CN110954532B - 一种基于可视嗅觉的土壤养分检测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于可视嗅觉的土壤养分检测装置属于检测仪器设备；三向导通阀分别与气体流量控制开关、微型真空泵和土壤样本气体定时采集器连通，惰性气体罐与气体流量控制开关连通，土壤样本气体定时采集器与密闭气室连通，在密闭气室内安装摄像头模块、底座和LED灯，可视嗅觉传感器阵列配装在底座上，密闭气室与排气阀连通，嵌入式图像处理器通过导线分别与摄像头模块和计算机模式识别系统连接；本装置利用土壤中各种养分挥发气味与可视嗅觉传感器发生的显色反应，定性、定量的得到土壤养分含量的检测结果，具有结构新颖、合理、检测土壤养分品种多、检测结果准确、检测效率高、检测成本低、适用能力强的特点。

Description

一种基于可视嗅觉的土壤养分检测装置

技术领域

本发明属于检测仪器设备，具体涉及一种基于可视嗅觉的土壤养分检测装置。

背景技术

土壤中的物质非常复杂，其中氮、磷、钾、有机质及其它养分与作物的生长息息相关，为提高农作物产量，施肥是常用的方法，但我国存在盲目施肥和过量施肥的情况，导致资源浪费、环境污染和湖泊富营养化等问题。因此，准确并快速检测出土壤养分成分及含量，据此对土壤进行针对性施肥，对提高粮食产量和保护生态环境具有重要意义。

目前，检测土壤养分的方法主要是有化学分析法、遥感测量法和近红外光谱检测法。传统的化学分析法检测结果准确可靠，但检测速度慢，检测的成本高，需要专业人士在实验室内进行检测；遥感测量法因地理和空间的不确定因素，使测量的误差较大，无法实现精确测量；近红外光谱分析法虽然可以较为精确的检测出土壤的总碳、总氮等物质的含量，但易受土壤质地、颜色、含水率和表面粗糙度的影响。

可视嗅觉技术是一种新型的仿生嗅觉技术，该技术以色敏材料构建传感器，使可视嗅觉传感器与样品气体发生显色反应，实现气味的可视化。土壤气味是土壤的重要特征之一，是能够反映出土壤本质特征的信息。因此，研究一种利用土壤挥发的气味与可视嗅觉传感器发生的显色反应，从而完成和实现对土壤养分的快速有效检测的装置十分必要。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术存在的问题，结合农业生产对土壤养分检测的实际需要，研究设计一种基于可视嗅觉的土壤养分检测装置，该装置通过利用土壤挥发的气味与可视嗅觉传感器发生的显色反应，实现和完成对土壤养分的快速、准确测定，达到检测品种多、检测精准、检测快速高效、检测成本低、为测土配方施肥提供技术支持的目的。

本发明的目的是这样实现的：三向导通阀分别与气体流量控制开关、微型真空泵和土壤样本气体定时采集器连通，惰性气体罐与气体流量控制开关连通，所述土壤样本气体定时采集器与密闭气室连通，在密闭气室内上方中央部位上安装摄像头模块，在所述密闭气室内下侧部上、位于摄像头模块正下方部位处安装底座，可视嗅觉传感器阵列配装在底座上，在密闭气室内顶端左、右侧部上倾斜且相互对称的配装LED灯，所述密闭气室与排气阀连通，嵌入式图像处理器通过导线分别与摄像头模块和计算机模式识别系统连接，至此构成一种基于可视嗅觉的土壤养分检测装置。

本发明利用土壤中各种养分挥发气味与可视嗅觉传感器发生的显色反应，定性、定量的得到土壤养分含量的检测结果，具有结构新颖、合理、检测土壤养分品种多、检测结果准确、检测效率高、检测成本低、适用能力强的特点，为我国农业生产测土配方施肥新技术的推广应用提供了技术支持。

附图说明

图1是一种基于可视嗅觉的土壤养分检测装置总体结构示意图；

图2是土壤样本气体定时采集器结构示意；

图3是可视嗅觉传感器阵列结构示意图。

图中件号说明：

1、惰性气体罐、2、气体流量控制开关、3、三向导通阀、4、微型真空泵、5、土壤样本气体定时采集器、6、LED灯、7、密闭气室、8、摄像头模块、9、可视嗅觉传感器阵列、10、底座、11、嵌入式图像处理器、12、排气阀、13、计算机模式识别系统、14、支杆、15、步进电机与减速器总成、16、瓶座、17、惰性气体输入管、18、集气瓶、19、电磁阀A、20、电磁阀B、21、T形气管、22、电磁阀D、23、电磁阀C、24、样本瓶、25、土壤样本。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造实施方案进行详细描述。一种基于可视嗅觉的土壤养分检测装置，三向导通阀3分别与气体流量控制开关2、微型真空泵4和土壤样本气体定时采集器5连通，惰性气体罐1与气体流量控制开关2连通，所述土壤样本气体定时采集器5与密闭气室7连通，在密闭气室7内上方中央部位上安装摄像头模块8，在所述密闭气室7内下侧部上、位于摄像头模块8正下方部位处安装底座10，可视嗅觉传感器阵列9配装在底座10上，在密闭气室7内顶端左、右侧部上倾斜且相互对称的配装LED灯6，所述密闭气室7与排气阀12连通，嵌入式图像处理器11通过导线分别与摄像头模块8和计算机模式识别系统13连接。

所述土壤样本气体定时采集器5由支杆14、步进电机与减速器总成15、瓶座16、惰性气体输入管17、集气瓶18、T形气管21、样本瓶24及电磁阀A19、电磁阀B20、电磁阀D22、电磁阀C23装配构成，所述步进电机与减速器总成15支撑固装在支杆14上，瓶座16固装在步进电机与减速器总成15的动力输出轴上，在所述瓶座16上固装集气瓶18，在所述集气瓶18上通过T形气管21相互连通的安装样本瓶24，配装电磁阀A19的惰性气体输入管17插装在集气瓶18上，在所述T形气管21上分别安装电磁阀B20、电磁阀C23和电磁阀D22；所述惰性气体输入管17与三向导通阀3连通，所述T形气管21与密闭气室7连通。

所述可视嗅觉传感器阵列9由4种PH试剂和12种卟啉类化合物组成的4×4传感器阵列构建，其中最上一行为4种PH试剂，下面三行为12种卟啉类化合物。

所述计算机模式识别系统13包括可视嗅觉传感器图像特征提取模块、土壤养分检测模型和土壤养分分类识别模块，所述土壤养分分类识别模块分别与可视嗅觉传感器图像特征提取模块和土壤养分检测模型连通。

所述土壤养分检测模型由土壤养分与可视嗅觉传感器阵列反应图像构建，土壤养分检测模型建模方法是：

(1)将已知土壤养分构成的m≥72种土壤气体依次通入土壤养分检测装置中得出训练集，分别构建PLSR模型和BPNN模型；

(2)将已知土壤养分构成的n≥32种土壤气体依次通入土壤养分检测装置中得出验证集，分别对所建立的PLSR模型和BPNN模型进行预测，得到PLSR预测结果的预测值y_p和BPNN的预测结果的预测值y_b；其中，p＝1，2，...，n；b＝1，2，...，n；n表示为验证集样本数量；

(3)将y_p和y_b按照算术平均进行组合，可得到最终的预测结果

组合公式为：

式中，k₁和k₂是加权系数；

用A_i(i＝1，2，...，n)表示模型的预测精度序列，并用E和σ分别表示A_i的均值和均方差，则：

式(3)中，y_i表示验证集样本的测量值；

用S表示模型有效度，则S可以定义为：

S＝E·(1-σ) (4)

S越大说明模型预测精度越高；为了确定k₁和k₂值，分别用S_p、S_b表示PLSR模型和BPNN模型的有效度；将S_p和S_b归一化后分别作为k₁和k₂的值，即：

将待测土壤的气味与可视嗅觉传感器阵列反应的图像特征与建立的PLSR-BPNN土壤养分检测模型相匹配，根据匹配度输出待测土壤养分的检测结果。

本发明的工作流程是：

(1)气体采集阶段：将土壤样本25放入样本瓶24中，电磁阀C23和电磁阀B20处于开启状态，电磁阀D22和电磁阀A19处于关闭状态，步进电机与减速器总成15转动，在瓶座16带动下，使集气瓶18处于倒置状态，并通过T形气管21开始采集样本瓶24中土壤样本25产生的气体，将此采集状态静置2-3天，完成气体采集；

(2)送气阶段：气体采集结束后，并闭电磁阀C23，步进电机与减速器总成15转动，使集气瓶18呈正立状态，打开电磁阀A19和电磁阀D22，开启惰性气体罐1，并设置气体流量控制开关2的流量，转动三向导通阀3使气体流量控制开关2通过惰性气体输入管17与集气瓶18连通，惰性气体罐1中的惰性气体会推动集气瓶18中的待测气体进入密闭气室7中与可视嗅觉传感器阵列9进行反应，尔后从排气阀12排出；

(3)图像采集阶段：打开密闭气室7中的LED灯6，通过嵌入式图像处理器11发送的拍摄指令，摄像头模块8开始拍照土壤中不同养分气味色彩图像，并以串码形式发送给计算机模式识别系统13进行显示和存储；

(4)模式识别阶段：计算机模式识别系统13的色敏图像特征提取模块、土壤养分检测模型和土壤养分分类识别模块依次进行并完成对土壤中不同养分气味色彩图像的提取、检测和分类作业；

(5)洗气阶段：检测完成后，微型真空泵4开始作业，不断地将空气抽入到检测装置中，空气经三向导通阀3后对集气瓶18和密闭气室7内的残留气体进行清洗。由排气阀12排出，为下次土壤养分检测做好准备。

Claims (4)

1.一种基于可视嗅觉的土壤养分检测装置，其特征在于：三向导通阀(3)分别与气体流量控制开关(2)、微型真空泵(4)和土壤样本气体定时采集器(5)连通，惰性气体罐(1)与气体流量控制开关(2)连通，所述土壤样本气体定时采集器(5)与密闭气室(7)连通，在密闭气室(7)内上方中央部位上安装摄像头模块(8)，在所述密闭气室(7)内下侧部上、位于摄像头模块(8)正下方部位处安装底座(10)，可视嗅觉传感器阵列(9)配装在底座(10)上，在密闭气室(7)内顶端左、右侧部上倾斜且相互对称的配装LED灯(6)，所述密闭气室(7)与排气阀(12)连通，嵌入式图像处理器(11)通过导线分别与摄像头模块(8)和计算机模式识别系统(13)连接；

所述土壤样本气体定时采集器(5)由支杆(14)、步进电机与减速器总成(15)、瓶座(16)、惰性气体输入管(17)、集气瓶(18)、T形气管(21)、样本瓶(24)及电磁阀A(19)、电磁阀B(20)、电磁阀D(22)、电磁阀C(23)装配构成，所述步进电机与减速器总成(15)支撑固装在支杆(14)上，瓶座(16)固装在步进电机与减速器总成(15)的动力输出轴上，在所述瓶座(16)上固装集气瓶(18)，在所述集气瓶(18)上通过T形气管(21)相互连通的安装样本瓶(24)，配装电磁阀A(19)的惰性气体输入管(17)插装在集气瓶(18)上，在所述T形气管(21)上分别安装电磁阀B(20)、电磁阀C(23)和电磁阀D(22)；所述惰性气体输入管(17)与三向导通阀(3)连通，所述T形气管(21)与密闭气室(7)连通。

2.根据权利要求1所述的一种基于可视嗅觉的土壤养分检测装置，其特征在于：所述可视嗅觉传感器阵列(9)由4种pH试剂和12种卟啉类化合物组成的4×4传感器阵列构建，其中最上一行为4种pH试剂，下面三行为12种卟啉类化合物。

3.根据权利要求1所述的一种基于可视嗅觉的土壤养分检测装置，其特征在于：所述计算机模式识别系统(13)包括可视嗅觉传感器图像特征提取模块、土壤养分检测模型和土壤养分分类识别模块，所述土壤养分分类识别模块分别与可视嗅觉传感器图像特征提取模块和土壤养分检测模型连通。

4.根据权利要求3所述的一种基于可视嗅觉的土壤养分检测装置，其特征在于：所述土壤养分检测模型由土壤养分与可视嗅觉传感器阵列反应图像构建，土壤养分检测模型建模方法是：

(1)将已知土壤养分构成的m≥72种土壤气体依次通入土壤养分检测装置中得出训练集，分别构建PLSR模型和BPNN模型；

(2)将已知土壤养分构成的n≥32种土壤气体依次通入土壤养分检测装置中得出验证集，分别对所建立的PLSR模型和BPNN模型进行预测，得到PLSR预测结果的预测值y_p和BPNN的预测结果的预测值y_b，其中，p＝1，2，...，n；b＝1，2，...，n；n表示为验证集样本数量；

(3)将y_p和y_b按照算术平均进行组合，可得到最终的预测结果

i＝1，2，...，n；组合公式为：

式中，k₁和k₂是加权系数；

用A_i(i＝1，2，...，n)表示模型的预测精度序列，并用E和σ分别表示A_i的均值和均方差，则：

式(3)中，y_i表示验证集样本的测量值；

用S表示模型有效度，则S可以定义为：

S＝E·(1-σ) (4)

S越大说明模型预测精度越高；为了确定k₁和k₂值，分别用S_p、S_b表示PLSR模型和BPNN模型的有效度；将S_p和S_b归一化后分别作为k₁和k₂的值，即：

将待测土壤的气味与可视嗅觉传感器阵列反应的图像特征与建立的PLSR-BPNN土壤养分检测模型相匹配，根据匹配度输出待测土壤养分的检测结果。

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