CN112326564A - 一种茶园土壤重金属污染实时在线自动化检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种茶园土壤重金属污染实时在线自动化检测方法，属于茶园土壤检测领域，解决了土壤中的重金属和稀土含量难以实时在线自动化检测问题，进而降低饮茶过程中摄入过多重金属元素及稀土元素风险。其结构包括履带机器人、视觉检测模块、光谱检测模块等，本发明具有以下有益效果：通过履带机器人搭载光谱检测模块、视觉检测模块，在茶园中根据视觉检测模块建立的茶园地图定位，利用光谱检测模块检测土壤中重金属元素以及稀土元素，并采用定量分析法分析土壤中重金属元素以及稀土元素的含量，超标则对区域进行标记并进行预警，达到对茶园土壤全天实时在线自动化检测的效果，降低重金属元素以及稀土元素导致人体健康状况异常的风险。
Description
技术领域
本发明属于茶园土壤检测技术领域，特别涉及一种茶园土壤重金属污染实时在线自动化检测方法。
背景技术
安溪县做为茶叶县，无论是茶叶的品种还是茶叶的知名度都是首屈一指的。安溪县在茶叶的种植上拥有得天独厚的地理气候条件，但是，茶叶中重金属元素、稀土元素超标的问题使得茶叶面临着出口贸易的困扰。近年来我国的大气污染和土壤污染现象严重，直接导致食物链重金属含量流通增大，最终累积到食物顶端，影响生态链上的人类的健康水平。
茶叶产业中重金属元素超标主要来源于农药、肥料的过度使用、土壤水源大气等污染，一小部分茶农为了追求经济利益最大化，而在种植茶叶的过程中大量的使用农药、化学化肥，在新闻中已经看到不少关于这一方面的报道，影响到安溪铁观音茶叶销售。过量稀土元素摄入则会导致人体中微量元素的分布受到影响，造成生理代谢异常，甚至可能导致病变、肝脏损害、免疫力降低、生育能力下降、心肺受损。茶叶中的重金属与稀土元素主要来源于土壤，当土壤中的重金属和稀土含量超标时可直接导致茶叶中的重金属与稀土元素异常，从而在人体饮茶时摄入过高的重金属及稀土元素，造成人体健康状况的异常。随着科学技术的飞速发展，检测技术也得到了技术改进，但目前的技术手段都需要在实地进行土壤取样、封存后带入实验室进行下一步检测，检测用时长较长、检测较为复杂，需要耗费大量人力和物力，较难以实现快速高效的检测。
为了解决上述现有技术问题的不足，本发明因此提供一种茶园土壤重金属污染实时在线自动化检测方法，解决了土壤中的重金属和稀土含量难以实时在线自动化检测问题，进而降低饮茶过程中摄入过多重金属元素及稀土元素风险。通过履带机器人搭载的基于SLAM技术的视觉检测模块，对茶园范围内进行实时扫描建立地图保存于数据库，履带机器人根据地图以及路线规划在一定的检测区域内对土壤中含有的重金属元素与稀土元素进行检测，并采用定量分析法中的自由定标法分析土壤中重金属元素以及稀土元素的含量，超标则对区域进行标记并进行预警，达到对茶园土壤全天实时在线自动化检测的效果，降低重金属元素以及稀土元素导致人体健康状况异常的风险。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决上述现有技术问题的不足，本发明因此提供一种茶园土壤重金属污染实时在线自动化检测方法，解决了土壤中的重金属和稀土含量难以实时在线自动化检测问题，进而降低饮茶过程中摄入过多重金属元素及稀土元素风险。通过履带机器人搭载的基于SLAM技术的视觉检测模块，对茶园范围内进行实时扫描建立地图保存于数据库，履带机器人根据地图以及路线规划在一定的检测区域内对土壤中含有的重金属元素与稀土元素进行检测，并采用定量分析法中的自由定标法分析土壤中重金属元素以及稀土元素的含量，超标则对区域进行标记并进行预警，达到对茶园土壤全天实时在线自动化检测的效果，降低重金属元素以及稀土元素导致人体健康状况异常的风险。
(二)技术方案
本发明通过如下技术方案实现：
一种茶园土壤重金属污染实时在线自动化检测方法，包括视觉检测模块、光谱检测模块以及履带机器人，可以实时监测所属茶园土壤中是否存在重金属元素及稀土元素，方法包括如下步骤：
步骤一：履带机器人移动到起始位置；
步骤二：开启视觉检测模块，机器人在茶园中自由行动，并利用基于SLAM技术的视觉检测模块建立茶园地图，并保存至数据库；
步骤三：履带机器人在通过视觉检测模块建立茶园地图，并保存至数据库后移动至起始位置，操作人员根据建立规划好的地图设定检测路线；
步骤四：履带机器人根据设定好的检测路线，以100×100cm的区域为一个检测单元，在单元格内的四个角以及中间位置开启光谱检测模块进行多次采样检测取平均，并比对数据库中的重金属元素以及稀土元素的波长，判断区域内是否含有重金属元素及稀土元素，区域内若含有重金属元素及稀土元素则进入步骤五，区域内若不含有重金属元素及稀土元素则进入步骤六；
步骤五：步骤四已判断土壤中含有重金属元素及稀土元素，则采用自由定标法自动分析计算土壤中所含有的重金属元素以及稀土元素的含量判断含量是否超过国家标准规定的安全剂量值，若超过则对该区域进行标记并将数据传输至总控室，分析后进入步骤六；
步骤六：根据路线规划移动至下一个区域。
进一步的，所述一种茶园土壤重金属污染实时在线自动化检测方法还包括视觉模块控制装置、车载移动电源、信号天线、三维视觉相机、光谱数据处理终端、光谱检测模块控制装置，车载电源、脉冲激光器、DG535数字延时脉冲发生器、四通道光谱仪、带孔反射镜、聚焦透镜、光纤探测器、聚焦透镜以及土壤检测孔。
进一步的，所述履带机器人底盘搭载光谱检测模块，光谱检测模块中脉冲激光器连接DG535数字延时脉冲发生器，DG535数字延时脉冲发生器连接四通道光谱仪，四通道光谱仪通过光纤连接光纤探测器。
进一步的，所述光谱检测模块中的光谱检测模块控制装置控制脉冲激光器的工作参数以及开启关闭，脉冲激光器通过DG535数字延时脉冲发生器延时触发四通道光谱仪开始收集光信号，四通道光谱仪通过USB将数据传输至光谱数据处理终端。
进一步的，所述履带机器人上方搭载视觉检测模块，视觉检测模块中信号天线、三维视觉相机通过支架固定在车身上，信号天线、三维视觉相机分别与视觉模块控制装置电相连，视觉模块控制装置、三维视觉相机与车载电源电相连。
进一步的，所述履带机器人上方搭载视觉检测模块，信号天线用于控制信号的传输，三维视觉相机扫描履带机器人周围的环境并建立地图，将数据传输至视觉模块控制装置，视觉模块控制装置将数据处理好后经由信号天线传输至总控室。
进一步的，所述车载电源为视觉模块进行供电，车载电源为光谱检测模块进行供电。
(三)有益效果
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
为了解决上述现有技术问题的不足，本发明因此提供一种茶园土壤重金属污染实时在线自动化检测方法，解决了土壤中的重金属和稀土含量难以实时在线自动化检测问题，进而降低饮茶过程中摄入过多重金属元素及稀土元素风险。通过履带机器人搭载的基于SLAM技术的视觉检测模块，对茶园范围内进行实时扫描建立地图保存于数据库，履带机器人根据地图、路线规划以100×100cm的区域为一个检测单元，检测单元内设定五个检测位置对土壤中含有的重金属元素与稀土元素进行检测，大大提高了检测的时效性，降低了人工成本，数据通过计算机实时自动处理，提高的了检测的效率。同时可以根据操作人员的需要，在构建的地图当中自由规划路线，例如在经过首次全面检测后，确定几个较容易受污染点，根据几个点的位置对机器人路线进行规划，规划后可设定优先级别，优先检测设定点，其次在进行其他区域的检测，如此在原有基础上有大大提高了工作效率达到对茶园土壤全天实时在线自动化检测的效果，降低重金属元素以及稀土元素导致人体健康状况异常的风险。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的各部件连接示意图；
图3为本发明的茶园工作路线图；
图4为本发明的检测单元内检测位置示意图；
图5为本发明的工作流程示意图；
图中：视觉模块控制装置(11)、车载移动电源(12)、信号天线(13)、三维视觉相机(14)、光谱数据处理终端(21)、光谱检测模块控制装置(22)，车载电源(23)、脉冲激光器(24)、DG535数字延时脉冲发生器(25)、四通道光谱仪(26)、带孔反射镜(27)、聚焦透镜(28)、光纤探测器(29)、聚焦透镜(210)以及土壤检测孔(211)。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4与图5，本发明提供一种茶园土壤重金属污染实时在线自动化检测方法：包括视觉检测模块、光谱检测模块以及履带机器人，可以实时监测所属茶园土壤中是否存在重金属元素及稀土元素，方法包括如下步骤：
步骤一：履带机器人移动到起始位置；
步骤二：开启视觉检测模块，机器人在茶园中自由行动，并利用基于SLAM技术的视觉检测模块建立茶园地图，并保存至数据库；
步骤三：履带机器人在通过视觉检测模块建立茶园地图，并保存至数据库后移动至起始位置，操作人员根据建立规划好的地图设定检测路线；
步骤四：履带机器人根据设定好的检测路线，以100×100cm的区域为一个检测单元，在单元格内的四个角以及中间位置开启光谱检测模块进行多次采样检测取平均，并比对数据库中的重金属元素以及稀土元素的波长，判断区域内是否含有重金属元素及稀土元素，区域内若含有重金属元素及稀土元素则进入步骤五，区域内若不含有重金属元素及稀土元素则进入步骤六；
步骤五：步骤四已判断土壤中含有重金属元素及稀土元素，则采用自由定标法自动分析计算土壤中所含有的重金属元素以及稀土元素的含量判断含量是否超过国家标准规定的安全剂量值，若超过则对该区域进行标记并将数据传输至总控室，分析后进入步骤六；
步骤六：根据路线规划移动至下一个区域。
其中，所述一种茶园土壤重金属污染实时在线自动化检测方法还包括视觉模块控制装置、车载移动电源、信号天线、三维视觉相机、光谱数据处理终端、光谱检测模块控制装置，车载电源、脉冲激光器、DG535数字延时脉冲发生器、四通道光谱仪、带孔反射镜、聚焦透镜、光纤探测器、聚焦透镜以及土壤检测孔。
其中，所述履带机器人底盘搭载光谱检测模块，光谱检测模块中脉冲激光器连接DG535数字延时脉冲发生器，DG535数字延时脉冲发生器连接四通道光谱仪，四通道光谱仪通过光纤连接光纤探测器。
其中，所述光谱检测模块中的光谱检测模块控制装置控制脉冲激光器的工作参数以及开启关闭，脉冲激光器通过DG535数字延时脉冲发生器延时触发四通道光谱仪开始收集光信号，四通道光谱仪通过USB将数据传输至光谱数据处理终端。
其中，所述履带机器人上方搭载视觉检测模块，视觉检测模块中信号天线、三维视觉相机通过支架固定在车身上，信号天线、三维视觉相机分别与视觉模块控制装置电相连，视觉模块控制装置、三维视觉相机与车载电源电相连。
其中，所述履带机器人上方搭载视觉检测模块，信号天线用于控制信号的传输，三维视觉相机扫描履带机器人周围的环境并建立地图，将数据传输至视觉模块控制装置，视觉模块控制装置将数据处理好后经由信号天线传输至总控室。
其中，所述车载电源为视觉模块进行供电，车载电源为光谱检测模块进行供电。
工作原理：
控制履带机器人移动到起始位置，开启视觉检测模块，机器人在茶园中自由行动，并利用基于SLAM技术的视觉检测模块建立茶园地图，并保存至数据库，履带机器人在通过视觉检测模块建立茶园地图，并保存至数据库后移动至起始位置，操作人员根据建立规划好的地图设定检测路线，履带机器人根据设定好的检测路线，以100×100cm的区域为一个检测单元，在单元格内的四个角以及中间位置开启光谱检测模块进行多次采样检测取平均，并比对数据库中的重金属元素以及稀土元素的波长，判断区域内是否含有重金属元素及稀土元素，区域内若含有重金属元素及稀土元素则采用自由定标法自动分析计算土壤中所含有的重金属元素以及稀土元素的含量判断含量是否超过国家标准规定的安全剂量值，若超过则对该区域进行标记并将数据传输至总控室，分析结束后根据路线规划移动至下一个区域。
如果需要进行茶园土壤重金属及稀土元素检测，传统情况下工作人员需要根据茶园的面积、尺寸采集的几个位置具有代表性的样品，采样过程较为复杂，采样后将样品封好带回实验室进行下一步检测，检测手段复杂，增加了人力、时间成本无法实现实时自动化在线监测。如果是采用本发明，假设在一个10000×5000米的茶园内，机器人在空间内经由视觉检测模块构建地图后，对整片茶园进行检测，黑色原点代表机器人所在的位置，以100×100cm的区域为一个检测单元，检测单元内设定五个检测位置，检测设定每个位置检测时长为20秒，移动时间10s，则2min 30s分钟即可完成一个检测单元的检测，扣去电源充电时间，全天工作20小时计算，可完成480个单元监测，大大提高了检测的时效性，降低了人工成本，数据通过计算机实时自动处理，提高的了检测的效率。同时可以根据操作人员的需要，在构建的地图当中自由规划路线，例如在经过首次全面检测后，确定几个较容易受污染点，根据几个点的位置对机器人路线进行规划，规划后可设定优先级别，优先检测设定点，其次在进行其他区域的检测，如此在原有基础上有大大提高了工作效率。
本发明的控制方式是通过人工启动和关闭开关来控制，动力元件的接线图与电源的提供属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护机械装置，所以本发明不再详细解释控制方式和接线布置。
本发明的控制方式是通过控制器来自动控制，控制器的控制电路通过本领域的技术人员简单编程即可实现，电源的提供也属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护机械装置，所以本发明不再详细解释控制方式和电路连接。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种茶园土壤重金属污染实时在线自动化检测方法，其特征在于：包括视觉检测模块(1)、光谱检测模块(2)以及履带机器人(3)，可以实时监测所属茶园土壤中是否存在重金属元素及稀土元素，方法包括如下步骤：
步骤一：履带机器人(3)移动到起始位置；
步骤二：开启视觉检测模块(1)，机器人在茶园中自由行动，并利用基于SLAM技术的视觉检测模块(1)建立茶园地图，并保存至数据库；
步骤三：履带机器人(3)在通过视觉检测模块(1)建立茶园地图，并保存至数据库后移动至起始位置，操作人员根据建立规划好的地图设定检测路线；
步骤四：履带机器人(3)根据设定好的检测路线，以100×100cm的区域为一个检测单元，在单元格内的四个角以及中间位置开启光谱检测模块(2)进行多次采样检测取平均，并比对数据库中的重金属元素以及稀土元素的波长，判断区域内是否含有重金属元素及稀土元素，区域内若含有重金属元素及稀土元素则进入步骤五，区域内若不含有重金属元素及稀土元素则进入步骤六；
步骤五：步骤四已判断土壤中含有重金属元素及稀土元素，则采用自由定标法自动分析计算土壤中所含有的重金属元素以及稀土元素的含量判断含量是否超过国家标准规定的安全剂量值，若超过则对该区域进行标记并将数据传输至总控室，分析后进入步骤六；
步骤六：根据路线规划移动至下一个区域。
2.根据权利要求1所述的一种茶园土壤重金属污染实时在线自动化检测方法，其特征在于：还包括视觉模块控制装置(11)、车载移动电源(12)、信号天线(13)、三维视觉相机(14)、光谱数据处理终端(21)、光谱检测模块控制装置(22)，车载电源(23)、脉冲激光器(24)、DG535数字延时脉冲发生器(25)、四通道光谱仪(26)、带孔反射镜(27)、聚焦透镜(28)、光纤探测器(29)、聚焦透镜(210)以及土壤检测孔(211)。
3.根据权利要求1所述的一种茶园土壤重金属污染实时在线自动化检测方法，其特征在于：所述履带机器人(3)底盘搭载光谱检测模块(2)，光谱检测模块(2)中脉冲激光器(24)连接DG535数字延时脉冲发生器(25)，DG535数字延时脉冲发生器(25)连接四通道光谱仪(26)，四通道光谱仪(26)通过光纤连接光纤探测器(29)。
4.根据权利要求1所述的一种茶园土壤重金属污染实时在线自动化检测方法，其特征在于：所述光谱检测模块(2)中的光谱检测模块控制装置(22)控制脉冲激光器(24)的工作参数以及开启关闭，脉冲激光器(24)通过DG535数字延时脉冲发生器(25)延时触发四通道光谱仪(26)开始收集光信号，四通道光谱仪(26)通过USB将数据传输至光谱数据处理终端(21)。
5.根据权利要求1所述的一种茶园土壤重金属污染实时在线自动化检测方法，其特征在于：所述履带机器人(3)上方搭载视觉检测模块(1)，视觉检测模块(1)中信号天线(13)、三维视觉相机(14)通过支架固定在车身上，信号天线(13)、三维视觉相机(14)分别与视觉模块控制装置(11)电相连，视觉模块控制装置(11)、三维视觉相机(14)与车载电源(12)电相连。
6.根据权利要求1所述的一种茶园土壤重金属污染实时在线自动化检测方法，其特征在于：所述履带机器人(3)上方搭载视觉检测模块(1)，信号天线(13)用于控制信号的传输，三维视觉相机(14)扫描履带机器人周围的环境并建立地图，将数据传输至视觉模块控制装置(11)，视觉模块控制装置将数据处理好后经由信号天线(13)传输至总控室。
7.根据权利要求1所述的一种茶园土壤重金属污染实时在线自动化检测方法，其特征在于：车载电源(12)为视觉模块(1)进行供电，车载电源(23)为光谱检测模块(2)进行供电。
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