包括第一微处理器、第一信号处理模块和第一传感模组，所述第一微处理器的输入端与所述第一信号处理模块的输出端之间通过有线网络连接，所述第一信号处理模块的输入端与所述第一传感模组的输出端之间通过有线网络连接；

所述土壤参数监测模块包括第二微处理器、第二信号处理模块和第二传感模组，所述第二微处理器的输入端与所述第二信号处理模块的输出端之间通过有线网络连接，所述第二信号处理模块的输入端与所述第二传感模组的输出端之间通过有线网络连接；

所述农田气候状况监测模块包括第三微处理器、第三信号处理模块和第三传感模组，所述第三微处理器的输入端与所述第三信号处理模块的输出端之间通过有线网络连接，所述第三信号处理模块的输入端与所述第三传感模组的输出端之间通过有线网络连接。

其中，所述第一传感模组包括电导率传感器、温度传感器、PH传感器和第一重金属离子检测模组；其中，所述电导率传感器用于检测灌溉水的电导率；所述温度传感器用于检测灌溉水的水温；所述PH传感器用于检测灌溉水的PH值；所述第一重金属离子检测模组用于检测灌溉水中重金属离子的浓度。

其中，所述第一重金属离子检测模组包括铜离子传感器、镉离子传感器、汞离子传感器和铅离子传感器。

其中，所述第二传感模组包括土壤温湿度检测模组、土壤盐度检测模组、土壤酸碱度检测模组、土壤导电率检测模组、第二重金属离子检测模组和土壤肥力检测模组；其中，所述土壤温湿度检测模组用于检测土壤的温度和湿度；所述土壤盐度检测模组用于检测土壤盐度；所述土壤酸碱度检测模组用于检测土壤的酸碱度；所述第二重金属离子检测模组用于检测土壤中重金属离子的浓度。

其中，第二重金属离子检测模组包括铜离子传感器、镉离子传感器、汞离子传感器和铅离子传感器；

所述土壤肥力检测模组包括钠离子传感器、钾离子传感器、钙离子传感器、氨氮离子传感器和硝酸根离子传感器。

其中，所述第二重金属离子检测模组和所述土壤肥力检测模组固定设置于装有溶液的专用检测容器中。

其中，所述专用检测容器包括容器主体4、网状容器盖1、传感器固定杆3和通信孔2，所述网状容器盖1盖合在所述容器主体4的顶部，所述传感器固定杆3固定设置在容器主体4的下部，所述通信孔2设置在所述容器主体4的侧壁。

其中，所述第三传感模组包括农田风力和风向监测模组、光照监测模组、空气温湿度监测模组、降雨量监测模组和作物生长实时监控模组；其中，所述风力和风向监测模组用于监测农田的风力、风向及风速情况；所述光照监测模组用于监测农田的光照强度和光照时长；所述空气温湿度监测模组用于监测农田的温度和湿度状况；所述降雨量监测模组用于监测并统计农田的降水情况；所述作物生长实时监控模组用于对作物进行实时图像监控。

第二方面，提供了一种农田综合环境监控系统，包括上述农田综合环境检测装置和本地控制终端，所述农田综合环境检测装置将采集的农田综合环境的数据信息通过公共网络传输到所述本地控制终端。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种农田综合环境检测装置，包括主控制器、汇总站点和检测模块，所述汇总站点的输入端通过ZigBee通讯网络与所述检测模块的输出端信号连接，所述主控制器的输入端通过无线网络与所述汇总站点的输出端相连接，所述检测模块包括灌溉水水质监测模块、土壤参数监测模块和农田气候状况监测模块。可以同时对灌溉水水质、土壤参数和农田气候状况进行检测，为农户科学化种植提供依据和指导，从而有效的提高农田效益和提升农作物品质。且设计了一种电化学传感器的专用检测容器，容器可以保证电化学传感器工作于溶液环境中，有效解决了电化学传感器在土壤中的使用问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明具体实施方式中提供的一种农田综合环境检测装置的结构示意图。

图2是本发明具体实施方式中提供的一种农田综合环境检测装置中灌溉水水质监测模块的结构示意图。

图3是本发明具体实施方式中提供的一种农田综合环境检测装置中土壤参数监测模块的结构示意图。

图4是本发明具体实施方式中提供的一种农田综合环境检测装置中农田气候状况监测模块的结构示意图。

图5是本发明具体实施方式中提供的检测容器的结构示意图。

图6是本发明具体实施方式中提供的一种农田综合环境监控系统的结构示意图。

附图标记

1.网状容器盖，2.通信孔，3.传感器固定杆，4.容器主体

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域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。

如图1所示的一种农田综合环境检测装置，包括主控制器、汇总站点和检测模块，汇总站点的输入端通过ZigBee通讯网络与所述检测模块的输出端信号连接，主控制器的输入端通过无线网络与汇总站点的输出端相连接，检测模块包括灌溉水水质监测、土壤参数监测模块和农田气候状况监测模块模块。本农田综合环境检测装置可以同时对灌溉水水质、土壤参数和农田气候状况进行检测，为农户科学化种植提供依据和指导，从而有效的提高农田效益和提升农作物品质。其中，汇总站点通过无线通信协议收集灌溉水水质监测模块、土壤参数监测模块和农田气候状况监测模块检测到的数据，并将其转发给主控制器；主控制器用于接收汇总站点发来的检测数据，经过分析处理后将数据和建议结论存储并反馈给农户。

如图2所示，灌溉水水质监测模块包括第一微处理器、第一信号处理模块和第一传感模组，第一微处理器的输入端与第一信号处理模块的输出端之间通过有线网络连接，第一信号处理模块的输入端与第一传感模组的输出端之间通过有线网络连接。

其中，第一传感模组包括电导率传感器、温度传感器、PH传感器和第一重金属离子检测模组；电导率传感器用于检测灌溉水的电导率；温度传感器用于检测灌溉水的水温；PH传感器用于检测灌溉水的PH值；第一重金属离子检测模组负责检测灌溉水中各种重金属离子浓度，监控灌溉水源是否遭受污染。第一重金属离子检测模组包括铜离子传感器、镉离子传感器、汞离子传感器和铅离子传感器。第一信号处理模块用于采集电导率传感器、温度传感器、PH传感器和第一重金属离子检测模组得到的数据，并将其汇总上传给第一微处理器；第一微处理器用于接收第一信号处理模块发来的汇总数据，并将数据按照Zigbee通信协议格式发送给汇总站点。

可选地，第一微处理器采用51系列单片机。

由于农田灌溉是土壤污染的主要途径之一，因此通过灌溉水水质监测模块可以有效的检测灌溉水源的重金属浓度、Ph值、电导率等参数，可以有效防治农田污染。从而使得本农田综合环境检测装置可以为提高农田效益、提升农作物品质、防治土壤重金属污染提供重要的解决方案和途径。

如图3所示的土壤参数监测模块包括第二微处理器、第二信号处理模块和第二传感模组，第二微处理器的输入端与第二信号处理模块的输出端之间通过有线网络连接，第二信号处理模块的输入端与第二传感模组的输出端之间通过有线网络连接，第二传感模组包括土壤温湿度检测模组、土壤盐度检测模组、土壤酸碱度检测模组、土壤导电率检测模组、第二重金属离子检测模组和土壤肥力检测模组；其中，土壤温湿度检测模组通过温度传感器和湿度传感器实现对土壤温度和湿度参数的检测；土壤盐度检测模组由盐分传感器完成对土壤盐度信息的采集；土壤酸碱度检测模组负责检测土壤的酸碱度信息；第二重金属离子检测模组用于检测土壤中重金属离子浓度，反应出土壤的健康状况，主要由相应的电化学传感器构成，包括铜离子、镉离子、汞离子、铅离子等重金属离子传感器；土壤肥力检测模组主要由钠离子传感器、钾离子传感器、钙离子传感器、氨氮离子传感器、硝酸根离子传感器等电化学传感器构成，用于采集土壤的相关肥力信息。

第二信号处理模块用于采集土壤温湿度检测模组、土壤盐度检测模组、土壤酸碱度检测模组、土壤导电率检测模组、第二重金属离子检测模组和土壤肥力检测模组得到的数据，并将其汇总上传给第二微处理器；第二微处理器用于接收第二信号处理模块发来的汇总数据，并将数据按照Zigbee通信协议格式发送给汇总站点。

监测土壤参数时用到的第二重金属离子检测模组和土壤肥力检测模组都是由相应的电化学传感器(如铜离子、镉离子、汞离子、铅离子等重金属离子传感器,钠离子传感器、钾离子传感器、钙离子传感器、氨氮离子传感器、硝酸根离子传感器等)构成，它们需要工作在溶液环境中，因此在工作时需要将其固定到专用的容器装置中。我们设计的专用检测容器如图5所示。该检测容器主要由三部分构成，分别为容器主体4、网状容器盖1和固定在容器主体4内部的传感器固定杆3。其中，网状容器盖1盖合在容器主体4的顶部，传感器固定杆3固定设置在容器主体4的下部，在容器主体4的侧壁还开设有通信孔2。当农田进行灌溉时，容器主体4用于收集溶解了土壤的灌溉水，容器壁上的通信孔2用于通过检测容器内的传感器电源和信号线；网状容器盖1用于防止较大块的土壤、石头或者杂草等进入容器，只让溶解了土壤的灌溉水进入容器；传感器固定杆3起到固定第二重金属离子检测模组和土壤肥力检测模组的作用。该检测容器很好的解决了电化学传感器在土壤中的使用问题。

需要注意的是，检测容器的容器主体的形状不限于图5中的圆柱形，还可以是正方体、长方体等其他的形状；通信孔的数量也可以是2个以上。

可选地，第二微处理器采用51系列单片机。

土壤参数监测模块用于监测土壤的温湿度、盐度、酸碱度、电导率、土壤肥力和重金属浓度等参数，在检测土壤污染物浓度的同时还可以指导土地灌溉和施肥，有效提高农田的经济效益。

本发明的农田综合环境检测装置不仅包括土壤参数监测模块，还包括灌溉水水质监测模块，灌溉水水质监测模块包括第一重金属离子检测模组，可很好的检测对耕地进行灌溉的灌溉水中各类重金属的含量，土壤参数监测模块包括第二重金属离子检测模组，可有效检测耕地土壤中本身存在的各类重金属的含量，两者综合起来对农田耕地土壤重金属进行准确全面的检测，从而为农户对土壤重金属污染进行有效的防治和解决提供依据，有利于土壤的综合治理，为提高农田效益和提升农作物品质奠定基础。

如图4所示的农田气候状况监测模块，包括第三微处理器、第三信号处理模块和第三传感模组，第三微处理器的输入端与第三信号处理模块的输出端之间通过有线网络连接，第三信号处理模块的输入端与第三传感模组的输出端之间通过有线网络连接。

第三传感模组包括农田风力和风向监测模组、光照监测模组、空气温湿度监测模组、降雨量监测模组和作物生长实时监控模组；其中，风力和风向监测模组用于24小时实时监测农田的风力、风向及风速情况；光照监测模组用于实时监测农田的光照强度、光照时长等参数；空气温湿度监测模组由温度传感器和湿度传感器组成，用于实时监测农田的温度和湿度状况；降雨量监测模组用于监测并统计农田的降水情况；作物生长实时监控模组通过摄像头实现对作物的实时图像监控，摄像头个数视需要和农田大小等实际情况而定。例如，可以设置将平均每300m²农田布置一组摄像头。

第三信号处理模块用于采集农田风力和风向监测模组、光照监测模组、空气温湿度监测模组、降雨量监测模组和作物生长实时监控模组得到的数据，并将其汇总上传给第三微处理器；第三微处理器用于接收第三信号处理模块发来的汇总数据，并将数据按照Zigbee通信协议格式发送给汇总站点。

可选地，第三微处理器采用51系列单片机。

农田气候状况检测模块可以实时监测农田的气候环境，该模块采集的信息数据可以为农户对作物进行科学化种植提供依据和指导。

一个农田综合环境检测装置可以有2个以上的农田气候状况监测模块、土壤参数监测模块和/或灌溉水水质监测模块。农田气候状况监测模块在一块农田中只需布置安装一个模块即可，该模块需要24小时不间断工作。土壤参数监测模块根据需要或农田大小来确定使用的个数，农田越大，土壤参数监测模块的个数越多。该土壤参数监测模块的土壤温湿度检测模组、土壤盐度检测模组、土壤酸碱度检测模组和土壤导电率检测模组直接布置安装在土壤中；第二重金属离子检测模组和土壤肥力检测模组需要先固定到专用的检测容器(图5)中后再埋入土壤中，容器的网状部分需露出地面；灌溉水水质监测模块不需要24小时持续工作，只需在每次进行灌溉时启动进行数据采集，灌溉结束后即可关闭。灌溉水水质监测模块只需在灌溉水渠或水源出口处安装一组即可，每次灌溉时启动该模块完成检测数据采集。

工作原理：本发明的农田综合环境检测装置中的灌溉水水质监测模块、土壤参数监测模块和农田气候状况监测模块均集成多种传感器，并按照一定的传感器采集时序采集数据、存储数据、装配数据、发送数据，实现了大范围环境下农田综合环境的各项参数的获取和监测，监测范围广，监测方法简单。同时，灌溉水水质监测模块、土壤参数监测模块和农田气候状况监测模块通过无线网络将采取的数据传输给汇总站点进行信息汇总，汇总站点将汇总后的各项参数数据通过ZigBee通讯网络发送给主控制器，主控制器对这些数据进行存储和显示，并对这些数据进行相应的整合处理工作，向农户及时反映灌溉水水质状况、土壤肥力及受污染情况和作物生长环境及状况。且当某项参数指标超出设定的阈值时主控制器会控制报警装置发出报警，向农户提出警示，以使农户可及时采取相应的应对措施，减少农作物的损失，提高农作物的产量。

可选地，无线网络包括蓝牙、红外线、WIFI网络等等。

如图6所示，一种农田综合环境监控系统包括上述的农田综合环境检测装置和本地控制终端，农田综合环境检测装置将采集的农田综合环境的数据信息通过公共网络传输到本地控制终端。农田综合环境检测装置属于感知层，负责农田综合环境信息的采集；公共网络属于网络层，本地控制终端属于应用层。可选地，本地控制终端包括本地监控中心、农户的手机、iPad或者笔记本等等。

在感知层的农田综合环境检测装置上集成多种传感器，并按照一定的传感器模块采集时序采集数据、存储数据、装配数据、发送数据，实现了大范围环境下农田土壤信息的实时获取和监测，监测范围广，监测方法简单。同时，灌溉水水质监测模块、土壤参数监测模块和农田气候状况监测模块通过无线网络将采取的数据传输给汇总站点进行信息汇总，汇总站点将汇总后的各项参数的数据通过ZigBee通讯网络发送给主控制器，主控制器对这些数据进行存储和显示，并对这些数据进行相应的整合处理工作，然后将整合处理后的数据通过公共网络传输到应用层的本地控制终端，农户根据本地控制终端上收到的数据，可以及时了解灌溉水水质状况、土壤肥力及受污染情况和作物生长环境及状况，而且方便全面，监测手段多样，能够及时处理相应的信息，为农户科学化种植提供依据和指导。当某项参数指标超出设定的阈值时主控制器会控制报警装置发出报警，并将报警信号通过公共网络传递给本地控制终端，从而实现远程监控，以使农户可及时采取相应的应对措施，减少农作物的损失，提高农作物的产量。农户能够实时监测灌溉水信息、土壤信息和农田气候环境信息。

采用公共网络传输数据，网络安全性高，使得农田综合环境检测装置采集的数据可以安全的传输到本地控制终端，本地控制终端根据收到的农田环境参数进行处理分析并进行决策和自动控制。

相对于只实现土壤参数部分数据检测或者农田气候状况部分数据采集的系统，本发明的农田综合环境监控系统增加了灌溉水质监测模块，且将水质监测与农田气候监测和土壤检测有机的结合到一起，实现了农田综合环境参数的在线监测。此外，本系统还针对土壤检测创新性的设计了电化学传感器检测专用的检测容器，很好的解决了电化学传感器在土壤中的使用问题。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种农田综合环境检测装置，包括主控制器、汇总站点和检测模块，所述汇总站点的输入端通过ZigBee通讯网络与所述检测模块的输出端信号连接，所述主控制器的输入端通过无线网络与所述汇总站点的输出端相连接，其特征在于，所述检测模块包括灌溉水水质监测模块、土壤参数监测模块和农田气候状况监测模块。

2.根据权利要求1所述的农田综合环境检测装置，其特征在于，所述灌溉水水质监测模块包括第一微处理器、第一信号处理模块和第一传感模组，所述第一微处理器的输入端与所述第一信号处理模块的输出端之间通过有线网络连接，所述第一信号处理模块的输入端与所述第一传感模组的输出端之间通过有线网络连接；

所述土壤参数监测模块包括第二微处理器、第二信号处理模块和第二传感模组，所述第二微处理器的输入端与所述第二信号处理模块的输出端之间通过有线网络连接，所述第二信号处理模块的输入端与所述第二传感模组的输出端之间通过有线网络连接；

所述农田气候状况监测模块包括第三微处理器、第三信号处理模块和第三传感模组，所述第三微处理器的输入端与所述第三信号处理模块的输出端之间通过有线网络连接，所述第三信号处理模块的输入端与所述第三传感模组的输出端之间通过有线网络连接。

3.根据权利要求2所述的农田综合环境检测装置，其特征在于，所述第一传感模组包括电导率传感器、温度传感器、PH传感器和第一重金属离子检测模组；其中，所述电导率传感器用于检测灌溉水的电导率；所述温度传感器用于检测灌溉水的水温；所述PH传感器用于检测灌溉水的PH值；所述第一重金属离子检测模组用于检测灌溉水中重金属离子的浓度。

4.根据权利要求3所述的农田综合环境检测装置，其特征在于，所述第一重金属离子检测模组包括铜离子传感器、镉离子传感器、汞离子传感器和铅离子传感器。

5.根据权利要求2所述的农田综合环境检测装置，其特征在于，所述第二传感模组包括土壤温湿度检测模组、土壤盐度检测模组、土壤酸碱度检测模组、土壤导电率检测模组、第二重金属离子检测模组和土壤肥力检测模组；其中，所述土壤温湿度检测模组用于检测土壤的温度和湿度；所述土壤盐度检测模组用于检测土壤盐度；所述土壤酸碱度检测模组用于检测土壤的酸碱度；所述第二重金属离子检测模组用于检测土壤中重金属离子的浓度。

6.根据权利要求5所述的农田综合环境检测装置，其特征在于，第二重金属离子检测模组包括铜离子传感器、镉离子传感器、汞离子传感器和铅离子传感器；

所述土壤肥力检测模组包括钠离子传感器、钾离子传感器、钙离子传感器、氨氮离子传感器和硝酸根离子传感器。

7.根据权利要求5或6所述的农田综合环境检测装置，其特征在于，所述第二重金属离子检测模组和所述土壤肥力检测模组固定设置于装有溶液的专用检测容器中。

8.根据权利要求7所述的农田综合环境检测装置，其特征在于，所述专用检测容器包括容器主体(4)、网状容器盖(1)、传感器固定杆(3)和通信孔(2)，所述网状容器盖(1)盖合在所述容器主体(4)的顶部，所述传感器固定杆(3)固定设置在容器主体(4)的下部，所述通信孔(2)设置在所述容器主体(4)的侧壁。

9.根据权利要求2所述的农田综合环境检测装置，其特征在于，所述第三传感模组包括农田风力和风向监测模组、光照监测模组、空气温湿度监测模组、降雨量监测模组和作物生长实时监控模组；其中，所述风力和风向监测模组用于监测农田的风力、风向及风速情况；所述光照监测模组用于监测农田的光照强度和光照时长；所述空气温湿度监测模组用于监测农田的温度和湿度状况；所述降雨量监测模组用于监测并统计农田的降水情况；所述作物生长实时监控模组用于对作物进行实时图像监控。

10.一种农田综合环境监控系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的农田综合环境检测装置和本地控制终端，所述农田综合环境检测装置将采集的农田综合环境的数据信息通过公共网络传输到所述本地控制终端。