CN109682729B - 一种用于土壤检测的数据采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于土壤检测的数据采集系统及方法，控制机构与移动机构、升降机构、摄像机构及夹持释放机构建立连接控制关系，控制机构发送移动指令、升降指令、摄像指令和释放指令；移动机构通过移动指令带动升降机构、摄像机构、夹持释放机构和测量机构整体水平移动；升降机构通过升降指令驱动摄像机构、夹持释放机构和测量机构整体进行上下移动，升降机构使夹持释放机构带动测量机构定位于沉降筒的上方；摄像机构通过摄像指令对盛有测量机构的沉降筒进行图像获取；夹持释放机构对测量机构进行固定并在接收到释放指令后将测量机构释放到沉降筒中，测量机构对沉降筒中的土壤进行数据测定。减少人工操作不稳定性，同时多个读数数据记录，降低工作强度。

Description

一种用于土壤检测的数据采集系统及方法

技术领域

本发明实施例涉及土壤检测技术领域，具体涉及一种用于土壤检测的数据采集系统及方法。

背景技术

土壤机械组成(土壤颗粒组成)是土壤中矿物质颗粒各级的百分比率，它反映了土壤矿物质颗粒的大小和数量状况，影响着土壤对水、气、养分的含量、保持、供应与热状况、耕作性能、发苗性、宜种性等生产性能，且对土壤基本性质和形成环境的评价有着重要的现实意义。在近年国内大面积开展的土壤环境状况调查工作中，需要进行大量样品的土壤机械组成测定。

目前国内现行土壤机械组成测定方法的标准为“LY/T 1225-1999森林土壤颗粒组成(机械组成)的测定”和“NY/T 1121.3-2006土壤检测第3部分：土壤机械组成的测定”，这两个标准中包含了密度计法(或称比重法)和吸管法两种方法。相比吸管法，密度计法操作相对更简便、测定成本更低、精度稍低但基本够用，因此在大部分检测机构的土壤机械组成样品测定过程中，密度计法使用率要高得多，是目前最主流的土壤机械组成测定方法。

现阶段，由于密度计法依然是一个非常耗时、手工操作难以精确把控(实际操作中要求较高)、检测通量过小(单人每批次一般为6-8个样品)的方法。因此，申请人进行了系列的土壤检测自动化方案研究，通过使用自动化或半自动化仪器来替代之前完全的手工操作，可以很大程度上减少实验人员工作时间和工作强度，大大提高实验精度和准确定，同时还可以实现比原有手工操作方法大几倍的检测通量。

传统的，数据采集环节中，依赖人工操作，放入密度计的水平位置、垂直位置和时间均不易控制，尤其是一个人要同时给多个样品进行读数的时候，常常会出现顾此失彼，读数时间误差较大，以至于读数过程也难以做到一致。尤其是1min和5min时的读数，而8h的读数与该实验称样开始的环节有十多小时的时间差，往往一天的正常工作时间是无法完成一个完整的实验的，就必须加班才可能完成，这样就大大增加了实验人员的工作强度和时长。本申请的技术方案是申请人研究的系列土壤检测自动化方案中的数据采集部分。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种用于土壤检测的数据采集系统及方法，减少人工操作中的不稳定性，可以同时进行多个读数数据记录，降低实验人员的工作强度。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种用于土壤检测的数据采集系统，作用于进行土壤检测的沉降筒，包括控制机构、移动机构、升降机构、摄像机构、夹持释放机构和测量机构；所述控制机构与所述移动机构、升降机构、摄像机构及夹持释放机构建立连接控制关系，控制机构发送移动指令、升降指令、摄像指令和释放指令；所述移动机构通过所述移动指令带动所述升降机构、摄像机构、夹持释放机构和测量机构整体进行水平移动；所述升降机构通过所述升降指令驱动所述摄像机构、夹持释放机构和测量机构整体进行上下移动，升降机构使所述夹持释放机构带动所述测量机构定位于所述沉降筒的上方；所述摄像机构通过摄像指令对盛有所述测量机构的沉降筒进行图像获取；所述夹持释放机构对所述测量机构进行固定并在接收到所述释放指令后将所述测量机构释放到所述沉降筒中，所述测量机构对所述沉降筒中的土壤进行数据测定。

作为用于土壤检测的数据采集系统的优选方案，所述控制机构基于无线通信或有线通信技术对所述移动机构、升降机构、摄像机构、夹持释放机构和测量机构进行移动指令、升降指令、摄像指令和释放指令下发。

作为用于土壤检测的数据采集系统的优选方案，还包括数据存储模块和数据传输模块，所述数据存储模块与所述控制机构建立连接控制关系，数据存储模块与摄像机构建立连接关系，数据存储模块用于对所述摄像机构获取的盛有所述测量机构的沉降筒的图像进行存储；

所述数据传输模块用于对盛有所述测量机构的沉降筒的图像进行传输。

作为用于土壤检测的数据采集系统的优选方案，所述移动机构包括移动主体和电动轮部，所述电动轮部连接在所述移动主体的下方对所述移动主体进行驱动，所述升降机构连接在所述移动主体的上端。

作为用于土壤检测的数据采集系统的优选方案，所述升降机构包括升降电机、主动齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮、中心螺杆和伸缩杆，所述升降电机连接所述主动齿轮，所述主动齿轮与所述第一从动齿轮啮合，所述第一从动齿轮与所述第二从动齿轮啮合，所述第二从动齿轮连接所述中心螺杆，所述中心螺杆与所述伸缩杆通过螺纹组接；

所述中心螺杆上连接有限位圈，所述限位圈之间的中心螺杆上套接有缓冲弹簧。

作为用于土壤检测的数据采集系统的优选方案，所述摄像机构连接在所述升降机构的伸缩杆侧部，摄像机构包括摄像头，所述摄像头与所述沉降筒的1L刻度的高度一致。

作为用于土壤检测的数据采集系统的优选方案，所述夹持释放机构包括延伸架和电动夹爪，若干所述延伸架等间距的连接在所述升降机构的顶部，所述电动夹爪包括夹持部，所述夹持部内侧连接有弹性体。

作为用于土壤检测的数据采集系统的优选方案，所述测量机构包括土壤密度计，所述土壤密度计固定在所述夹持释放机构的电动夹爪的夹持部内，所述电动夹爪在接收到所述释放指令后将所述测量机构释放到所述沉降筒中。

本发明实施例还提供一种用于土壤检测的数据采集方法，采用上述的数据采集系统，包括以下步骤：

通过控制机构下发升降指令，升降机构接收到所述升降指令后驱动摄像机构、夹持释放机构和测量机构整体进行上下移动，升降机构使夹持释放机构带动所述测量机构定位于所述沉降筒的上方；

通过控制机构下发释放指令，夹持释放机构接收到所述释放指令后将所述测量机构释放到沉降筒中；

预设摄像机构的图像采集时间点和采集次数，在预设的采集时间点控制机构下发摄像指令对盛有测量机构的沉降筒进行图像获取；

对所述摄像机构获取的盛有所述测量机构的沉降筒的图像进行存储备用。

作为用于土壤检测的数据采集方法的优选方案，所述摄像机构包括摄像头，所述摄像头与所述沉降筒的1L刻度的高度一致；所述夹持释放机构包括延伸架和电动夹爪，若干所述延伸架等间距的连接在所述升降机构的顶部，通过控制机构下发释放指令，夹持释放机构接收到所述释放指令后将若干所述测量机构同时释放到若干沉降筒中；在预设的采集时间点控制机构下发摄像指令对若干盛有测量机构的沉降筒同时进行图像获取。

本发明实施例具有如下优点：控制机构与移动机构、升降机构、摄像机构及夹持释放机构建立连接控制关系，控制机构发送移动指令、升降指令、摄像指令和释放指令；移动机构通过移动指令带动升降机构、摄像机构、夹持释放机构和测量机构整体进行水平移动；升降机构通过升降指令驱动摄像机构、夹持释放机构和测量机构整体进行上下移动，升降机构使夹持释放机构带动测量机构定位于沉降筒的上方；摄像机构通过摄像指令对盛有测量机构的沉降筒进行图像获取；夹持释放机构对测量机构进行固定并在接收到释放指令后将测量机构释放到沉降筒中，测量机构对沉降筒中的土壤进行数据测定。本发明实施例可以减少人工操作中的不稳定性，可以同时进行多个读数记录，因为获取的是照片，因此可以有更长的时间进行测量仪器的精确读数，这比人工计数有了天然的可靠性，不易出错，且可以进行溯源。同时读数时间完全可以安排在实验完成后任何的上班时间，不用加班，大大降低了实验人员的工作强度。相比传统录像机录像的方式进行数据记录，减少设备成本，减少所需的储存空间，降低数据读取的难度，增加读取数据的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例中提供的一种用于土壤检测的数据采集系统结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种用于土壤检测的数据采集系统升降机构示意图；

图3为本发明实施例中提供的一种用于土壤检测的数据采集系统原理架构示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种用于土壤检测的数据采集方法流程图；

图中：1、控制机构；2、移动机构；201、移动主体；202、电动轮部；3、升降机构；301、升降电机；302、主动齿轮；303、第一从动齿轮；304、第二从动齿轮；305、中心螺杆；306、伸缩杆；307、限位圈；308、缓冲弹簧；4、摄像机构；5、夹持释放机构；501、延伸架；502、电动夹爪；5021、夹持部；5022、弹性体；6、测量机构；7、数据存储模块；8、数据传输模块。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，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。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。

参见图1、图2和图3，提供一种用于土壤检测的数据采集系统，作用于进行土壤检测的沉降筒A，包括控制机构1、移动机构2、升降机构3、摄像机构4、夹持释放机构5和测量机构6；所述控制机构1与所述移动机构2、升降机构3、摄像机构4及夹持释放机构5建立连接控制关系，控制机构1发送移动指令、升降指令、摄像指令和释放指令；所述移动机构2通过所述移动指令带动所述升降机构3、摄像机构4、夹持释放机构5和测量机构6整体进行水平移动；所述升降机构3通过所述升降指令驱动所述摄像机构4、夹持释放机构5和测量机构6整体进行上下移动，升降机构3使所述夹持释放机构5带动所述测量机构6定位于所述沉降筒A的上方；所述摄像机构4通过摄像指令对盛有所述测量机构6的沉降筒A进行图像获取；所述夹持释放机构5对所述测量机构6进行固定并在接收到所述释放指令后将所述测量机构6释放到所述沉降筒A中，所述测量机构6对所述沉降筒A中的土壤进行数据测定。

用于土壤检测的数据采集系统的一个实施例中，所述控制机构1基于无线通信或有线通信技术对所述移动机构2、升降机构3、摄像机构4、夹持释放机构5和测量机构6进行移动指令、升降指令、摄像指令和释放指令下发。控制机构1可以采用有线或无线方式的控制终端，控制终端按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电机的启动、调速、制动和反向的主令装置。控制机构1由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，完成协调和指挥整个数据采集系统的操作。

用于土壤检测的数据采集系统的一个实施例中，还包括数据存储模块7和数据传输模块8，所述数据存储模块7与所述控制机构1建立连接控制关系，数据存储模块7与摄像机构4建立连接关系，数据存储模块7用于对所述摄像机构4获取的盛有所述测量机构6的沉降筒A的图像进行存储。所述数据传输模块8用于对盛有所述测量机构6的沉降筒A的图像进行传输。数据存储模块7配置有存储卡，用于对摄像机构4拍摄的图像进行存储，数据传输模块8配置有WiFi传输电路，实现对图形数据的无线传输。

用于土壤检测的数据采集系统的一个实施例中，所述移动机构2包括移动主体201和电动轮部202，所述电动轮部202连接在所述移动主体201的下方对所述移动主体201进行驱动，所述升降机构3连接在所述移动主体201的上端。电动轮部202可以实现移动机构2的电动移动功能。所述升降机构3包括升降电机301、主动齿轮302、第一从动齿轮303、第二从动齿轮304、中心螺杆305和伸缩杆306，所述升降电机301连接所述主动齿轮302，所述主动齿轮302与所述第一从动齿轮303啮合，所述第一从动齿轮303与所述第二从动齿轮304啮合，所述第二从动齿轮304连接所述中心螺杆305，所述中心螺杆305与所述伸缩杆306通过螺纹组接。所述中心螺杆305上连接有限位圈307，所述限位圈307之间的中心螺杆305上套接有缓冲弹簧308。升降机构3实现摄像机构4、夹持释放机构5和测量机构6整体进行上下移动。

用于土壤检测的数据采集系统的一个实施例中，所述摄像机构4连接在所述升降机构3的伸缩杆306侧部，摄像机构4包括摄像头，所述摄像头与所述沉降筒A的1L刻度的高度一致，保证摄像头的图像采集效果。所述夹持释放机构5包括延伸架501和电动夹爪502，若干所述延伸架501等间距的连接在所述升降机构3的顶部，所述电动夹爪502包括夹持部5021，所述夹持部5021内侧连接有弹性体5022，电动夹爪502实现对测量机构6的夹持和释放，弹性体5022增加测量机构6的摩擦力，防止脱落并且减少夹持损害。所述测量机构6包括土壤密度计601，所述土壤密度计601固定在所述夹持释放机构5的电动夹爪502的夹持部5021内，所述电动夹爪502在接收到所述释放指令后将所述测量机构6释放到所述沉降筒A中。

参见图4，本发明实施例还提供一种用于土壤检测的数据采集方法，采用上述的数据采集系统，具体包括以下步骤：

S1：通过控制机构1下发升降指令，升降机构3接收到所述升降指令后驱动摄像机构4、夹持释放机构5和测量机构6整体进行上下移动，升降机构3使夹持释放机构5带动所述测量机构6定位于所述沉降筒A的上方；

S2：通过控制机构1下发释放指令，夹持释放机构5接收到所述释放指令后将所述测量机构6释放到沉降筒A中；

S3：预设摄像机构4的图像采集时间点和采集次数，在预设的采集时间点控制机构1下发摄像指令对盛有测量机构6的沉降筒A进行图像获取；

S4：对所述摄像机构4获取的盛有所述测量机构6的沉降筒A的图像进行存储备用。

用于土壤检测的数据采集方法的一个实施例中，所述摄像机构4包括摄像头，所述摄像头与所述沉降筒A的1L刻度的高度一致；所述夹持释放机构5包括延伸架501和电动夹爪502，若干所述延伸架501等间距的连接在所述升降机构3的顶部，通过控制机构1下发释放指令，夹持释放机构5接收到所述释放指令后将若干所述测量机构6同时释放到若干沉降筒A中；在预设的采集时间点控制机构1下发摄像指令对若干盛有测量机构6的沉降筒A同时进行图像获取。

本发明实施例将控制机构1与移动机构2、升降机构3、摄像机构4及夹持释放机构5建立连接控制关系，控制机构1发送移动指令、升降指令、摄像指令和释放指令；移动机构2通过移动指令带动升降机构3、摄像机构4、夹持释放机构5和测量机构6整体进行水平移动；升降机构3通过升降指令驱动摄像机构4、夹持释放机构5和测量机构6整体进行上下移动，升降机构3使夹持释放机构5带动测量机构6定位于沉降筒A的上方；摄像机构4通过摄像指令对盛有测量机构6的沉降筒A进行图像获取；夹持释放机构5对测量机构6进行固定并在接收到释放指令后将测量机构6释放到沉降筒A中，测量机构6对沉降筒A中的土壤进行数据测定。使用过程中，升降机构3可以快速降低到土壤密度计的头部刚好接触到沉降筒A液面的高度，随即土壤密度计脱离夹持释放机构5进入沉降筒A的液体中。控制夹持释放机构5上的多个夹持部5021同时打开，然后多个土壤密度计同时分别掉入多个沉降筒A中。预先设置并控制高清摄像头分别于计时起的1min、5min和8h进行拍照，拍照所得照片储存在储存卡中，并可通过WiFi传输电路直接传输至数据处理系统中。可根据不同的标准方法设置不同的拍摄时间点和拍摄次数，实现不同的需求。移动机构2完成第一次平移后，升降机构3马上开始下降，以保证完成搅拌后1分钟内可以完成移动机构2平移到指定位置、升降机构3下降到指定位置、放下土壤密度计并让其不再上下移动(一般土壤密度计放下的位置离实际密度读数位置越近越容易稳定下来)。移动机构2可以在完成实验步骤后的指定时间内将数据采集系统底盘平移回原位。升降机构3可以在完成实验步骤后的指定时间内上升至原位。本发明实施例可以减少人工操作中的不稳定性，可以同时进行多个读数记录，因为获取的是照片，因此可以有更长的时间进行测量仪器的精确读数，这比人工计数有了天然的可靠性，不易出错，且可以进行溯源。同时读数时间完全可以安排在实验完成后任何的上班时间，不用加班，大大降低了实验人员的工作强度。相比传统录像机录像的方式进行数据记录，减少设备成本，减少所需的储存空间，降低数据读取的难度，增加读取数据的准确性。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (7)

1.一种用于土壤检测的数据采集系统，作用于进行土壤检测的沉降筒，其特征在于，包括控制机构(1)、移动机构(2)、升降机构(3)、摄像机构(4)、夹持释放机构(5)和测量机构(6)；所述控制机构(1)与所述移动机构(2)、升降机构(3)、摄像机构(4)及夹持释放机构(5)建立连接控制关系，控制机构(1)发送移动指令、升降指令、摄像指令和释放指令；所述移动机构(2)通过所述移动指令带动所述升降机构(3)、摄像机构(4)、夹持释放机构(5)和测量机构(6)整体进行水平移动；所述升降机构(3)通过所述升降指令驱动所述摄像机构(4)、夹持释放机构(5)和测量机构(6)整体进行上下移动，升降机构(3)使所述夹持释放机构(5)带动所述测量机构(6)定位于所述沉降筒的上方；所述摄像机构(4)通过摄像指令对盛有所述测量机构(6)的沉降筒进行图像获取；所述夹持释放机构(5)对所述测量机构(6)进行固定并在接收到所述释放指令后将所述测量机构(6)释放到所述沉降筒中，所述测量机构(6)对所述沉降筒中的土壤进行数据测定；

所述升降机构(3)包括升降电机(301)、主动齿轮(302)、第一从动齿轮(303)、第二从动齿轮(304)、中心螺杆(305)和伸缩杆(306)，所述升降电机(301)连接所述主动齿轮(302)，所述主动齿轮(302)与所述第一从动齿轮(303)啮合，所述第一从动齿轮(303)与所述第二从动齿轮(304)啮合，所述第二从动齿轮(304)连接所述中心螺杆(305)，所述中心螺杆(305)与所述伸缩杆(306)通过螺纹组接；

所述中心螺杆(305)上连接有限位圈(307)，所述限位圈(307)之间的中心螺杆(305)上套接有缓冲弹簧(308)；

所述夹持释放机构(5)包括延伸架(501)和电动夹爪(502)，若干所述延伸架(501)等间距的连接在所述升降机构(3)的顶部，所述电动夹爪(502)包括夹持部(5021)，所述夹持部(5021)内侧连接有弹性体(5022)；

所述测量机构(6)包括土壤密度计，所述土壤密度计固定在所述夹持释放机构(5)的电动夹爪(502)的夹持部(5021)内，所述电动夹爪(502)在接收到所述释放指令后将所述测量机构(6)释放到所述沉降筒中。

2.根据权利要求1所述的一种用于土壤检测的数据采集系统，其特征在于，所述控制机构(1)基于无线通信或有线通信技术对所述移动机构(2)、升降机构(3)、摄像机构(4)、夹持释放机构(5)和测量机构(6)进行移动指令、升降指令、摄像指令和释放指令下发。

3.根据权利要求1所述的一种用于土壤检测的数据采集系统，其特征在于，还包括数据存储模块(7)和数据传输模块(8)，所述数据存储模块(7)与所述控制机构(1)建立连接控制关系，数据存储模块(7)与摄像机构(4)建立连接关系，数据存储模块(7)用于对所述摄像机构(4)获取的盛有所述测量机构(6)的沉降筒的图像进行存储；

所述数据传输模块(8)用于对盛有所述测量机构(6)的沉降筒的图像进行传输。

4.根据权利要求1所述的一种用于土壤检测的数据采集系统，其特征在于，所述移动机构(2)包括移动主体(201)和电动轮部(202)，所述电动轮部(202)连接在所述移动主体(201)的下方对所述移动主体(201)进行驱动，所述升降机构(3)连接在所述移动主体(201)的上端。

5.根据权利要求1所述的一种用于土壤检测的数据采集系统，其特征在于，所述摄像机构(4)连接在所述升降机构(3)的伸缩杆(306)侧部，摄像机构(4)包括摄像头，所述摄像头与所述沉降筒的1L刻度的高度一致。

6.一种用于土壤检测的数据采集方法，采用如权利要求1至5任一项所述的数据采集系统，其特征在于，包括以下步骤：

通过控制机构(1)下发升降指令，升降机构(3)接收到所述升降指令后驱动摄像机构(4)、夹持释放机构(5)和测量机构(6)整体进行上下移动，升降机构(3)使夹持释放机构(5)带动所述测量机构(6)定位于所述沉降筒的上方；

通过控制机构(1)下发释放指令，夹持释放机构(5)接收到所述释放指令后将所述测量机构(6)释放到沉降筒中；

预设摄像机构(4)的图像采集时间点和采集次数，在预设的采集时间点控制机构(1)下发摄像指令对盛有测量机构(6)的沉降筒进行图像获取；

对所述摄像机构(4)获取的盛有所述测量机构(6)的沉降筒的图像进行存储备用。

7.根据权利要求6所述的一种用于土壤检测的数据采集方法，其特征在于，所述摄像机构(4)包括摄像头，所述摄像头与所述沉降筒的1L刻度的高度一致；所述夹持释放机构(5)包括延伸架(501)和电动夹爪(502)，若干所述延伸架(501)等间距的连接在所述升降机构(3)的顶部，通过控制机构(1)下发释放指令，夹持释放机构(5)接收到所述释放指令后将若干所述测量机构(6)同时释放到若干沉降筒中；在预设的采集时间点控制机构(1)下发摄像指令对若干盛有测量机构(6)的沉降筒同时进行图像获取。

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