CN109270228A - 一种基于石墨烯传感器的农药残留监测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯传感器的农药残留监测方法和系统，通过设在农药喷洒系统中设置石墨烯传感器进行监控，可以最大限度的减小传感系统带来的功耗，进而可以节省运维成本，同时基于传统的监测方法有着更高的监测精度。

Description

一种基于石墨烯传感器的农药残留监测方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于石墨烯传感器的农药残留监测方法及系统，尤其是基于石墨烯的物质监测方法。
背景技术
当前，人们越来越重视生活质量，对于食品安全的重视也达到了新的高度。而农产品及其制品中农药残留、重金属及生物毒素等污染问题也是人们关注的焦点。由于这些污染物在样品中一般痕量存在，且样品基质复杂、多样，易对分析造成干扰，因此样品前处理是分析中的重点和难点。现有技术的核心在于选择合适的吸附剂将目标化合物与基质中的干扰物质有效分离。然而，常见的商品化吸附材料远不能满足农产品样品分析的实际需求，因此开发新型吸附材料仍是当前相关领域的研究热点之一。
石墨烯(Graphene)是一种新型的二维纳米材料，是目前发现的硬度最高、韧性最强的纳米材料。因其特殊纳米结构和优异的物理化学性能，石墨烯在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等领域应用前景广阔，被公认为21世纪的“未来材料”和“革命性材料”。当前，石墨烯应用在四大领域：传感器领域、储能和新型显示领域、半导体领域、生物医学领域等。除此以外，石墨烯还是优良的吸附材料，通过固相萃取作用可以有效的检测各种化学元素的存在。
专利文献CN201210068867.1中提出了一种利用石墨烯检测水体中烟碱类农药残留的方法。本发明的方法用石墨烯作为吸附材料，用量少，吸附能力强，制备成本低；(2)本发明的方法操作简便快速，既避免了反复萃取又避免过SPE小柱费时；(3)本发明的方法溶剂用量少，石墨烯可重复利用，既环保又节约成本；(4)本发明的方法准确度高，回收率在80-110％之间。然而本方法主要是采取提取样本，然后通过试剂的方式检测样本中的农药残留，这种方法实时性不强，效率不高，且只能检测部分农作物，只能作为抽样检测，准确性不高，同时，这种方法只能事后检测，无法在农作物的种植过程中对农药进行事前的控制。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种结构新颖、构思巧妙的农药残留检测方法及系统，可以提升农药残留检测的精度，同时对农药含量在事前进行控制。
本发明通过以下的方案来实现：
一种基于石墨烯传感器的农药残留监测系统，包括：所述系统包括若干个纳米石墨烯传感器；至少一个的监控模块，所述监控模块与石墨烯传感器相连；一个管理控制平台，与所述监控模块相连；若干农药喷头，所述农药喷头与所述监控模块相连；通过所述石墨烯传感器采集样本数据，计算得到样本表面附着的农药含量，并将计算结果上报至监控模块，监控模块将石墨烯传感器上报的数据汇总后进行二次分析，并将分析的结果上报至管理控制平台，所述管理控制平台根据上报结果，结合预设的品类数据库，向监控模块下发控制信号，监控模块通过控制信号控制农药喷头的喷洒量。
进一步，所述监控模块通过有线或者无线的方式与石墨烯传感相连，所述无线连接方式包括ZIGBEE或者WIFI。
进一步，所述石墨烯传感器检测样品的农药含量，具体包括：所述石墨烯传感器贴近于作物的表面，并具体通过固相萃取作用来吸附样本表面中的农药含量。
进一步，管理控制平台根据上报结果，结合预设的蔬果品类数据库，向监控模块下发控制信号具体包括：所述管理控制平台中设置有品类数据库，所述品类数据库中存储有不同品类的样品对应的农药种类以及允许的残留最大量。
进一步，所述监控模块根据所述允许的残留最大量来控制喷头的喷洒量。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
首先，石墨烯传感器具有精度高、体积小、功耗低等优点，通过设在农药喷洒系统中设置石墨烯传感器进行监控，可以最大限度的减小传感系统带来的功耗，进而可以节省运维成本，同时基于传统的监测方法有着更高的监测精度。
其次，本发明的方法在蔬果种植过程中进行农药喷洒的精准控制，一方面避免了农药剂量的过渡导致的残留，另外一方面节省了农药的喷洒量，降低了农药的成本。
最后，本发明中涉及的方法和设备，可以根据不同的场景和需要，灵活设置不同种类的蔬果对应的不同种类农药的残留极值，同时可以适应各种种植面积的喷洒任务，提升了方法和设备的适用性。
附图说明
图1为本发明一实施例的方法工作流程图。
图2为本发明石墨烯传感器信号处理的电路图。
图3为本发明一实施例的结构模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意的方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
在农作物和果蔬的种植过程中，喷洒农药是必不可少的过程，而现有技术中的喷洒过程，小范围种植面积的往往采用人工喷洒的方式，而中等种植面积的，往往选择地接喷头的方式进行喷洒，而大范围的种植面积则需要更多的喷头或者粗犷直接的采用小型飞机采取定时定量的喷洒方式了。
在上述的喷洒方式中，人工喷洒效率最低，且喷洒量最不规律；而喷头或者小型飞机的喷洒方式可以胜任大面积的喷洒，但是在喷洒量上无法精确控制，也就无法控制好农药残留。
同时，在现有的农药残留的检测方法中，都是采取批量抽样的方式提取部分样本进行检测，根据检测得到的农药含量作为一个批次蔬果的检测结果，这种方法明显精度不够，抽样的结果无法完全的反应所有样品的残留水平，同时，这也是一种事后检测的方法，即便发现了农药残留过量，要么对产品进行作废处理，要么仍然流入了市场，这样要么造成了很大的浪费，要么影响公众的身体健康。
下面结合具体的实施例来对本发明进行说明。
实施例一：
图1示出了一种本发明系统的结构模块示意图，包括：
所述系统包括若干个纳米石墨烯传感器，为了提升监测的精度，所述石墨烯传感器可以设置为贴近于作物的表面。
石墨烯传感器功耗低，售价便宜，探测精度高，是整个系统实现精确控制，降低成本的基础。石墨烯传感器通过固相萃取作用来检测作物表面的农药含量。
至少一个的监控模块，所述监控模块与石墨烯传感器相连。
监控模块具体为一数据收集装置，用来收集传感器采集到的数据，可以只用一个监控模块连接所有的传感器对所有的作物进行监控，也可以将监控模块设置为只连接作物某个部位的传感器，或者设置为监控某一固定面积的作物。通过这种形式，可以适应一些不同部位有着不同喷洒需求的作物，或者整个环境中种植有多种作物的情况。
所述监控模块还连接有若干农药喷头，所述农药喷头可以根据作业环境进行灵活的设置，对于室外的环境，可以设置在地下，对于室内的环境，可以设置在房顶或者墙壁上，这一点本发明不做具体限制。
图2为本发明石墨烯传感器的信号处理电路图，其中Q1、Q2、Q3为运算放大器，A1为石墨烯萃取作用池，A2为多路复用器，多路复用器通过连接不同的电阻，在不同的电阻间切换以实现不同的放大倍数。基于此，石墨烯传感器通过计算得到农药残留含量，并将计算结果上报至监控模块，监控模块将石墨烯传感器上报的数据汇总后进行二次分析。
所述系统还包括一个管理控制平台，与所述监控模块相连。管理控制平台作为整个系统的核心，负责整个系统的数据处理和分析，所述管理控制平台根据上报结果，结合预设的品类数据库，向监控模块下发控制信号，监控模块通过控制信号控制农药喷头的喷洒量。
具体地，所述管理控制平台中设置有品类数据库，所述品类数据库中存储有不同品类的样品对应的农药种类以及允许的残留最大量。基于此，使得系统可以针对不同的蔬果品类进行灵活的调整，提升系统的适用范围。
进一步，所述监控模块根据所述允许的残留最大量来控制喷头的喷洒量。
允许残留的农药最大值是一个经验值，可以是根据相关的标准或者规定来设置，也可以是相关技术人员根据经验来设置，本发明对此不作具体的限定。通过设置允许残留的最大值，可以基于此来控制农药的喷洒量，当发现超过这一最大值时，减小农药的喷洒量，进而可以有效控制农药的残留，同时节省农药的喷洒成本。
实施例二：
图3示出了一种本发明方法的工作流程图，具体包括：
步骤1：通过石墨烯传感器检测样品表面的农药含量。
方法中包含有若干个纳米石墨烯传感器，为了提升监测的精度，所述石墨烯传感器可以设置为贴近于作物的表面。
石墨烯传感器功耗低，售价便宜，探测精度高，是整个系统实现精确控制，降低成本的基础。石墨烯传感器通过固相萃取作用来检测作物表面的农药含量。
步骤2：石墨烯传感器将检测的结果上报至监控模块。
所述方法包含至少一个的监控模块，所述监控模块与石墨烯传感器相连。
监控模块具体为一数据收集装置，用来收集传感器采集到的数据，可以只用一个监控模块连接所有的传感器对所有的作物进行监控，也可以将监控模块设置为只连接作物某个部位的传感器，或者设置为监控某一固定面积的作物。通过这种形式，可以适应一些不同部位有着不同喷洒需求的作物，或者整个环境中种植有多种作物的情况。
图2为本发明石墨烯传感器的信号处理电路图，其中Q1、Q2、Q3为运算放大器，A1为石墨烯萃取作用池，A2为多路复用器，多路复用器通过连接不同的电阻，在不同的电阻间切换以实现不同的放大倍数。基于此，石墨烯传感器通过计算得到农药残留含量，并将计算结果上报至监控模块，监控模块将石墨烯传感器上报的数据汇总后进行二次分析。
步骤3：监控模块将石墨烯传感器上报的数据汇总后进行二次分析，然后上报给管理控制平台。
所述方法还包括一个管理控制平台，与所述监控模块相连。管理控制平台作为整个系统的核心，负责整个系统的数据处理和分析，所述管理控制平台根据上报结果，结合预设的品类数据库，向监控模块下发控制信号，监控模块通过控制信号控制农药喷头的喷洒量。
具体地，所述管理控制平台中设置有品类数据库，所述品类数据库中存储有不同品类的样品对应的农药种类以及允许的残留最大量。基于此，使得系统可以针对不同的蔬果品类进行灵活的调整，提升系统的适用范围。
进一步，所述监控模块根据所述允许的残留最大量来控制喷头的喷洒量。
步骤4：管理控制平台根据上报结果，结合预设的处理策略，向监控模块下发控制信号，监控模块通过控制信号控制农药喷头的喷洒量。
所述监控模块还连接有若干农药喷头，所述农药喷头可以根据作业环境进行灵活的设置，对于室外的环境，可以设置在地下，对于室内的环境，可以设置在房顶或者墙壁上，这一点本发明不做具体限制。
允许残留的农药最大值是一个经验值，可以是根据相关的标准或者规定来设置，也可以是相关技术人员根据经验来设置，本发明对此不作具体的限定。通过设置允许残留的最大值，可以基于此来控制农药的喷洒量，当发现超过这一最大值时，减小农药的喷洒量，进而可以有效控制农药的残留，同时节省农药的喷洒成本。
以上描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员应当理解，这仅是举例说明，本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯传感器的农药残留监测方法，包含以下步骤：
步骤1：通过石墨烯传感器检测样品的农药含量；
步骤2：石墨烯传感器将检测的结果上报至监控模块；
步骤3：监控模块将石墨烯传感器上报的数据汇总后进行二次分析，然后上报给管理控制平台；
步骤4：管理控制平台根据上报结果，结合预设的品类数据库，向监控模块下发控制信号，监控模块通过控制信号控制农药喷头的喷洒量。
2.根据权利要求1所述的农药残留监测方法，其特征在于：所述监控模块通过有线或者无线的方式与石墨烯传感相连，所述无线连接方式包括ZIGBEE或者WIFI。
3.根据权利要求1所述的农药残留监测方法，其特征在于：所述石墨烯传感器检测样品的农药含量，具体包括：所述石墨烯传感器贴近于作物的表面，并具体通过固相萃取作用来吸附样本表面中的农药含量。
4.根据权利要求1所述的农药残留监测方法，其特征在于：管理控制平台根据上报结果，结合预设的蔬果品类数据库，向监控模块下发控制信号具体包括：所述管理控制平台中设置有品类数据库，所述品类数据库中存储有不同品类的样品对应的农药种类以及允许的残留最大量。
5.根据权利要求4所述的农药残留监测方法，其特征在于：所述监控模块根据所述允许的残留最大量来控制喷头的喷洒量。
6.一种基于石墨烯传感器的农药残留监测系统，包括：
若干个纳米石墨烯传感器；
至少一个的监控模块，所述监控模块与石墨烯传感器相连；
一个管理控制平台，与所述监控模块相连；
若干农药喷头，所述农药喷头与所述监控模块相连；
通过所述石墨烯传感器采集样本数据，计算得到样本表面附着的农药含量，并将计算结果上报至监控模块，监控模块将石墨烯传感器上报的数据汇总后进行二次分析，并将分析的结果上报至管理控制平台，所述管理控制平台根据上报结果，结合预设的品类数据库，向监控模块下发控制信号，监控模块通过控制信号控制农药喷头的喷洒量。
7.根据权利要求6所述的农药残留监测系统，所述监控模块通过有线或者无线的方式与石墨烯传感相连，所述无线连接方式包括ZIGBEE或者WIFI。
8.根据权利要求6所述的农药残留监测系统，其特征在于：所述石墨烯传感器检测样品的农药含量，具体包括：所述石墨烯传感器贴近于作物的表面，并具体通过固相萃取作用来吸附样本表面中的农药含量。
9.根据权利要求6所述的农药残留监测系统，其特征在于：管理控制平台根据上报结果，结合预设的蔬果品类数据库，向监控模块下发控制信号具体包括：所述管理控制平台中设置有品类数据库，所述品类数据库中存储有不同品类的样品对应的农药种类以及允许的残留最大量。
10.根据权利要求9所述的农药残留监测系统，其特征在于：所述监控模块根据所述允许的残留最大量来控制喷头的喷洒量。
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