CN115656276A - 一种基于zynq和机器嗅觉的土壤养分自动检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ZYNQ和机器嗅觉的土壤养分自动检测系统，包括进气部、裂解部、反应检测部和控制部，所述裂解部包括裂解室和配合裂解室的加热组件，所述进气部包括惰性气体罐和微型真空泵，所述第一气路组件包括二位三通电磁阀，所述反应检测部包括密闭反应室和信号调理电路，所述信号调理电路包含将密闭反应室内传感器输出的电阻信号转换成气体浓度信号的电路，所述第二气路组件包括涡管冷却枪和二位二通电磁阀，所述控制部包括以ZYNQ处理器为核心的多路采集控制端和上位机端，本发明的优点在于利用ZYNQ处理器结合多路气体传感器建立土壤养分检测模型，完成对土壤养分的精准、快速测定，解决农业生产对土壤养分检测的实际需要。

Description

一种基于ZYNQ和机器嗅觉的土壤养分自动检测系统

技术领域

本发明涉及一种土壤养分检测系统，具体地说，是一种基于ZYNQ和机器嗅觉的土壤养分自动检测系统。

背景技术

土壤养分是由土壤提供的植物生长所必须的营养元素，适当的有机质、氮、磷、钾等养分对促进植物的生长，营养的运输，提高作物抗旱、抗寒能力等均有着极大的影响作用。因此实时、快速检测土壤中有机质、氮、磷、钾等养分的含量，对促进生态平衡、保证农作物健康生长、合理施肥、预报预警土壤污染等具有重要意义。

目前，土壤养分含量检测大多采用化学试剂法、气相色谱法等。化学方法测定存在时间长、操作复杂等问题，且不同营养元素的测量方法不同，需分别测定各养分含量；气相色谱法大多采用色谱质谱仪进行检测，设备复杂，价格昂贵，对操作人员要求较高。

本发明利用温控裂解后的土壤气体，选取多个气体传感器，对裂解气中的甲烷、氨气、三甲胺、丁烷、异丁烷、硫化氢、乙醇等分别完成定量检测，构建基于ZYNQ处理器与多路气体传感器的土壤养分嵌入式检测系统，实现自动化的同时，反应土壤的本质特征信息，为实现对土壤养分进行快速、精准检测提供技术支持。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于ZYNQ和机器嗅觉的土壤养分自动检测系统。

技术方案：本发明所述一种基于ZYNQ和机器嗅觉的土壤养分自动检测系统，包括进气部、裂解部、反应检测部和控制部，所述进气部与裂解部之间设有第一气路组件，所述裂解部与反应检测部之间设有第二气路组件；

所述裂解部包括裂解室和配合裂解室的加热组件；

所述进气部包括惰性气体罐和微型真空泵，所述第一气路组件包括二位三通电磁阀，所述二位三通电磁阀包括第一进气端、第二进气端和出气端，所述惰性气体罐和微型真空泵分别连接在第一进气端和第二进气端上；

所述反应检测部包括密闭反应室和信号调理电路，所述信号调理电路包含将密闭反应室内传感器输出的电阻信号转换成气体浓度信号的电路，所述第二气路组件包括涡管冷却枪和二位二通电磁阀，所述裂解室连接在涡管冷却枪的进气端上，所述涡管冷却枪的出气端和密闭反应室分别连接在二位二通电磁阀的两端；

所述控制部包括以ZYNQ处理器为核心的多路采集控制端和上位机端，所述信号调理电路依次连接多路采集控制端和上位机端，所述多路采集控制端上连接有功率放大器并通过功率放大器连接在微型真空泵、加热组件、二位三通电磁阀、二位二通电磁阀和二位二通电磁阀。

作为优选的，所述涡流冷却枪包括冷端和热端，所述热端设有温度控制阀和废热排气口，所述冷端连接在密闭反应室上。

作为优选的，所述多路采集控制端内置有信号采集芯片，所述信号采集芯片选型为基于SPI传输协议的AD7720芯片，芯片采样率最高可达1MHz且采样率可控，并利用ZYNQ部分的逻辑资源，完成ADC接口时序，接收气体传感器阵列信号实现模数转换，同时采用千兆以太网可满足实时传输需求。

作为优选的，所述信号调理电路利用电阻分压原理，通过测量负载电压，得到传感器内阻的电压和内阻的变化值，从而得到气体的浓度变化，并利用跟随电路提高采集模块带负载能力。

作为优选的，所述加热组件包括设置在裂解室下方的加热陶瓷片。

作为优选的，所述多路采集控制端包括配合微型真空泵的流量控制组件、传感器阵列、传感器电压信号采集组件和配合加热组件的控温组件。

作为优选的，所述上位机端(15)包括建立土壤气体特征空间、原始特征空间降维与优化、建立预测模型，上位机端建立土壤养分预测模型的方法是：

(1)通过土壤裂解气体响应曲线选择积分值、相对稳定状态均值、能量值、最大梯度值、平均微分值、方差值等构建特征空间；

(2)利用主成分分析(PCA)算法计算相关主成分方差贡献率及累计贡献率，提取相关主成分，对原始特征空间数据集进行降维与优化；

(3)将土壤样本的嗅觉特征空间分成训练集和测试集，构建K近邻(KNN)、支持向量机(SVM)、随机森林(RF)预测模型，并采用训练集对模型的建模参数进行优化，同时采用测试集对模型进行预测。结合精度评价(OA、Kappa系数)指标对训练后的模型进行精度评估。

本发明相比于现有技术具有以下有益效果：(1)以进气部、裂解部和反应检测部为主体结构构建线性的裂解及检测气路，以控制部实现裂解及检测气路的总控，装置结构简洁，工作过程中可以有效排除外界干扰及污染；

(2)本发明多路采集控制端可用于微型真空泵流量调节、气体传感器阵列信号采集、传感器阵列通道选择、电磁阀工作状态切换以及裂解室温度高精度控制，实现自动化检测的同时，提高工作效率、抗干扰能力强；本发明土壤养分检测嵌入式系统，基于ZYNQ与多路气体传感器实现原始土壤养分气体数据采集传输的同时，结合上位机构建多种预测模型，为土壤养分检测系统提供了新的思路。

附图说明

图1是基于ZYNQ和机器嗅觉的土壤养分自动检测系统示意图；

图2是涡管冷却枪内部示意图；

图3是基于ZYNQ和机器嗅觉的土壤养分自动检测系统流程图；

图4是信号调理电路示意图；

图5多路采集控制端的单路A/D采集及前端处理电路图；

图6是多路采集控制端的以太网传输流程图；

图7是上位机端建立土壤养分预测模型的流程图。

图中件号说明：

1、惰性气体罐、2、微型真空泵、3、二位三通电磁阀、4、土壤样本、5、裂解室、6、加热陶瓷片、7、二位二通电磁阀、8、涡管冷却枪、9、气体传感器阵列、10、密闭反应室、11、二位二通电磁阀(电磁阀3)、12、信号调理电路、13、功率放大器、14、多路采集控制端、15、上位机端、16、消音器；17、万向软管；18、冷端；19、热端；20、废热排气口；21、温度控制阀。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，也可以是通讯连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介的间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

请参阅图1，本发明实施例提供一种基于ZYNQ和机器嗅觉的土壤养分自动检测系统，惰性气体罐1、微型真空泵2分别作为二位三通电磁阀3进气端的第一路、第二路，所述二位三通电磁阀3出气端与裂解室5连通，在裂解室5的下方放置加热陶瓷片6，二位二通电磁阀7将裂解室5与涡管冷却枪8进气口连通，气体传感器阵列9配装在密闭反应室10内，涡管冷却枪8冷端与密闭反应室10连通，密闭反应室10与和二位二通电磁阀11连通，密闭反应室10与信号调理电路12连接，信号调理电路12通过传感器内阻变化得到气体浓度变化，依次与以ZYNQ处理器为核心的多路采集控制端14、上位机端15连接，多路采集控制端14通过功率放大器13与微型真空泵2、加热陶瓷片6、二位三通电磁阀3、二位二通电磁阀7、二位二通电磁阀11连接。

微型真空泵2，在额定工作电压范围内，可通过调节电压控制流量大小，同样负荷下，降低电压，转速越低，流量越小，反之则越高。

请参阅图2，涡管冷却枪8将裂解气体分成冷热两股气流，调节涡管冷却枪8的热端19的温度控制阀21，控制冷端18输出气体的流量大小、温度高低，使热气流经消声器16通过废热排气口20排出，冷气流经万向软管17通过冷端18排出。

二位三通电磁阀3，可长时间保持关闭或打开状态，采用二进一出控制方式(ZC2/32)：当电磁阀线圈通电时，出气端打开，进气端第一路打开，第二路关闭；当电磁阀线圈断电时，出气端打开，进气端第一路关闭，第二路打开。

二位二通电磁阀7、二位二通电磁阀11均为直流式电磁阀，可长时间保持关闭或打开状态，通电时，电磁线圈产生电磁力将关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧将关闭件压在阀座上，阀门关闭。

传感器阵列9可对土壤裂解后的气体产生特异性响应，选取多个气体传感器，对甲烷、氨气、三甲胺、丁烷、异丁烷、硫化氢、乙醇等分别完成定量检测。

请参阅图3，以ZYNQ处理器为核心的多路采集控制端14包括多通道A/D芯片、DMA驱动、DDR控制器、LWIP等。

请参阅图3，以ZYNQ处理器为核心的多路采集控制端14的PS端的AXI-GPIO通过功率放大器13适配高功率，调节微型真空泵2气体流量大小，切换电磁阀1、2、3的工作状态，控制加热陶瓷片6升温速率及裂解温度，实现高精度自动化控制。

请参阅图4，信号调理电路12利用电阻分压原理，通过测量负载电压，得到传感器内阻的电压和内阻的变化值，从而得到气体的浓度变化，并利用跟随电路提高采集模块带负载能力。

以ZYNQ处理器为核心的多路采集控制端14将信号采集芯片选型为基于SPI传输协议的AD7720芯片，芯片采样率最高可达1MHz且采样率可控。

以ZYNQ处理器为核心的多路采集控制端14可通过使用ZYNQ部分的逻辑资源，完成ADC接口时序，接收气体传感器阵列9信号实现模数转换。

请参阅图5，以ZYNQ处理器为核心的多路采集控制端14采用千兆以太网可满足实时传输需求，其中单路A/D采集及前端双极信号处理电路，电路输入信号范围为±1.25V，芯片VIN+引脚处会产生一个0V到2.5V的信号。对于单端输入应用，将VIN-偏置电压设置为1.25V时，可获得最佳的THD性能。

以ZYNQ处理器为核心的多路采集控制端14读取A/D芯片采集数据后，经过AXI-Stream数据流协议转换，送入AXI Stream Data FIFO的slave接口，最终由DMA直接传输至DDR3内存中，通过LWIP轻量级嵌入式TCP/IP协议开发网络传输模块，将DDR3内存中的数据打包压缩通过以太网接口传输至上位机端15。以太网软件开发流程图请参阅图6。

请参阅图7，上位机端15包括提取土壤裂解气体特征空间、特征空间降维和优化、土壤养分预测模型的建立及评估。

本发明的工作流程为：

(1)裂解阶段：将采集到的土壤样本4放置在裂解室5的中央裂解区域，利用多路采集控制端14经功率放大器13对加热陶瓷片6进行温度控制，使温度以30-50℃/min的速率升至300-500℃，完成土壤样本4的裂解；

(2)注气阶段：打开惰性气体罐1，多路采集控制端14经功率放大器13给二位三通电磁阀3、二位二通电磁阀7线圈通电，使土壤样本4裂解出的气体在惰性气体的推动下，注入到涡管冷却枪8进气口中；

(3)冷却阶段：利用涡管冷却枪8将裂解气体分成冷热两股气流，同时调节涡管冷却枪8热端的温度控制阀，控制冷端输出气体的流量大小、温度高低，使热气流经消声器通过排气口排出，冷气流经万向软管排向密闭反应室10中；

(4)反应阶段：选取多个气体传感器构成气体传感器阵列9，在密闭反应室10中实时监测识别甲烷、氨气、三甲胺、丁烷、异丁烷、硫化氢、乙醇等化合物热裂解气体及其浓度，密闭反应室10经过信号调理电路12通过传感器内阻变化得到气体浓度变化，被以ZYNQ处理器为核心的多路采集控制端14所采集；

(5)上位机建立预测模型：将多路采集控制端14中采集到的数据通过以太网接口传输至上位机端15，选择积分值、相对稳定状态均值、能量值、最大梯度值、平均微分值、方差值等构建特征空间，通过主成分分析(PCA)特征优化算法对原始特征空间进行降维和优化，将土壤样本的嗅觉特征空间分成训练集和测试集，构建K近邻(KNN)、支持向量机(SVM)、随机森林(RF)预测模型，结合精度评价(OA、Kappa系数)指标对训练后的模型进行精度评估；

(6)排气阶段：检测完成后，多路采集控制端14经功率放大器13给二位三通电磁阀3线圈进行断电，并给二位二通电磁阀11线圈进行通电，同时调节微型真空泵2气体流量大小，依次将裂解室5、涡管冷却枪8、密闭反应室10中的残留气体排出。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一特征和第二特征直接接触，或第一特征和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。

而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任意一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于ZYNQ和机器嗅觉的土壤养分自动检测系统，其特征在于：包括进气部、裂解部、反应检测部和控制部，所述进气部与裂解部之间设有第一气路组件，所述裂解部与反应检测部之间设有第二气路组件；

所述裂解部包括裂解室和配合裂解室的加热组件；

所述进气部包括惰性气体罐和微型真空泵，所述第一气路组件包括二位三通电磁阀，所述二位三通电磁阀包括第一进气端、第二进气端和出气端，所述惰性气体罐和微型真空泵分别连接在第一进气端和第二进气端上；

所述反应检测部包括密闭反应室和信号调理电路，所述信号调理电路包含将密闭反应室内传感器输出的电阻信号转换成气体浓度信号的电路，所述第二气路组件包括涡管冷却枪和二位二通电磁阀，所述裂解室连接在涡管冷却枪的进气端上，所述涡管冷却枪的出气端和密闭反应室分别连接在二位二通电磁阀的两端；

所述控制部包括以ZYNQ处理器为核心的多路采集控制端和上位机端，所述信号调理电路依次连接多路采集控制端和上位机端，所述多路采集控制端上连接有功率放大器并通过功率放大器连接在微型真空泵、加热组件、二位三通电磁阀、二位二通电磁阀和二位二通电磁阀。

2.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ和机器嗅觉的土壤养分自动检测系统，其特征在于：所述涡流冷却枪包括冷端和热端，所述热端设有温度控制阀和废热排气口，所述冷端连接在密闭反应室上。

3.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ和机器嗅觉的土壤养分自动检测系统，其特征在于：所述多路采集控制端内置有信号采集芯片，所述信号采集芯片选型为基于SPI传输协议的AD7720芯片，芯片采样率最高可达1MHz且采样率可控，并利用ZYNQ部分的逻辑资源，完成ADC接口时序，接收气体传感器阵列信号实现模数转换，同时采用千兆以太网可满足实时传输需求。

4.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ和机器嗅觉的土壤养分自动检测系统，其特征在于：所述信号调理电路利用电阻分压原理，通过测量负载电压，得到传感器内阻的电压和内阻的变化值，从而得到气体的浓度变化，并利用跟随电路提高采集模块带负载能力。

5.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ和机器嗅觉的土壤养分自动检测系统，其特征在于：所述加热组件包括设置在裂解室下方的加热陶瓷片。

6.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ和机器嗅觉的土壤养分自动检测系统，其特征在于：所述多路采集控制端包括配合微型真空泵的流量控制组件、传感器阵列、传感器电压信号采集组件和配合加热组件的控温组件。

7.根据权利要求1所述的一种基于ZYNQ和机器嗅觉的土壤养分自动检测系统，其特征在于：所述上位机端包括建立土壤气体特征空间、原始特征空间降维与优化、建立预测模型，上位机端建立土壤养分预测模型的方法是：

(1)通过土壤裂解气体响应曲线选择积分值、相对稳定状态均值、能量值、最大梯度值、平均微分值、方差值等构建特征空间；

(2)利用主成分分析(PCA)算法计算相关主成分方差贡献率及累计贡献率，提取相关主成分，对原始特征空间数据集进行降维与优化；

(3)将土壤样本的嗅觉特征空间分成训练集和测试集，构建K近邻(KNN)、支持向量机(SVM)、随机森林(RF)预测模型，并采用训练集对模型的建模参数进行优化，同时采用测试集对模型进行预测。结合精度评价(OA、Kappa系数)指标对训练后的模型进行精度评估。

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