CN115754245A - 农田土壤不同深度淋溶氮素联网监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种农田土壤不同深度淋溶氮素联网监测系统，用以解决现有土壤淋溶氮素监测需要现场取样、实验室分析，无法在线监测的技术问题。本发明包括联网监测云平台和建设在农田耕作区、山坡地、种养结合区的多个个不同地块下抽取不同土壤深度的氮素淋溶液体的取样井，至少两个取样井与一个监测站相连接，多个监测站分别通过无线通讯或光纤通讯与联网监测云平台相连接，联网监测云平台与智能移动设备相连接。本发明简化土壤淋溶氮素的取样方法，及时获取不同土壤深度的淋溶氮素溶液，并自动输送至检测单元进行现场检测，取得实时监测数据；土壤淋溶氮素取样由土壤含水量数据自动启动，极大节约人工取样成本。

Description

农田土壤不同深度淋溶氮素联网监测系统

技术领域

本发明涉及联网监测的技术领域，尤其涉及一种农田土壤不同深度淋溶氮素联网监测系统。

背景技术

目前对土壤中氮素淋溶液体的取样方法主要有渗漏池法、田间土柱法、陶土吸力杯法、集水槽法和自流式田间土壤淋溶原位检测法。这些方法存在如下问题：（1）渗漏池法需要开挖壕沟以采集样品，施工量大，成本高。（2）田间土柱法需要施加负压将土壤淋溶液抽入采样瓶，改变了土壤水流场，无法准确测算田间实际淋溶液通量。（3）陶土吸力杯法只能采集某一点的土壤溶液，土壤断面需多个采集器提取土壤溶液，成本大幅增加。（4）集水槽法需开挖水槽上方土体，破坏了自然状态下的土壤水分运动状态。（5）自流式田间土壤淋溶原位检测法，需田间开挖、回填、安装淋溶盘，土壤含水量达到饱和状态才能流出土壤淋溶液。以上方法取样后仍需实验室分析检测。

申请号为202220327022.9的实用新型专利公开了一种农田面源污染地下淋溶自动智能监测站，包括采样组件和调节组件，所述采样组件包括监测站主体，所述调节组件包括安装板、固定板、滑槽、滑块、连接座、抽水管、电动缸、连接板、连接杆、安装座、水泵和软管；所述安装板的上表面对称焊接有两个固定板，两个所述固定板的相邻一侧均开设有滑槽；该实用新型的监测站主体的内部底壁分别安装有总磷分析仪和总氮分析仪，监测站主体的内部一侧安装有工控机，便于将总磷分析仪和总氮分析仪所得数据汇总到工控机，由工控机借助互联网传输到云平台，完成数据自动采集的全流程，数据真实可靠，不需要人工参与，不受人工因素影响，提升监测工作的及时性和准确性。但是，该实用新型专利未涉及从土壤中提取淋溶液体的方法；其上下移动抽水管位置的目的是从容器中抽取更多的淋溶液体，表明其测试系统的淋溶液体的消耗量更大。

发明内容

针对现有土壤淋溶氮素监测需要现场取样、实验室分析，无法在线监测的技术问题，本发明提出一种农田土壤不同深度淋溶氮素联网监测系统，实现了从土壤中直接提取少量淋溶液体的现场取样、现场分析检测、检测结果无线（或光纤）传输的长期自动监测的目的。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种农田土壤不同深度淋溶氮素联网监测系统，包括联网监测云平台和建设在农田耕作区、山坡地、种养结合区的多个不同地块下抽取不同土壤深度的氮素淋溶液体的取样井，至少两个取样井与一个监测站相连接，多个监测站分别通过无线通讯或光纤通讯与联网监测云平台相连接，联网监测云平台与智能移动设备相连接。

优选地，所述智能移动设备包括计算机、智能手机和\或平板电脑，计算机、智能手机和平板电脑均通过网络与联网监测云平台相连接。

优选地，所述计算机、智能手机和平板电脑上均设有与联网监测云平台相匹配的监测应用单元，监测应用单元包括身份认证模块、实时显示模块、异步查询模块、设置参数模块和远程操作模块。

优选地，所述联网监测云平台包括数据存储服务模块、数据推送服务模块、数据查询服务模块、数据分析计算服务模块和远程操作服务模块，所述数据查询服务模块与监测应用单元中的异步查询模块相匹配，远程操作模块与远程操作服务模块相匹配，实时显示模块与数据推送服务模块相匹配。

优选地，所述监测站包括微处理器板，微处理器板通过通信接口分别与联网监测云平台和取样井相连接；所述微处理器板分别与显示屏、淋溶液定量化部件、反应辅助部件、光电探测模块、环境参数测量单元和环境参数控制单元相连接；所述反应辅助部件设置在化学反应腔的下部，反应辅助部件扰动化学反应腔中的混合液，使淋溶液体与试剂完全反应；所述光电探测模块设置在化学反应腔外，化学反应腔与废液回收部件相连通；所述微处理器板通过环境参数测量单元实时监测环境监测参数，定时上传到联网监测云平台进行存储，供智能移动设备查询；如果环境参数超过微处理器板存储的环境参数值，启动环境参数控制单元将环境参数控制在设定的参数范围内。

优选地，所述通信接口包括无线通讯模块、光纤通讯模块和若干个RS485通讯模块，无线通讯模块、光纤通讯模块与联网监测云平台相连接，RS485通讯模块与取样井相连接。

优选地，所述淋溶液定量化部件与试剂组件相连接，淋溶液定量化部件从试剂组件中提取反应所需的试剂并输送至化学反应腔；所述反应辅助部件连接洗液部件，检测结束后，洗液部件清洗淋溶液定量化部件、化学反应腔及光电探测模块的测试通道，并将废液送入废液回收部件中存储。

优选地，所述取样井包括取样控制电路板，取样控制电路板分别与土壤水分传感器、RS485通讯模块、取样部件、蠕动泵相连接，取样部件与陶土管相匹配，陶土管和土壤水分传感器设置在取样井外的土壤中，取样部件上设有液位传感器，液位传感器与取样控制电路板相连接；所述取样部件通过蠕动泵与监测站的淋溶液定量化部件相连接；所述RS485通讯模块与监测站的RS485通讯模块相匹配。

优选地，所述取样井内设有土壤温度传感器和温湿度传感器，温湿度传感器设置在取样井内，土壤温度传感器设置在陶土管附近的土壤中，土壤温度传感器和温湿度传感器均与取样控制电路板相连接。

优选地，所述监测站的环境参数控制单元内设有通风设备，通风设备通过管道与取样井相连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果：一个监测站可连接多个地下取样井，获取不同土壤深度的淋溶液体；简化土壤淋溶氮素的取样方法，及时获取不同土壤深度的少量淋溶氮素溶液，自动输送至检测单元进行现场检测，取得实时监测数据；土壤淋溶氮素取样由土壤含水量数据自动启动，无需人工干预；亦可人工通过智能移动设备发送取样命令实时启动取样操作；极大节约人工取样成本。本发明包括一个位于农田地面的监测站（包括监测仪器、通信设备等）与多个位于不同田块的农田地下的淋溶氮素取样井，多田块多点监测降低了监测仪器的使用成本，淋溶氮素取样井位于农田地下，不影响机械化耕作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的原理框图。

图3为图2所示的智能移动设备的原理框图。

图4为图2所示的监测应用单元的原理框图。

图5为图2所示的联网监测云平台的原理框图。

图6为图2所示的监测站的原理框图。

图7为图2所示取样井的原理框图。

图中，1为智能移动设备，11为计算机，12为智能手机，13为平板电脑；2为监测应用单元，21为身份认证模块，22为实时显示模块，23为异步查询模块，24为设置参数模块，25为远程操作模块；3为联网监测云平台，31为数据存储服务模块，32为数据推送服务模块，33为数据查询服务模块，34为数据分析计算服务模块，35为远程操作服务模块；4为监测站，40为微处理器板，41为显示屏，42为通讯接口，43为淋溶液定量化部件，44为化学反应腔，45为光电探测模块，46为反应辅助部件，47为废液回收部件，48为环境参数测量单元，49为环境参数控制单元，421为无线通讯模块，422为光纤通讯模块，423为RS485通讯模块，431为试剂组件，461为洗液组件；5为取样井，50为取样控制电路板，51为土壤水分传感器，52为土壤温度传感器，53为取样井温湿度传感器，54为液位传感器，55为RS485通讯模块，56为陶土管，57为取样部件，58为蠕动泵。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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付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。

如图1和图2所示，一种农田土壤不同深度淋溶氮素联网监测系统，包括联网监测云平台3和建设在农田耕作区、山坡地、种养结合区的多个不同地块下抽取不同土壤深度的氮素淋溶液体的取样井5，至少两个取样井5与一个监测站4相连接，即一个监测站4可以监测多个取样井的测量数据。多个监测站4分别通过无线通讯或光纤通讯与联网监测云平台3相连接，联网监测云平台3可以实现多个监测站4的数据监测和远程控制。联网监测云平台3与智能移动设备1相连接，通过智能移动设备1可以实现远程控制。

如图3所示，所述智能移动设备1包括计算机11、智能手机12和\或平板电脑13，计算机11、智能手机12和平板电脑13均通过无线网络或有线网络与联网监测云平台3相连接。计算机11、智能手机12、平板电脑13等可运行相应的应用程序且具有无线或有线通信功能，借助网络从联网监测云平台3提供的相应服务，获取监测数据、设置监测参数、执行远程操作等功能。

如图2所示，所述计算机11、智能手机12和平板电脑13上均设有与联网监测云平台3相匹配的监测应用单元2，计算机11、智能手机12和平板电脑13通过监测应用单元2与联网监测云平台3相连接。如图4所示，监测应用单元2包括身份认证模块21、实时显示模块22、异步查询模块23、设置参数模块24和远程操作模块25，分别实现用户登录、实时数据显示、查询数据、设置参数、远程操作等功能。监测应用单元2通过计算机程序实现，可以跨平台运行在不同的智能移动设备上，如运行Windows、Linux系统的计算机，运行安卓系统、鸿蒙系统的手机或平板电脑等。

如图5所示，联网监测云平台3由云平台供应商提供的基础服务及厂商提供的专用服务组成，所述联网监测云平台3包括数据存储服务模块31、数据推送服务模块32、数据查询服务模块33、数据分析计算服务模块34和远程操作服务模块35，分别实现监测数据的云端存储、智能设备订阅数据的自动推送、智能设备查询云端存储的相关数据、云端存储数据的统计、分析、计算以及授权用户的远程操作等功能。所述数据查询服务模块33与监测应用单元2中的异步查询模块23相匹配，远程操作模块25与远程操作服务模块35相匹配，实时显示模块22与数据推送服务模块32相匹配。这些服务功能简化了智能移动设备端的程序设计，可使智能移动设备成为监测系统的显示器。

如图6所示，所述监测站4包括微处理器板40，微处理器板40通过通信接口42分别与联网监测云平台3和取样井5相连接。所述通信接口42包括无线通讯模块421、光纤通讯模块422和若干个RS485通讯模块423，无线通讯模块421、光纤通讯模块422与联网监测云平台3相连接，提供与联网监测云平台3的无线、光纤连接。RS485通讯模块423与取样井5的RS485通讯模块55相连接，实现与取样井的数据通信。

微处理器板40分别与显示屏41、淋溶液定量化部件43、反应辅助部件46、光电探测模块45、环境参数测量单元48和环境参数控制单元49相连接；显示屏41用于显示现场操作、测量界面。淋溶液定量化部件43包括注射泵、多通道旋转阀等部件，提取指定体积的淋溶液体并输送到化学反应腔44。反应辅助部件46包括蠕动泵、电磁阀等部件，设置在化学反应腔44的下部，反应辅助部件46扰动化学反应腔44中的混合液，使淋溶液体与试剂完全反应。所述光电探测模块45设置在化学反应腔44外，化学反应腔44与光电探测模块45相连通，两者均与废液回收部件47相连通，化学反应腔44用于进行淋溶液体与指定试剂的化学反应，废液回收部件47为废液桶，用于收集反应后的溶液。微处理器板40通过环境参数测量单元48实时监测环境监测参数，定时上传到联网监测云平台3的数据存储服务模块31进行存储，供智能移动设备1查询；如果环境参数超过微处理器板40存储的环境参数值，启动环境参数控制单元49将环境参数控制在设定的参数范围内。环境参数测量单元48包括设置在监测站4外部的小型气象站（监测大气温湿度、风速、降雨等气象参数）以及设置在监测站4内部的温湿度传感器、烟雾传感器、火灾报警器等设备，记录监测站附近的气象信息，以及监测站内部的温湿度及烟雾、火灾等异常信息。淋溶液定量化部件43与试剂组件431相连接，试剂组件431包括多通道旋转阀，每个通道连接一种试剂，微处理器板40控制多通道旋转阀，接通其中的一种试剂，淋溶液定量化部件43定量提取这种试剂并输送至化学反应腔44。淋溶液定量化部件43、化学反应腔44、反应辅助部件46、光电探测模块45、废液回收部件47之间均由管道连接。反应辅助部件46连接洗液部件461，洗液部件461用于清洗淋溶液定量化部件43、化学反应腔44及光电探测模块45的测试通道。

监测站4收到取样井5的取样部件57输送的土壤氮素淋溶液体后，微处理器板40控制淋溶液定量化部件43提取指定体积的淋溶液体，输送到化学反应腔44；微处理器板40控制淋溶液定量化部件43，从试剂组件431中提取一种试剂，并输送到化学反应腔44中。微处理器板40控制反应辅助部件46扰动化学反应腔44中的混合液，使淋溶液体与试剂完全反应。微处理器板40控制淋溶液定量化部件43从试剂组件431中，依次提取反应所需的其它试剂，输送到化学反应腔44中，与混合液完全反应。

微处理器板40控制反应辅助部件46将化学反应腔44中反应完全的待测溶液经连接管道输送到光电探测模块45中进行光谱检测，检测后的待测溶液流入废液回收部件47。微处理器板40分析光电探测模块45输出的光电信号，使用微处理器板40中存储的校准曲线参数，计算淋溶氮素的含量值，送到显示屏41进行显示，同时通过通讯接口42，经无线通讯模块421或光纤通讯模块422，上传测试结果到联网监测云平台3进行存储，供智能移动设备1通过异步查询模块23查询。

土壤淋溶氮素检测结束后，微处理器板40控制反应辅助部件46从洗液组件461中抽取洗液清洗淋溶液定量化部件43、化学反应腔44及光电探测模块45的测试通道，流入废液回收部件47存储，然后等待取样井送来下一个土壤氮素淋溶液体，开始下一次检测。

微处理器板40实时监测环境参数测量单元48的环境监测参数，定时上传到联网监测云平台3进行存储，供智能设备查询。如果环境参数超过微处理器板40存储的环境参数值，启动环境参数控制单元49将环境参数控制在设定的参数范围内。如取样井内部湿度参数超过范围，将启动通风设备降低取样井内部的湿度。

如图7所示，取样井5安装有取样控制装置，取样井5包括取样控制电路板50，取样控制电路板50分别与土壤水分传感器51、RS485通讯模块55、取样部件57、蠕动泵58相连接，取样部件57与陶土管56相连接，陶土管56的作用是从土壤中抽取氮素淋溶液体。取样部件57上设有液位传感器54，液位传感器54与取样控制电路板50相连接，取样部件57通过蠕动泵58与监测站4的淋溶液定量化部件43相连接。土壤水分传感器51用于测量取样井外土壤的水分，液位传感器54用于测量取样部件57中的淋溶液的液位。取样部件57用于从土壤中抽取氮素淋溶液体，包括连接管道、负压泵、集液器及相应的电磁阀。取样部件57经连接管道与安装在取样井4外部土壤中的陶土管56连接，施加负压后从土壤中抽取氮素淋溶液体到集液器。集液器中的氮素淋溶液体经连接管道、由蠕动泵58输送到监测站4。取样井5的内壁上设有温湿度传感器53，用于监测取样井的环境温湿度。土壤温度传感器52设置在陶土管56附近的土壤内。土壤温度传感器52和温湿度传感器53均与取样控制电路板50相连接。取样井5的RS485通讯模块55与监测站4的RS485通讯模块423经RS485总线（物理介质为光纤或铜缆）相连接，用于数据传输。

分布于农田地下的取样井5设置在农田的相同深度。取样井5的井壁上开有水平的开孔，陶土管56、土壤水分传感器51及土壤温度传感器52穿过井壁上的水平的开孔，伸入土壤中钻出的水平小孔中，与土壤紧密接触，获取土壤的水分含量及土壤的温度参数。井壁上有多个距离地面深度不同的的水平开孔，均有密封措施，避免土壤水分进入取样井。

进一步地，所述取样井5内设有通风管道，通风管道与监测站4相连接。通过监测站的环境参数控制单元49可以控制通风设备经通风管道对取样井进行通风。温湿度传感器53实时采集取样井的环境湿度，湿度信号输送到取样控制电路板50，经RS485通讯模块55传输到监测站4的微处理板40，并在显示屏41上显示。当取样井的环境湿度超过设定的范围，微处理板40启动环境参数控制单元49中的风机向取样井底部注入干燥空气，降低取样井的环境湿度。

取样控制电路板50按照设定的时间间隔，周期性地监测土壤水分传感器51的输出信号，与系统内部设置的土壤水分参数比较，超过该参数后，驱动取样部件57经过陶土管56，从土壤中抽取土壤氮素淋溶液体。取样部件57上安装的液位传感器54检测取样部件57的液位变化，达到设置的液位后，停止抽取土壤氮素淋溶液体；取样控制电路板50启动蠕动泵58，将土壤氮素淋溶液体输送到监测站4的淋溶液定量化部件43。取样井5与监测站4之间通过电缆套管连接，电缆套管内部有电源电缆、通讯电缆（或通讯光纤）、土壤淋溶液体输送管道、通风及排水管道等。

土壤温度传感器52检测的温度信号也被取样控制电路板50周期性的采集，传输到监测站4的微处理板40，并在显示屏41上显示。取样井5的环境湿度信号、土壤水分信号、土壤温度信号，由监测站4的微处理板40持续上传到联网监测云平台3存储并分析计算，以便智能移动设备1查询。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种农田土壤不同深度淋溶氮素联网监测系统，其特征在于，包括联网监测云平台（3）和建设在农田耕作区、山坡地、种养结合区的多个不同地块下抽取不同土壤深度的氮素淋溶液体的取样井（5），至少两个取样井（5）与一个监测站（4）相连接，多个监测站（4）分别通过无线通讯或光纤通讯与联网监测云平台（3）相连接，联网监测云平台（3）与智能移动设备（1）相连接。

2.根据权利要求1所述的农田土壤不同深度淋溶氮素联网监测系统，其特征在于，所述智能移动设备（1）包括计算机（11）、智能手机（12）和\或平板电脑（13），计算机（11）、智能手机（12）和平板电脑（13）均通过网络与联网监测云平台（3）相连接。

3.根据权利要求2所述的农田土壤不同深度淋溶氮素联网监测系统，其特征在于，所述计算机（11）、智能手机（12）和平板电脑（13）上均设有与联网监测云平台（3）相匹配的监测应用单元（2），监测应用单元（2）包括身份认证模块（21）、实时显示模块（22）、异步查询模块（23）、设置参数模块（24）和远程操作模块（25）。

4.根据权利要求3所述的农田土壤不同深度淋溶氮素联网监测系统，其特征在于，所述联网监测云平台（3）包括数据存储服务模块（31）、数据推送服务模块（32）、数据查询服务模块（33）、数据分析计算服务模块（34）和远程操作服务模块（35），所述数据查询服务模块（33）与监测应用单元（2）中的异步查询模块（23）相匹配，远程操作模块（25）与远程操作服务模块（35）相匹配，实时显示模块（22）与数据推送服务模块（32）相匹配。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的农田土壤不同深度淋溶氮素联网监测系统，其特征在于，所述监测站（4）包括微处理器板（40），微处理器板（40）通过通信接口（42）分别与联网监测云平台（3）和取样井（5）相连接；所述微处理器板（40）分别与显示屏（41）、淋溶液定量化部件（43）、反应辅助部件（46）、光电探测模块（45）、环境参数测量单元（48）和环境参数控制单元（49）相连接；所述反应辅助部件（46）设置在化学反应腔（44）的下部，反应辅助部件（46）扰动化学反应腔（44）中的混合液，使淋溶液体与试剂完全反应；所述光电探测模块（45）设置在化学反应腔（44）外，化学反应腔（44）与废液回收部件（47）相连通；所述微处理器板（40）通过环境参数测量单元（48）实时监测环境监测参数，定时上传到联网监测云平台（3）进行存储，供智能移动设备查询；如果环境参数超过微处理器板（40）存储的环境参数值，启动环境参数控制单元（49）将环境参数控制在设定的参数范围内。

6.根据权利要求5所述的农田土壤不同深度淋溶氮素联网监测系统，其特征在于，所述通信接口（42）包括无线通讯模块（421）、光纤通讯模块（422）和若干个RS485通讯模块（423），无线通讯模块（421）、光纤通讯模块（422）与联网监测云平台（3）相连接，RS485通讯模块（423）与取样井（5）相连接。

7.根据权利要求6所述的农田土壤不同深度淋溶氮素联网监测系统，其特征在于，所述淋溶液定量化部件（43）与试剂组件（431）相连接，淋溶液定量化部件（43）从试剂组件（431）中提取反应所需的试剂并输送至化学反应腔（44）；所述反应辅助部件（46）连接洗液部件（461），检测结束后，洗液部件（461）清洗淋溶液定量化部件（43）、化学反应腔（44）及光电探测模块（45）的测试通道，并将废液送入废液回收部件（47）中存储。

8.根据权利要求6或7所述的农田土壤不同深度淋溶氮素联网监测系统，其特征在于，所述取样井（5）包括取样控制电路板（50），取样控制电路板（50）分别与土壤水分传感器（51）、RS485通讯模块（55）、取样部件（57）、蠕动泵（58）相连接，取样部件（57）与陶土管（56）相匹配，陶土管（56）和土壤水分传感器（51）设置在取样井外的土壤中，取样部件（57）上设有液位传感器（54），液位传感器（54）与取样控制电路板（50）相连接；所述取样部件（57）通过蠕动泵（58）与监测站（4）的淋溶液定量化部件（43）相连接；所述RS485通讯模块（55）与监测站（4）的RS485通讯模块（423）相匹配。

9.根据权利要求8所述的农田土壤不同深度淋溶氮素联网监测系统，其特征在于，所述取样井（5）内设有土壤温度传感器（52）和温湿度传感器（53），温湿度传感器（53）设置在取样井（5）内，土壤温度传感器（52）设置在陶土管（56）附近的土壤中，土壤温度传感器（52）和温湿度传感器（53）均与取样控制电路板（50）相连接。

10.根据权利要求9所述的农田土壤不同深度淋溶氮素联网监测系统，其特征在于，所述监测站（4）的环境参数控制单元（49）内设有通风设备，通风设备通过管道与取样井（5）相连接。

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