CN115575568A - 一种农田土壤及农作物碳排放感知系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种农田土壤及农作物碳排放感知系统和方法属智能农业装备检测技术领域，本发明的上位机、碳排放感知系统和碳排放智能检测车经无线数据传输模块连接；土壤内部二氧化碳检测装置的支撑板固接于机架前端；集气装置的集气箱固接于机架的下支撑板，集气装置的集气管与表层二氧化碳检测装置的集气管接头连接；行走装置的前车轴和后车轴沿左右对称固接于机架的下支撑板下面前后两端；电控箱的外壳固接于机架的上支撑板上面；表层二氧化碳检测装置经电动推杆固接于机架的上支撑板后侧的下面。本发明能实现土壤内部不同深度或地表的二氧化碳排放量的长期、精准的无人检测、存储和分析，操作简便，实用性强。
Description
技术领域
本发明属智能农业装备检测技术领域，具体涉及一种农田土壤及农作物碳排放感知系统和方法。
背景技术
土壤是陆地生态系统碳库的重要组成部分，其微小波动可能诱发全球碳循环巨变。农业约占全球碳排放量的1/4，从源头上控制和减少碳排放是最佳途径，对全球碳减排意义重大。
近数十年来，研究者针对全球气候变暖对土壤温室气体CO2、CH4释放的影响和机制进行了一系列原位实地研究。目前，针对碳源排放量测算的研究，主要存在实测法、物料衡算法、排放系数法、模型法和生命周期法五种测算方法。
发明内容
本发明的目的是通过设计一种农田土壤及农作物碳排放感知系统，以实现不同检测环境下的高精度二氧化碳排放量检测，操作简单，成本低，并可实现检测地表农作物及同一地点不同深度处土壤的二氧化碳排放量。
本发明的一种农田土壤及农作物碳排放感知系统，由上位机A、碳排放感知系统B和碳排放智能检测车C组成，上位机A、碳排放感知系统B和碳排放智能检测车C通过无线数据传输模块连接。
其中碳排放智能检测车C由机架D、表层二氧化碳检测装置E、集气装置F、行走装置G、土壤内部二氧化碳检测装置H和电控箱I组成，土壤内部二氧化碳检测装置H的支撑板29固接于机架D的前端；集气装置F的集气箱11固接于机架D的下支撑板10上，集气装置F的集气管21与表层二氧化碳检测装置E的集气管接头16连接；行走装置G的前车轴27和后车轴26沿左右对称固接于机架D的下支撑板10下面前后两端；电控箱I的外壳4固接于机架D的上支撑板6的上表面；表层二氧化碳检测装置E通过电动推杆7左右对称固接于机架D的上支撑板6后侧的下表面。
所述的农田土壤及农作物碳排放感知系统，所述的机架D由车架5、上支撑板6和下支撑板10组成，上支撑板6固接于车架5的上方，下支撑板10固接于车架5的下方。
所述的表层二氧化碳检测装置E由电动推杆7、集气罩8、温度传感器15、集气管接头16和风扇对18组成，其中电动推杆7的下端套接于集气罩8的上端，风扇对18的两个风扇固接于集气罩8内壁上端前后两侧，温度传感器15固接于集气管接头16的上端。
所述的集气装置F由集气箱11、换气管19、导管20、集气管21、集气阀22和二氧化碳含量检测模块23组成，换气管19、导管20、集气管21、集气阀22和二氧化碳含量检测模块23置于集气箱11内，其中二氧化碳含量检测模块23、导管20、集气阀22和集气管21由前到后依次连接，换气管19套接于二氧化碳含量检测模块23的上端口。
所述的行走装置G由后轮对9、前轮对12、电源24、减震弹簧对25、后车轴26和前车轴27组成，其中电源24位于下支撑板10上方的集气箱11内，减震弹簧对24的2个减震弹簧套接于前车轴27左右两侧，前轮对12通过前车轴27与下支撑板10前端连接，后轮对9 通过后车轴26与下支撑板10后端连接。
所述的土壤内部二氧化碳检测装置H由二氧化碳检测探针1、滑块2、步进电机3、丝杠28、支撑板29、固体二氧化碳检测探头30组成，其中步进电机3固接于支撑板29上端，其下端的输出轴固接于丝杠28的上端，丝杠28与滑块2螺纹连接；丝杠28两端分别固接于支撑板29的上下两端，二氧化碳检测探头30固接于二氧化碳检测探针1的下端，二氧化碳检测探针1的上端固接于滑块2的前面，二氧化碳检测探头30的下端穿过支撑板29下端的圆孔，二者同心且间隙配合，二氧化碳检测探针1上标有刻度。
所述的电控箱I由外壳4、单片机电路板31、无线数据传输模块32和北斗导航卫星定位模块33组成，单片机电路板31、无线数据传输模块32和北斗导航卫星定位模块33均安装在外壳4内。
所述的农田土壤及农作物碳排放感知系统，所述的集气罩8由外罩13和仿生锯齿14组成，其中外罩13呈圆管状，外径为D，仿生锯齿14由n个仿生凸刃17组成，仿生切割刀17固接于外罩13的下端圆周，且仿生切割刀17的内外端面与外罩13的内外端面平齐，相邻两个仿生切割刀17上部相叠加，叠加宽度d1满足
其中n＝πD/d，其中：n 为大于80小于120的正整数。
所述的农田土壤及农作物碳排放感知系统，所述的仿生凸刃17刃口曲线为仿芦荟叶片形状，以仿生凸刃17刃口曲线起始点与外罩13相交点为原点O，外罩13与仿生凸刃17底部交线沿周向展开为X轴，且以由下至上视图的顺时针方向为X轴正方向，沿外罩13轴向为Y轴，且沿轴向向下为Y轴正方向，仿生凸刃17刃口曲线fOMx满足：
其中：k1为缩放系数，为正数，无量纲。
所述的农田土壤及农作物碳排放感知系统，所述的二氧化碳含量检测模块23内安装有光源34、接收器35和绒毛36，其中二氧化碳含量检测模块23内部呈凹槽状，光源34固接于二氧化碳含量检测模块23内部凹槽右端，呈长方体状，接收器35位于二氧化碳含量检测模块23内部凹槽左端，呈长方体状，绒毛36位于二氧化碳含量检测模块23内部凹槽底端。
本发明的基于农田土壤及农作物碳排放感知系统的方法，包括下列步骤：
2.1通过上位机A登录碳排放感知系统B；
2.2根据待测目标区域位置信息及检测方式需求，通过无线数据传输模块32在碳排放感知系统B上控制碳排放智能检测车C行走至目标区域位置；
2.3根据选定的检测方式，对二氧化碳排放量、温度、位置信息、时间进行检测；
2.4检测后的数据经碳排放感知系统B存储、上传至云端数据库管理平台；
2.5结合云端数据库管理平台其他数据信息，实现多维度数据的综合分析和整合，具体不同检测方式的作业过程如下：
2.5.1土壤内部二氧化碳检测过程如下：
2.5.1.1碳排放智能检测车C行至指定目标区域位置后，依据设定的测量深度，通过登录碳排放感知系统B控制步进电机3，使滑块2沿丝杠28向下滑动，进而带动二氧化碳检测探针1降至指定刻度处，实现二氧化碳检测探针1上的二氧化碳检测探头30插入目标区域位置设定测量深度，实时测量并上传至碳排放感知系统B；
2.5.1.2待检测结束后，通过登录碳排放感知系统B控制步进电机3，使滑块2沿丝杠 28向上滑动，进而带动二氧化碳检测探针1升至地表以上安全区域后，进行下一目标区域位置作业；
2.5.2土壤表层二氧化碳检测过程如下：
2.5.2.1碳排放智能检测车C行至指定目标区域位置后，通过登录碳排放感知系统B控制电动推杆7向下移动，带动土壤表层二氧化碳检测装置E中的集气罩8顺时针旋转并向下移动，并通过集气管21将地表气体传输至集气装置F进行检测，通过温度传感器15进行地表实时温度检测，实时测量并上传至碳排放感知系统B；
2.5.2.2待检测结束后，通过登录碳排放感知系统B控制电动推杆7向上移动，带动土壤表层二氧化碳检测装置E中的集气罩8逆时针旋转并向上移动至地表以上安全区域后，进行下一目标区域位置作业。
本发明的有益效果在于：
1.所发明的农田土壤及农作物碳排放感知系统操作简单，可以实现远程操控和精准检测，不仅可以适用于农田，还适用于温室大棚。
2.所提出的农田土壤及农作物碳排放感知系统，可以实现地表及地下不同深度处二氧化碳排放量检测，同时检测地表温度信息，结合云端数据库管理平台其他数据信息，可实现多维度数据的综合分析和整合。
附图说明
图1为农田土壤及农作物碳排放感知系统的结构示意图；
图2为碳排放智能检测车C的结构示意图；
图3为碳排放智能检测车C的主视图；
图4为表层二氧化碳检测装置的结构示意图；
图5为仿生切割刀安装及结构的示意图；
图6为集气罩的结构示意图；
图7为集气装置的结构示意图；
图8为碳排放智能检测车的侧视图；
图9为碳排放智能检测车行走装置的结构示意图；
图10为土壤内部二氧化碳检测装置的结构示意图；
图11为电控箱内部组成的示意图；
图12为仿生切割刀刃口曲线的结构示意图；
图13为二氧化碳含量检测模块的结构示意图；
图14为二氧化碳含量检测模块的侧视图；
图15为农田土壤及农作物碳排放感知方法的流程图；
其中：A.上位机 B.碳排放感知系统 C.碳排放智能检测车 D.机架 E.表层二氧化碳检测装置 F.集气装置 G.行走装置 H.土壤内部二氧化碳检测装置 I.电控箱 1.二氧化碳检测探针 2.滑块 3.步进电机 4.外壳 5.车架 6.上支撑板 7.电动推杆 8.集气罩 9.后轮对 10.下支撑板 11.集气箱 12.前轮对 13.外罩 14.仿生锯齿 15.温度传感器 16.集气管接头 17.仿生凸刃 18.风扇对 19.换气管 20.导管 21.集气管 22.集气阀 23.二氧化碳含量检测模块 24.电源 25.减震弹簧对 26.后车轴 27.前车轴 28.丝杠 29.支撑板 30.二氧化碳检测探头 31.单片机电路板 32.无线数据传输模块 33.北斗导航卫星定位模块 34.光源 35.接收器 36.绒毛。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步描述。
如图1所示，本发明由上位机A、碳排放感知系统B和碳排放智能检测车C组成，上位机A、碳排放感知系统B和碳排放智能检测车C通过无线数据传输模块连接。
如图2和图3所示，其中碳排放智能检测车C由机架D、表层二氧化碳检测装置E、集气装置F、行走装置G、土壤内部二氧化碳检测装置H和电控箱I组成，土壤内部二氧化碳检测装置H的支撑板29固接于机架D的前端；集气装置F的集气箱11固接于机架D的下支撑板10上，集气装置F的集气管21与表层二氧化碳检测装置E的集气管接头16连接；行走装置G的前车轴27和后车轴26沿左右对称固接于机架D的下支撑板10下面前后两端；电控箱I的外壳4固接于机架D的上支撑板6的上表面；表层二氧化碳检测装置E通过电动推杆7左右对称固接于机架D的上支撑板6后侧的下表面。
如图4至图13所示，所述的农田土壤及农作物碳排放感知系统，所述的机架D由车架5、上支撑板6和下支撑板10组成，上支撑板6固接于车架5的上方，下支撑板10固接于车架5的下方；所述的表层二氧化碳检测装置E由电动推杆7、集气罩8、温度传感器15、集气管接头16和风扇对18组成，其中电动推杆7的下端套接于集气罩8的上端，风扇对18的两个风扇固接于集气罩8内壁上端前后两侧，温度传感器15固接于集气管接头16的上端；所述的集气装置F由集气箱11、换气管19、导管20、集气管21、集气阀22和二氧化碳含量检测模块23组成，换气管19、导管20、集气管21、集气阀22和二氧化碳含量检测模块23置于集气箱11内，其中二氧化碳含量检测模块23、导管20、集气阀22和集气管21由前到后依次连接，换气管19套接于二氧化碳含量检测模块23的上端口；所述的行走装置G由后轮对9、前轮对12、电源24、减震弹簧对25、后车轴26和前车轴27组成，其中电源24位于下支撑板10上方的集气箱11内，减震弹簧对24的2个减震弹簧套接于前车轴27左右两侧，前轮对12通过前车轴27与下支撑板10前端连接，后轮对9通过后车轴26与下支撑板10 后端连接；所述的土壤内部二氧化碳检测装置H由二氧化碳检测探针1、滑块2、步进电机3、丝杠28、支撑板29、固体二氧化碳检测探头30组成，其中步进电机3固接于支撑板29上端，其下端的输出轴固接于丝杠28的上端，丝杠28与滑块2螺纹连接；丝杠28两端分别固接于支撑板29的上下两端，二氧化碳检测探头30固接于二氧化碳检测探针1的下端，二氧化碳检测探针1的上端固接于滑块2的前面，二氧化碳检测探头30的下端穿过支撑板29下端的圆孔，二者同心且间隙配合，二氧化碳检测探针1上标有刻度；所述的电控箱I由外壳4、单片机电路板31、无线数据传输模块32和北斗导航卫星定位模块33组成，单片机电路板31、无线数据传输模块32和北斗导航卫星定位模块33均安装在外壳4内；所述的农田土壤及农作物碳排放感知系统，所述的集气罩8由外罩13和仿生锯齿14组成，其中外罩13呈圆管状，外径为D，仿生锯齿14由n个仿生凸刃17组成，仿生切割刀17固接于外罩13的下端圆周，且仿生切割刀17的内外端面与外罩13的内外端面平齐，相邻两个仿生切割刀17上部相叠加，叠加宽度d1满足
其中n＝πD/d，其中：n为大于80小于120的正整数。
所述的农田土壤及农作物碳排放感知系统，所述的二氧化碳含量检测模块23内安装有光源34、接收器35和绒毛36，其中二氧化碳含量检测模块23内部呈凹槽状，光源34固接于二氧化碳含量检测模块23内部凹槽右端，呈长方体状，接收器35位于二氧化碳含量检测模块23内部凹槽左端，呈长方体状，绒毛36位于二氧化碳含量检测模块23内部凹槽底端。
如图14所示，所述的农田土壤及农作物碳排放感知系统，所述的仿生凸刃17刃口曲线为仿芦荟叶片形状，以仿生凸刃17刃口曲线起始点与外罩13相交点为原点O，外罩13与仿生凸刃17底部交线沿周向展开为X轴，且以由下至上视图的顺时针方向为X轴正方向，沿外罩13轴向为Y轴，且沿轴向向下为Y轴正方向，仿生凸刃17刃口曲线fOMx满足：
其中：k1为缩放系数，为正数，无量纲。
如图15所示，本发明的工作过程和原理为：通过上位机A登录碳排放感知系统B；根据待测目标区域位置信息及检测方式需求，通过无线数据传输模块32在碳排放感知系统B上控制碳排放智能检测车C行走至目标区域位置；根据选定的检测方式，对二氧化碳排放量、温度、位置信息、时间进行检测；检测后的数据经碳排放感知系统B存储、上传至云端数据库管理平台；结合云端数据库管理平台其他数据信息，实现多维度数据的综合分析和整合，具体不同检测方式的作业过程如下：
1.土壤内部二氧化碳检测过程如下：
1.1碳排放智能检测车C行至指定目标区域位置后，依据设定的测量深度，通过登录碳排放感知系统B控制步进电机3，使丝杠滑块2沿丝杠28向下滑动，进而带动二氧化碳检测探头1降至指定刻度处，实现二氧化碳检测探头1插入目标区域位置设定测量深度，实时测量并上传至碳排放感知系统B；
1.2待检测结束后，通过登录碳排放感知系统B控制步进电机3，使丝杠滑块2沿丝杠28向上滑动，进而带动固体二氧化碳检测探头1升至地表以上安全区域后，进行下一目标区域位置作业；
2.土壤表层二氧化碳检测步骤如下：
2.1碳排放智能检测车C行至指定目标区域位置后，通过登录碳排放感知系统B控制电动推杆7向下移动，带动土壤表层二氧化碳检测装置E中的集气罩8顺时针旋转并向下移动，并通过集气管21将地表气体传输至集气装置F进行检测,通过温度传感器15进行地表实时温度检测，实时测量并上传至碳排放感知系统B；
2.2待检测结束后，通过登录碳排放感知系统B控制电动推杆7向上移动，带动土壤表层二氧化碳检测装置E中的集气罩8逆时针旋转并向上移动至地表以上安全区域后，进行下一目标区域位置作业。
Claims (2)
1.一种农田土壤及农作物碳排放感知系统，其特征在于：由上位机(A)、碳排放感知系统(B)和碳排放智能检测车(C)组成，所述的机架(D)由车架(5)、上支撑板(6)和下支撑板(10)组成，上支撑板(6)固接于车架(5)的上方，下支撑板(10)固接于车架(5)的下方；所述的表层二氧化碳检测装置(E)由电动推杆(7)、集气罩(8)、温度传感器(15)、集气管接头(16)和风扇对(18)组成，其中电动推杆(7)的下端套接于集气罩(8)的上端，风扇对(18)的两个风扇固接于集气罩(8)内壁上端前后两侧，温度传感器(15)固接于集气管接头(16)的上端；所述的集气装置(F)由集气箱(11)、换气管(19)、导管(20)、集气管(21)、集气阀(22)和二氧化碳含量检测模块(23)组成，换气管(19)、导管(20)、集气管(21)、集气阀(22)和二氧化碳含量检测模块(23)置于集气箱(11)内，其中二氧化碳含量检测模块(23)、导管(20)、集气阀(22)和集气管(21)由前到后依次连接，换气管(19)套接于二氧化碳含量检测模块(23)的上端口；所述的行走装置(G)由后轮对(9)、前轮对(12)、电源(24)、减震弹簧对(25)、后车轴(26)和前车轴(27)组成，其中电源(24)位于下支撑板(10)上方的集气箱(11)内，减震弹簧对(24)的2个减震弹簧套接于前车轴(27)左右两侧，前轮对(12)通过前车轴(27)与下支撑板(10)前端连接，后轮对(9)通过后车轴(26)与下支撑板(10)后端连接；所述的土壤内部二氧化碳检测装置(H)由二氧化碳检测探针(1)、滑块(2)、步进电机(3)、丝杠(28)、支撑板(29)、固体二氧化碳检测探头(30)组成，其中步进电机(3)固接于支撑板(29)上端，其下端的输出轴固接于丝杠(28)的上端，丝杠(28)与滑块(2)螺纹连接；丝杠(28)两端分别固接于支撑板(29)的上下两端，二氧化碳检测探头(30)固接于二氧化碳检测探针(1)的下端，二氧化碳检测探针(1)的上端固接于滑块(2)的前面，二氧化碳检测探头(30)的下端穿过支撑板(29)下端的圆孔，二者同心且间隙配合，二氧化碳检测探针(1)上标有刻度；所述的电控箱(I)由外壳(4)、单片机电路板(31)、无线数据传输模块(32)和北斗导航卫星定位模块(33)组成，单片机电路板(31)、无线数据传输模块(32)和北斗导航卫星定位模块(33)均安装在外壳(4)内；
所述的集气罩(8)由外罩(13)和仿生锯齿(14)组成，其中外罩(13)呈圆管状，外径为D，仿生锯齿(14)由n个仿生凸刃(17)组成，仿生切割刀(17)固接于外罩(13)的下端圆周，且仿生切割刀(17)的内外端面与外罩(13)的内外端面平齐，相邻两个仿生切割刀(17)上部相叠加，叠加宽度d1满足
其中n＝πD/d，其中：n为大于80小于120的正整数；
所述的仿生凸刃(17)刃口曲线为仿芦荟叶片形状，以仿生凸刃(17)刃口曲线起始点与外罩(13)相交点为原点O，外罩(13)与仿生凸刃(17)底部交线沿周向展开为X轴，且以由下至上视图的顺时针方向为X轴正方向，沿外罩(13)轴向为Y轴，且沿轴向向下为Y轴正方向，仿生凸刃(17)刃口曲线fOM(x)满足：
其中：k1为缩放系数，为正数，无量纲；
所述的二氧化碳含量检测模块(23)内安装有光源(34)、接收器(35)和绒毛(36)，其中二氧化碳含量检测模块(23)内部呈凹槽状，光源(34)固接于二氧化碳含量检测模块(23)内部凹槽右端，呈长方体状，接收器(35)位于二氧化碳含量检测模块(23)内部凹槽左端，呈长方体状，绒毛(36)位于二氧化碳含量检测模块(23)内部凹槽底端；上位机(A)、碳排放感知系统(B)和碳排放智能检测车(C)通过无线数据传输模块连接；其中碳排放智能检测车(C)由机架(D)、表层二氧化碳检测装置(E)、集气装置(F)、行走装置(G)、土壤内部二氧化碳检测装置(H)和电控箱(I)组成，土壤内部二氧化碳检测装置(H)的支撑板(29)固接于机架(D)的前端；集气装置(F)的集气箱(11)固接于机架(D)的下支撑板(10)上，集气装置(F)的集气管(21)与表层二氧化碳检测装置(E)的集气管接头(16)连接；行走装置(G)的前车轴(27)和后车轴(26)沿左右对称固接于机架(D)的下支撑板(10)下面前后两端；电控箱(I)的外壳(4)固接于机架(D)的上支撑板(6)的上表面；表层二氧化碳检测装置(E)通过电动推杆(7)左右对称固接于机架(D)的上支撑板(6)后侧的下表面。
2.一种基于权利要求1所述系统的农田土壤及农作物碳排放感知方法，其特征在于包括下列步骤：
2.1通过上位机(A)登录碳排放感知系统(B)；
2.2根据待测目标区域位置信息及检测方式需求，通过无线数据传输模块(32)在碳排放感知系统(B)上控制碳排放智能检测车(C)行走至目标区域位置；
2.3根据选定的检测方式，对二氧化碳排放量、温度、位置信息、时间进行检测；
2.4检测后的数据经碳排放感知系统(B)存储、上传至云端数据库管理平台；
2.5结合云端数据库管理平台其他数据信息，实现多维度数据的综合分析和整合，具体不同检测方式的作业过程如下：
2.5.1土壤内部二氧化碳检测过程如下：
2.5.1.1碳排放智能检测车(C)行至指定目标区域位置后，依据设定的测量深度，通过登录碳排放感知系统(B)控制步进电机(3)，使滑块(2)沿丝杠(28)向下滑动，进而带动二氧化碳检测探针(1)降至指定刻度处，实现二氧化碳检测探针(1)上的二氧化碳检测探头(30)插入目标区域位置设定测量深度，实时测量并上传至碳排放感知系统(B)；
2.5.1.2待检测结束后，通过登录碳排放感知系统(B)控制步进电机(3)，使滑块(2)沿丝杠(28)向上滑动，进而带动二氧化碳检测探针(1)升至地表以上安全区域后，进行下一目标区域位置作业；
2.5.2土壤表层二氧化碳检测过程如下：
2.5.2.1碳排放智能检测车(C)行至指定目标区域位置后，通过登录碳排放感知系统(B)控制电动推杆(7)向下移动，带动土壤表层二氧化碳检测装置(E)中的集气罩(8)顺时针旋转并向下移动，并通过集气管(21)将地表气体传输至集气装置(F)进行检测，通过温度传感器(15)进行地表实时温度检测，实时测量并上传至碳排放感知系统(B)；
2.5.2.2待检测结束后，通过登录碳排放感知系统(B)控制电动推杆(7)向上移动，带动土壤表层二氧化碳检测装置(E)中的集气罩(8)逆时针旋转并向上移动至地表以上安全区域后，进行下一目标区域位置作业。
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