CN116500205B - 一种农田氮素地下淋溶监测机器人系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种农田氮素地下淋溶监测机器人系统及方法，地下淋溶监测机器人系统包括云平台、监测机器人和淋溶液收集模块，其中，云平台用于向监测机器人发送待测地点、待测深度信息，以及接收监测机器人的测量信息；监测机器人用于移动至待测地点，与位于待测地点、待测深度的淋溶液采集模块对接，提取淋溶液采集模块的淋溶液，并进行淋溶液的淋溶液氮素检测，并将淋溶液氮素检测结果发送至云平台。本发明的农田氮素地下淋溶监测机器人系统及方法，完成大范围农田土壤多点、多层深度的淋溶液自动提取后，智能化对提取的淋溶液进行全流程的实时检测和分析。
Description
技术领域
本发明涉及生态环境保护技术，特别是涉及到一种农田氮素地下淋溶监测机器人系统及方法。
背景技术
氮素是植物生长过程中必需的营养元素，对于农作物的生长发育有着重要的影响。因此，在农业生产中，农民会使用化肥来补充土壤中缺失的氮素元素，以提高农作物的产量和质量。但是，化肥中的氮素成分往往不能被植物完全吸收利用，一部分氮素会随着雨水和灌溉水的冲刷、地下水的流动和渗漏等方式进入到地下水体中，导致地下水中氮素含量超标，引发环境和健康问题。
目前，农业氮素淋溶的问题已经引起了广泛的关注和重视。根据全国土壤污染状况调查结果显示，农田土壤中氮素污染是全国土壤污染的主要类型之一，其中约有1/4的农田土壤存在氮素污染问题。同时，由于氮素淋溶问题的存在，地下水中氮素含量超标也成为了当前环境保护的重要问题之一。据统计，全国地下水中氮素含量超标的地区已经超过1/3，其主要分布区域以东部地区和北方平原地区为主。
氮素污染不仅对人类健康和生态环境造成了严重的危害，而且也给农业生产和农产品的质量带来了很大的挑战。氮素超标会导致农产品中毒素含量过高，严重影响人们的健康和安全。此外，氮素的大量流失还会造成土壤肥力的丧失，导致土地的退化和耕地质量下降。
因此，解决氮素淋溶污染问题已经成为当前环保和农业生产中的重要任务之一。建立智能化的农田氮素地下淋溶监测系统，可以及时发现和处理氮素超标的情况，帮助农民科学施肥，减少氮素的流失和污染，保护地下水资源和生态环境的可持续发展。
传统的氮素淋溶液监测方法通常有静态淋溶液收集方法、动态淋洗法、根际液体收集法、微型土柱淋洗法、采样淋洗法。
1.静态淋溶液收集方法是指在农田里设立淋溶液收集装置，收集一定时间内的淋溶液样品，然后对淋溶液样品中的氮素含量进行检测分析。该方法需要在田间设置收集装置，会对土地造成一定的影响。
2.动态淋洗法通过喷淋或渗漏装置向土壤中灌注一定量的水，收集经过土壤淋洗的水样进行分析。这种方法操作复杂，需要设置灌溉装置和收集装置，费用较高。
3.根际液体收集法通过人工挖掘和设置根际液体采样管，在根际土壤内收集根际液体样品，然后对样品中的氮素含量进行检测分析。这种方法操作复杂，需要挖掘和设置采样管，成本高。
4.微型土柱淋洗法是将将采集的土壤样品装填在微型土柱中，然后通过喷淋或渗漏装置向土柱中灌注一定量的水，收集经过土柱淋洗的水样进行分析。该方法需要大量土壤样品，且操作复杂。
5.采样淋洗法是将土壤样品放置到淋洗装置中，再往土壤样品中加定量水，然后再收集淋溶液进行分析。该方法对土壤的破坏大，容易造成二次污染。
因此，目前氮素淋溶监测方法常采用现场采样和实验室分析相结合的方法，耗时耗力且无法实现实时检测。少部分采用固定式检测的方法，该方法采用固定采样点安装大容积淋溶桶后提取淋溶液，并通过管道运送至淋溶液检测终端实现氮素淋溶监测，需要在多个采样点铺设多个大容积淋溶桶和管道，前期建设成本高，对土壤环境破坏大，处理过程复杂。
发明内容
本发明为解决现有技术中氮素淋溶监测方法常采用现场采样和实验室分析相结合的方法，耗时耗力且无法实现实时检测。少部分采用固定式检测的方法，该方法采用固定采样点安装大容积淋溶桶后提取淋溶液，并通过管道运送至淋溶液检测终端实现氮素淋溶监测，需要在多个采样点铺设多个大容积淋溶桶和管道，前期建设成本高，对土壤环境破坏大，处理过程复杂的技术问题，提出了一种农田氮素地下淋溶监测机器人系统及方法，该机器人系统通过移动式的方法完成大范围农田土壤多点、多层深度的淋溶液自动提取后，智能化对提取的淋溶液进行全流程的实时检测和分析，不依赖于人工采集与实验室分析。
为了实现这一目标，本发明采取了如下的技术方案。
一种农田氮素地下淋溶监测机器人系统，地下淋溶监测机器人系统包括云平台、监测机器人和淋溶液采集模块，其中，
云平台用于向监测机器人发送待测地点、待测深度信息，以及接收监测机器人的测量信息；
监测机器人用于移动至待测地点，与位于待测地点、待测深度的淋溶液采集模块对接，提取淋溶液采集模块的淋溶液，并进行淋溶液的淋溶液氮素检测，并将淋溶液氮素检测结果发送至云平台。
另外，本发明的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，待测地点包括多个，每个待测地点包括一个以上待测深度；云平台中包括路径规划单元，路径规划单元根据多个待测地点的位置关系以及各个待测地点的待测深度数量，规划监测机器人的检测移动轨迹，并将检测移动轨迹发送至监测机器人；监测机器人接收到检测移动轨迹，根据检测移动轨迹，对每个待测地点以及每个待测深度依次进行淋溶液氮素检测。
另外，本发明的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，待测地点、待测深度处具有淋溶液采集模块，淋溶液采集模块包括淋溶液采集系统，电磁阀模块、传输支管道和Zigbee模块；其中淋溶液采集系统用于在待测地点处的待测深度收集淋溶液，电磁阀模块连接淋溶液采集系统和传输支管道，Zigbee模块连接至电磁阀模块，以及通过无线方式连接至监测机器人的Zigbee基站模块，用于根据Zigbee基站模块发送的指令，开启或关闭电磁阀模块。
另外，本发明的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，监测机器人包括Zigbee基站模块、淋溶液管道对接模块和淋溶液提取驱动模块；待测地点包括一个以上待测深度，每个待测深度具有淋溶液采集模块，淋溶液采集模块包括淋溶液采集系统、电磁阀模块、传输支管道和Zigbee模块；
监测机器人包括Zigbee基站模块与每个待测深度处淋溶液采集模块Zigbee模块无线连接，淋溶液管道对接模块与每个待测深度处淋溶液采集模块的传输支管道连接；用于依次利用Zigbee基站模块与每个待测深度处淋溶液采集模块的Zigbee模块通信，开启每个待测深度处淋溶液采集模块的电磁阀模块，从每个待测深度处淋溶液采集模块的传输支管道抽取淋溶液，并对每个待测深度处进行淋溶液氮素检测；其中对于一个待测深度进行淋溶液抽取时，仅开启该待测深度处淋溶液采集模块的电磁阀模块；保持其他待测深度处淋溶液采集模的电磁阀模块处于关闭状态。
另外，本发明的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，监测机器人包括移动模块，移动模块包括导航模块、移动载体和移动载体驱动单元，导航单元用于检测监测机器人的位置，移动载体包括轮式移动平台和电机，移动载体驱动单元用于控制移动载体的移动方向和移动距离。
另外，本发明的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，监测机器人包括环境感知模块，环境感知模块包括温湿度传感器、风向传感器、降雨量传感器和光照强度传感器，监测机器人将环境感知模块采集的温度、湿度、风向、降雨量和光照强度信息，与淋溶液氮素检测结果一起发送至云平台。
另外，本发明的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，待测地点包括多个，每个待测地点包括一个以上待测深度，在每个待测地点的每个待测深度各有淋溶液采集模块，淋溶液采集模块包括淋溶液采集系统、淋溶液液位传感器、电磁阀模块、传输支管道和Zigbee模块；淋溶监测机器人具有Zigbee基站模块和动态路径规划单元；其中，
淋溶监测机器人收到多个待测地点，以及每个待测地点的一个以上待测深度信息后，通过Zigbee基站模块向各个待测地点处各待测深度的淋溶液采集模块的Zigbee模块发送启动命令，各个待测地点处各待测深度的淋溶液采集模块的淋溶液液位传感器检测各自对应的淋溶液采集系统已采集的淋溶液液位，并通过各个待测地点处各待测深度的Zigbee模块向淋溶监测机器人按照预定周期发送各自对应的淋溶液采集系统采集的淋溶液液位；
淋溶监测机器人的动态路径规划单元根据各个淋溶液采集系统采集的淋溶液液位，以及各个待测地点的位置关系以及各个待测地点的待测深度数量，根据每个预定周期，动态规划监测机器人的检测移动轨迹；监测机器人根据动态规划的检测移动轨迹，进行各个待测地点的位置关系以及各个待测深度的淋溶液抽取和淋溶液氮素检测。
另外，本发明的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，监测机器人包括微流控制模块、淋溶液氮素检测模块、清洗模块、废液处理模块和数据处理模块，其中，微流控制模块将抽取的淋溶液加入待反应的化学试剂，并将化学试剂和淋溶液的混和液提供至淋溶液氮素检测模块进行淋溶液氮素检测，清洗模块用于一次淋溶液氮素检测完成后，利用清洗液清洗监测机器人内的微流控制模块、淋溶液氮素检测模块；废液处理模块用于排出化学试剂和淋溶液的混和液以及清洗液。
一种农田氮素地下淋溶监测方法，包括以下步骤：
A、云平台向监测机器人发送待测地点、待测深度信息；
B、监测机器人用于移动至待测地点，与位于待测地点、待测深度的淋溶液采集模块对接，一个待测地点的一个或多个淋溶液采集模块称为一个待测节点。监测机器人提取待淋溶液采集模块的淋溶液，并进行淋溶液的淋溶液氮素检测，并将淋溶液氮素检测结果发送至云平台。
另外，本发明的农田氮素地下淋溶监测方法中，步骤A中，云平台向监测机器人发送的待测地点包括多个，每个待测地点包括一个以上待测深度；步骤B中，监测机器人移动至待测地点进行淋溶液抽取和淋溶液氮素检测包括：
淋溶监测机器人收到多个待测地点，以及每个待测地点的一个以上待测深度信息后，通过Zigbee基站模块向各个待测地点处各待测深度的淋溶液采集模块的Zigbee模块发送启动命令，各个待测地点处各待测深度的淋溶液采集模块的淋溶液液位传感器检测各自对应的淋溶液采集系统已采集的淋溶液液位，并通过各个待测地点处各待测深度的Zigbee模块向淋溶监测机器人按照预定周期发送各自对应的淋溶液采集系统采集的淋溶液液位；
淋溶监测机器人的动态路径规划单元根据各个淋溶液采集系统采集的淋溶液液位，以及各个待测地点的位置关系以及各待测地点的待测深度数量，根据每个预定周期，动态规划监测机器人的检测移动轨迹；监测机器人根据动态规划的检测移动轨迹，进行各个待测地点的位置关系以及各个待测深度的淋溶液抽取和淋溶液氮素检测。
本发明的技术包括如下技术效果。
1.本发明的农田氮素地下淋溶监测机器人及方法能够自动实现大范围多点地下淋溶液的自动化获取、智能化检测与分析。
2.本发明的淋溶监测机器人能够自主导航移动，至每个待测地点进行淋溶液采集和淋溶液氮素分析，这样并不需要在每个待测地点分别设计一个或多个淋溶液氮素分析装置，各个待测地点共用一个监测机器人，这样既能保证对于每个待测地点及待测深度的林溶液氮素分析的一致性，避免每台测试设备之间的个体差异，因而提高了准确性。另外，还能降低整个系统的成本，避免投入大量的淋溶液氮素分析装置。同时，因为每个淋溶液氮素分析装置需要向云平台报送测试结果信息，而本发明全部交由监测机器人来统一完成，因此可以节约功耗，避免对于每个测试地点进行电路布线。
3.本发明的淋溶监测机器人在淋溶液氮素检测模块前采用微流控技术，实现提取少量淋溶液就可以完成淋溶液氮素组分的检测，因此避免了在多个待测地点抽取多个测试深度的大量淋溶液氮素测量的大量时间消耗。
4.本发明的农田氮素地下淋溶监测机器人系统和方法可以实现对大范围多处淋溶监测节点的快速采集、检测与分析。通过基站控制程序设置，可实现无人值守式监测。通过微流控模块，实现微量淋溶液采集。成本低、检测耗时短、效率高、自动化、智能化程度高。
5.特别地，本发明的农田氮素地下淋溶监测机器人系统和方法为了进一步提高测试效率，还采取了动态路径规划的方式，根据各个淋溶液采集系统采集的淋溶液液位，以及各个待测地点的位置关系以及各待测地点的待测深度数量，根据每个预定周期，动态规划监测机器人的检测移动轨迹，而不用预先设置检测移动轨迹，在每个待测地点完成测量后，动态计算下一个待测地点，按照步进的方法进行路径最优化，能够避免在一个待测地点进行淋溶液采集的等待时间，因此大大提高了农田氮素地下淋溶监测机器人系统和方法对于多个待测地点和多个待测深度的整体系统测试效率。
附图说明
图1为根据本发明具体实施方式中农田氮素地下淋溶监测机器人系统的结构示意图。
图2为根据本发明具体实施方式中农田氮素地下淋溶监测机器人系统的结构示意图。
图3为根据本发明具体实施方式中农田氮素地下淋溶监测机器人系统的结构示意图。
图4为根据本发明具体实施方式中农田氮素地下淋溶监测方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明。
以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。
然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。
参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解（例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等）。
图1至图3均为根据本发明具体实施方式中农田氮素地下淋溶监测机器人系统的结构示意图。如图所示，本发明具体实施方式中采取了如下的技术方案。
首先，云平台管理人员根据测试需要，设定多个待测地点及待测深度信息，每一个待测地点作为一个待测节点；并将这些信息下发至监测机器人。监测机器人通过窄带物联网NB-IoT通信模块接收云平台的信息，并解析云平台信息。
监测机器人接收云平台的路径规划单元所规划的路径信息，并驱动移动载体带动监测机器人移动，移动过程中通过定位模块确定实时位置，将实时位置信息通过NB-IoT模块发送至云平台。到达待测点位置后，监测机器人的淋溶液管道对接模块与待测地点、待测深度的淋溶液采集模块连接。
在每个待测地点可能包括多个待测深度，每个待测深度各有一个淋溶液采集模块。每个待测地点的一个或多个淋溶液采集模块合称为一个待测节点。每个淋溶液采集模块具有电磁阀模块。每个淋溶液采集模块根据监测机器人的指令开启该淋溶液采集模块的电磁阀模块。监测机器人的控制模块提取淋溶液采集模块中的淋溶液到监测机器人中暂存淋溶液的淋溶液存储单元，并根据传输感知单元的信息及时调整提取淋溶液的水泵速率。
淋溶液提取完成后，淋溶监测机器人通过Zigbee基站模块给淋溶液采集模块发送关闭电磁阀模块命令，并开始驱动淋溶液监测单元进行淋溶液氮素的检测。淋溶监测机器人对于第一个深度淋溶液氮素监测完成之后，监测机器人再次发送开启电磁阀模块命令至下一深度的淋溶液采集模块，重复动作直到该地点所有深度的淋溶液提取和淋溶液氮素分析完成。
在完成该待测地点的所有检测任务之后，监测机器人通过环境感知控制单元获取环境感知单元所采集的环境信息，最终将所获取的该点的环境信息、各深度的淋溶液氮素信息上传至云平台。监测机器人开始规划移动路线确定下一个待测地点，并自动移动到该待测地点，重复监测第一个待测地点的动作直到所有探测任务完成。云平台接收到监测机器人上发信息，并进行存储。
为了实现以上操作，监测机器人包括移动模块、环境感知模块、淋溶液氮素检测模块、无线通信模块、电源模块、微处理器模块、控制电路板、淋溶液传输模块和导航模块。其中移动模块包括移动载体和移动载体驱动模块。环境感知模块包括温湿度传感器、风向传感器、降雨量传感器和光照强度传感器。淋溶液氮素检测模块包括微流控芯片模块、淋溶液氮素检测模块、清洗模块、废液处理模块和数据处理模块。无线通信模块包括无线通信芯片模组(NB-IoT无线通信模块、Zigbee基站模块)和无线通信数据存储模块。电源模块包括太阳能供电模块和锂电池电源模块。淋溶液传输模块包括淋溶液传输管道、淋溶液提取驱动模块和淋溶液管道对接模块。导航模块包括北斗定位模块、姿态传感器模块。其中淋溶液管道对接模块可与各个待测地点、待测深度处的传输支管道连接。
监测机器人与淋溶液采集模块对接过程为：监测机器人通过Zigbee基站通信模块发送对接命令至淋溶液采集模块，该淋溶液采集模块具有Zigbee无线通信模块、电磁阀模块、传输支管道、淋溶液采集系统，监测机器人通过淋溶液管道对接模块与淋溶液采集模块的传输支管道相连接，监测机器人按照从测量命令向检测地点的各个淋溶液采集模块发送电磁阀模块开启命令。淋溶液提取完成之后，机器人发送关闭电磁阀模块命令，同时清洗淋溶液传输管道。
在完成分析淋溶液中氮素含量任务后，监测机器人再次发送开启电磁阀模块命令，下一淋溶液采集模块的电磁阀模块开启，机器人重复淋溶液提取、分析及发送电磁阀模块控制命令过程，直到该待测地点所有的待测深度的淋溶液都提取、检测和分析完成。机器人便根据云平台的路径规划单元的指示移动到下一个待测地点，重复以上动作。其动作与配合关系如图1和图2所示。
淋溶液提取及检测流程如图2所示，监测机器人通过淋溶液传输管道将少量淋溶液提取至微流控模块前端，与需要反应的化学试剂进行混合后，通过微流控模块进入淋溶液氮素检测模块，完成对混合后的液体中的氮素检测，获取到淋溶液氮素的感知曲线。经数据处理模块，将淋溶液氮素的感知数据转化成淋溶液氮含量。
因此，本发明具体实施方式中包括一种农田氮素地下淋溶监测机器人系统，地下淋溶监测机器人系统包括云平台、监测机器人和淋溶液采集模块，其中，
云平台用于向监测机器人发送待测地点、待测深度信息，以及接收监测机器人的测量信息；
监测机器人用于移动至待测地点，与位于待测地点、待测深度的淋溶液采集模块对接，提取淋溶液采集模块的淋溶液，并进行淋溶液的淋溶液氮素检测，并将淋溶液氮素检测结果发送至云平台。对于一个待测地点而言，可能包括一个或多个淋溶液采集模块，被合称为待测节点。
另外，本发明具体实施方式的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，待测地点包括多个，每个待测地点包括一个以上待测深度；云平台中包括路径规划单元，路径规划单元根据多个待测地点的位置关系以及各个待测地点的待测深度数量，规划监测机器人的检测移动轨迹，并将检测移动轨迹发送至监测机器人；监测机器人接收到检测移动轨迹，根据检测移动轨迹，对每个待测地点以及每个待测深度依次进行淋溶液氮素检测。
另外，本发明具体实施方式的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，待测地点、待测深度具有淋溶液采集模块，淋溶液采集模块包括淋溶液采集系统，电磁阀模块、传输支管道和Zigbee模块；其中淋溶液采集系统用于在待测地点处的待测深度收集淋溶液，电磁阀模块连接淋溶液采集系统和传输支管道，Zigbee模块连接至电磁阀模块，以及通过无线方式连接至监测机器人的Zigbee基站模块，用于根据Zigbee基站模块发送的指令，开启或关闭电磁阀模块。
另外，本发明具体实施方式的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，监测机器人包括Zigbee基站模块、淋溶液管道对接模块和淋溶液提取驱动模块；待测地点包括一个以上待测深度，每个待测深度具有淋溶液采集模块，淋溶液采集模块包括淋溶液采集系统、电磁阀模块、传输支管道和Zigbee模块；
监测机器人包括Zigbee基站模块与每个待测深度处淋溶液采集模块Zigbee模块无线连接，淋溶液管道对接模块与每个待测深度处淋溶液采集模块的传输支管道连接；用于依次利用Zigbee基站模块与每个待测深度处淋溶液采集模块的Zigbee模块通信，开启每个待测深度处淋溶液采集模块的电磁阀模块，从每个待测深度处淋溶液采集模块的传输支管道抽取淋溶液，并对每个待测深度处进行淋溶液氮素检测；其中对于一个待测深度进行淋溶液抽取时，仅开启该待测深度处淋溶液采集模块的电磁阀模块；保持其他待测深度处淋溶液采集模的电磁阀模块处于关闭状态。
另外，本发明具体实施方式的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，监测机器人包括移动模块，移动模块包括导航模块、移动载体和移动载体驱动单元，导航单元用于检测监测机器人的位置，移动载体包括轮式移动平台和电机，移动载体驱动单元用于控制移动载体的运行方向和距离。
另外，本发明具体实施方式的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，监测机器人包括环境感知模块，环境感知模块包括温湿度传感器、风向传感器、降雨量传感器和光照强度传感器，监测机器人将环境感知模块采集的温度、湿度、风向、降雨量和光照强度信息，与淋溶液氮素检测结果一起发送至云平台。
另外，本发明具体实施方式的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，待测地点包括多个，每个待测地点包括一个以上待测深度，在每个待测地点的每个待测深度各有淋溶液采集模块，淋溶液采集模块包括淋溶液采集系统、淋溶液液位传感器、电磁阀模块、传输支管道和Zigbee模块；淋溶监测机器人具有Zigbee基站模块和动态路径规划单元；其中，
淋溶监测机器人收到多个待测地点，以及每个待测地点的一个以上待测深度信息后，通过Zigbee基站模块向各个待测地点处各待测深度的淋溶液采集模块的Zigbee模块发送启动命令，各个待测地点处各待测深度的淋溶液采集模块的淋溶液液位传感器检测各自对应的淋溶液采集系统已采集的淋溶液液位，并通过各个待测地点处各待测深度的Zigbee模块向淋溶监测机器人按照预定周期发送各自对应的淋溶液采集系统采集的淋溶液液位；
淋溶监测机器人的动态路径规划单元根据各个淋溶液采集系统采集的淋溶液液位，以及各个待测地点的位置关系以及各个待测地点的待测深度数量，根据每个预定周期，动态规划监测机器人的检测移动轨迹；监测机器人根据动态规划的检测移动轨迹，进行各个待测地点的位置关系以及各个待测深度的淋溶液抽取和淋溶液氮素检测。
以上所介绍的是本发明的一个具体实施方式，其具有显著的提高多个待测地点，多个待测深度的整体测试效率。以下详细说明。
云平台给监测机器人发送多个待测地点以及在每个待测地点的一个或多个待测深度的信息后，首先监测机器人通过Zigbee基站模块向多个待测地点、多个待测深度处中的每一处的淋溶液采集模块的Zigbee模块发送消息，各个淋溶液采集模块的Zigbee模块收到信息后，启动各自的淋溶液液位传感器；检测到各个淋溶液采集系统采集的淋溶液液位后，通过每一处的淋溶液采集模块的Zigbee模块向监测机器人报告已采集的淋溶液液位信息。
例如，一共有6个待测地点，分别为P1~P6，P1~P6各自有三个待测深度，记为P11~P13，……P61~P63，在每个待测深度处具有一个淋溶液采集模块。在时间t0，P2和P5的三个深度的淋溶液采集模块的淋溶液液位信息均足以满足测量要求，P1、P3位置各有一个待测深度的淋溶液采集模块的淋溶液液位信息足以满足测量要求；P4和P6的所有待测深度的淋溶液采集模块的淋溶液液位信息均不足以满足测量要求。P5的地理位置距离监测机器人更近，则监测机器人的动态路径规划单元决定在t0时刻先进行P5位置的淋溶液抽取和淋溶液氮素检测。监测机器人行走至P5位置，依次对P51、P52和P53处的淋溶液采集模块进行淋溶液提取以及淋溶液氮素分析。
在对P51、P52和P53处的淋溶液采集模块进行淋溶液提取以及淋溶液氮素分析过程中，经过了两个预定时间间隔，例如t1和t2，t1和t2时刻，每一处的淋溶液采集模块的zigbee模块继续向监测机器人报告已采集的淋溶液液位信息，例如t1时刻，P1、P3、P4和P6位置均未实现三个深度的淋溶液采集模块的淋溶液液位信息全部足以满足测量要求，而在t3时刻，P1位置的三个深度的淋溶液采集模块的淋溶液液位信息全部足以满足测量要求，其余P3、P4和P6尚未实现三个深度的淋溶液采集模块的淋溶液液位信息全部足以满足测量要求的情况。而P1和P2相比，P1的位置离P5更近，因此，监测机器人P51、P52和P53处的淋溶液采集模块进行淋溶液提取以及淋溶液氮素分析后，选择第二处测试地点为P1，即行走至P1位置，再依次对P11、P12和P13处的淋溶液采集模块进行淋溶液提取以及淋溶液氮素分析。
在对P11、P12和P13处的淋溶液采集模块进行淋溶液提取以及淋溶液氮素分析过程中，又经过了两个预定时间间隔，例如t3和t4，在t4时刻，P4和P6的三个深度的淋溶液采集模块的淋溶液液位信息全部足以满足测量要求。则监测机器人继续比较P2、P4和P6与P1位置的远近，发现P2更近；因此监测机器人的动态路径规划单元选择第三处测试地点为P2，即行走至P2位置，再依次对P21、P22和P23处的淋溶液采集模块进行淋溶液提取以及淋溶液氮素分析。
通过以上动态路径规划单元，监测机器人无需在一个待测节点进行淋溶液采集等待时间，或者淋溶液采集等待时间时间很少，每次都按照最近的方式找寻下一个测试地点，大大提高了农田氮素地下淋溶液监测机器人系统的工作效率。
更加具体地，当余下所有待测地点的并非全部测试深度的淋溶液采集模块的液位深度均足以提取适量的淋溶液时，监测机器人可比较余下各个待测地点处，各自有几个待测深度的淋溶液采集模块的液位深度足以提取适量的淋溶液，按照满足条件的淋溶液采集模块数量多少，以及次序和距离来进行综合判断。
例如在tn时间点，剩下P1、P3和P6三个待测地点，但三个待测地点的三个待测深度的淋溶液采集模块的液位深度，不能同时满足提取适量的淋溶液时，监测机器人考虑到P3位置离现在位置较近，且P31和P32深度的淋溶液采集模块的液位深度已满足要求；虽然P1的位置相同，但P1的P11深度的淋溶液采集模块的液位深度未满足要求，仅P12和P13深度的淋溶液采集模块的液位深度已满足要求；为了避免由浅到深的测量次序打乱，监测机器人的动态路径规划单元选择P3作为下一待测地点。
或者，在另一具体实施方式中，监测机器人放弃由浅到深的测量次序，更着重于满足条件的淋溶液采集模块数量多少以及与当前位置的距离。则监测机器人的动态路径规划单元也可以选择P1作为下一待测地点。
因此可以看出，本发明具体实施方式中，由于监测机器人具有动态路径规划单元，使其具有高度的自主性，可以结合多种路径优化策略、考虑多种权重的情况下，选择最优化的方式来进行多个待测地点，多个待测深度的整体淋溶液氮素测量方案。
另外，本发明具体实施方式的农田氮素地下淋溶监测机器人系统中，监测机器人包括反应模块、微流控模块、淋溶液氮素检测模块、清洗模块、废液处理模块和数据处理模块，其中，反应模块将抽取的淋溶液加入待反应的化学试剂，并将化学试剂和淋溶液的混和液提供至微流控模块，随后提供至淋溶液氮素检测模块进行淋溶液氮素检测，清洗模块用于一次淋溶液氮素检测完成后，利用清洗液清洗监测机器人内的微流控制模块、淋溶液氮素检测模块；废液处理模块用于排出化学试剂和淋溶液的混和液以及清洗液。
图4为根据本发明具体实施方式中农田氮素地下淋溶监测方法的流程示意图。如图所示，本发明中还包括一种农田氮素地下淋溶监测方法，该方法包括以下步骤：
A、云平台向监测机器人发送待测地点、待测深度信息；
B、监测机器人用于移动至待测地点，与位于待测地点、待测深度的淋溶液采集模块对接，提取淋溶液采集模块的淋溶液，并进行淋溶液的淋溶液氮素检测，并将淋溶液氮素检测结果发送至云平台。
具体而言，图4中，本发明具体实施方式中农田氮素地下淋溶监测方法包括如下步骤：
1.监测机器人通过窄带物联网（NB-IoT）通信模块接收云平台的待测地点及待测深度信息。
2.监测机器人根据云平台的路径规划单元的命令驱动移动载体移动至待测地点的位置。
3.监测机器人的淋溶液传输单元与待测地点、待测深度的淋溶液采集模块对接。
4.监测机器人控制淋溶液传输单元从待测地点、待测深度的淋溶液采集模块提取淋溶液，并调整抽取淋溶液的速率。
5.淋溶液提取完成后，监测机器人通过Zigbee基站模块给淋溶液采集模块的Zigbee模块发送关闭电磁阀模块命令，并开始启动淋溶液氮素检测模块进行淋溶液氮素的检测。
6.测机器人判断该待测地点是否还有其他待测深度，如有，则重复步骤3-5，直到该地点所有待测深度的淋溶液提取和氮素分析完成，同时监测机器人通过环境感知控制单元获取环境感知单元所采集的环境信息，最终将所获取的环境信息、淋溶液氮素信息、待测地点及深度坐标信息上传至云平台。
7.农田氮素地下淋溶监测机器人从云平台下发的待测地点中确定离该区域最近的待测地点，再次进行淋溶液氮素提取及分析检测任务，重复步骤2-7。
另外，本发明具体实施方式的农田氮素地下淋溶监测方法中，步骤A中，云平台向监测机器人发送的待测地点包括多个，每个待测地点包括一个以上待测深度；步骤B中，监测机器人移动至待测地点进行淋溶液抽取和淋溶液氮素检测包括：
淋溶监测机器人收到多个待测地点，以及每个待测地点的一个以上待测深度信息后，通过Zigbee基站模块向各个待测地点处各待测深度的淋溶液采集模块的Zigbee模块发送启动命令，各个待测地点处各待测深度的淋溶液采集模块的淋溶液液位传感器检测各自对应的淋溶液采集系统已采集的淋溶液液位，并通过各个待测地点处各待测深度的Zigbee模块向淋溶监测机器人按照预定周期发送各自对应的淋溶液采集系统采集的淋溶液液位；
淋溶监测机器人的动态路径规划单元根据各个淋溶液采集系统采集的淋溶液液位，以及各个待测地点的位置关系以及各待测地点的待测深度数量，根据每个预定周期，动态规划监测机器人的检测移动轨迹；监测机器人根据动态规划的检测移动轨迹，进行各个待测地点的位置关系以及各个待测深度的淋溶液抽取和淋溶液氮素检测。
本发明的技术包括如下技术效果。
1.本发明的农田氮素地下淋溶监测机器人及方法能够自动实现大范围多点地下淋溶液的自动化获取、智能化检测与分析。
2.本发明的淋溶监测机器人能够自主导航移动，至每个待测地点进行淋溶液采集和淋溶液氮素分析，这样并不需要在每个待测地点分别设计一个或多个淋溶液氮素分析装置，各个待测地点共用一个监测机器人，这样既能保证对于每个待测地点及待测深度的林溶液氮素分析的一致性，避免每台测试设备之间的个体差异，因而提高了准确性。另外，还能降低整个系统的成本，避免投入大量的淋溶液氮素分析装置。同时，因为每个淋溶液氮素分析装置需要向云平台报送测试结果信息，而本发明全部交由监测机器人来统一完成，因此可以节约功耗，避免对于每个测试地点进行电路布线。
3.本发明的淋溶监测机器人在淋溶液氮素检测模块前采用微流控技术，实现提取少量淋溶液就可以完成淋溶液氮素组分的检测，因此避免了在多个待测地点进行多个测试深度的大量淋溶液氮素采集、测量的大量时间消耗。
4.本发明的农田氮素地下淋溶监测机器人系统和方法可以实现对大范围多处淋溶监测地点的快速采集、检测与分析。通过基站控制程序设置，可实现无人值守式监测。通过微流控模块，实现微量淋溶液采集。成本低、检测耗时短、效率高、自动化、智能化程度高。
5.特别地，本发明的农田氮素地下淋溶监测机器人系统和方法为了进一步提高测试效率，还采取了动态路径规划的方式，根据各个淋溶液采集系统采集的淋溶液液位，以及各个待测地点的位置关系以及各待测地点的待测深度数量，根据每个预定周期，动态规划监测机器人的检测移动轨迹，而不用预先设置检测移动轨迹，在每个待测地点完成测量后，动态计算下一个待测地点，按照步进的方法进行路径最优化，能够避免在一个待测地点进行淋溶液采集的等待时间，因此大大提高了农田氮素地下淋溶监测机器人系统和方法对于多个待测地点和多个待测深度的整体系统测试效率。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本说明书所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本说明书所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种农田氮素地下淋溶监测机器人系统，其特征在于，地下淋溶监测机器人系统包括云平台、监测机器人和淋溶液采集模块，其中，
云平台用于向监测机器人发送待测地点、待测深度信息，以及接收监测机器人的测量信息；
监测机器人用于移动至待测地点，与位于待测地点、待测深度的淋溶液采集模块对接，提取淋溶液采集模块收集的淋溶液，并进行淋溶液的淋溶液氮素检测，并将淋溶液氮素检测结果发送至云平台；
其中，待测地点包括多个，每个待测地点包括一个以上待测深度，在每个待测地点的每个待测深度各有一个淋溶液采集模块，淋溶液采集模块包括淋溶液采集系统、淋溶液液位传感器、电磁阀模块、传输支管道和Zigbee模块；淋溶监测机器人具有Zigbee基站模块和路径规划单元；其中，
淋溶监测机器人收到多个待测地点，以及每个待测地点的一个以上待测深度信息后，通过Zigbee基站模块向各个待测地点处各待测深度的淋溶液采集模块的Zigbee模块发送启动命令，各个待测地点处各待测深度的淋溶液采集模块的淋溶液液位传感器检测各自对应的淋溶液采集系统已采集的淋溶液液位，并通过各个待测地点处各待测深度的Zigbee模块向淋溶监测机器人按照预定周期发送各自对应的淋溶液采集系统采集的淋溶液液位；
淋溶监测机器人的路径规划单元根据各个淋溶液采集系统上传的淋溶液液位，以及各个待测地点的位置关系以及各个待测地点的待测深度数量，根据每个预定周期，动态规划监测机器人的检测移动轨迹；监测机器人根据动态规划的检测移动轨迹，进行各个待测地点的位置关系以及各个待测深度的淋溶液抽取和淋溶液氮素检测。
2.根据权利要求1中所述的农田氮素地下淋溶监测机器人系统，其特征在于，待测地点包括多个，每个待测地点包括一个以上待测深度；云平台中包括路径规划单元，路径规划单元根据多个待测地点的位置关系以及各个待测地点的待测深度数量，规划监测机器人的检测移动轨迹，并将检测移动轨迹发送至监测机器人；监测机器人接收到检测移动轨迹，根据检测移动轨迹，对每个待测地点以及每个待测深度依次进行淋溶液氮素检测。
3.根据权利要求1中所述的农田氮素地下淋溶监测机器人系统，其特征在于，待测地点、待测深度处具有淋溶液采集模块，淋溶液采集模块包括淋溶液采集系统，电磁阀模块、传输支管道和Zigbee模块；其中淋溶液采集系统用于在待测地点处的待测深度收集淋溶液，电磁阀模块连接淋溶液采集系统和传输支管道，Zigbee模块连接至电磁阀模块，以及通过无线通信方式连接至监测机器人的Zigbee基站模块，用于根据Zigbee基站模块发送的指令，开启或关闭电磁阀模块。
4.根据权利要求3中所述的农田氮素地下淋溶监测机器人系统，其特征在于，监测机器人包括Zigbee基站模块、淋溶液管道对接模块和淋溶液提取驱动模块；待测地点包括一个以上待测深度，每个待测深度具有淋溶液采集模块，淋溶液采集模块包括淋溶液采集系统、电磁阀模块、传输支管道和Zigbee模块；
监测机器人包括Zigbee基站模块与每个待测深度处淋溶液采集模块的Zigbee模块无线连接，淋溶液管道对接模块与每个待测深度处淋溶液采集模块的传输支管道连接；利用Zigbee基站模块与每个待测深度处淋溶液采集模块的Zigbee模块通信，开启每个待测深度处淋溶液采集模块的电磁阀模块，从每个待测深度处淋溶液采集模块的传输支管道抽取淋溶液，并对每个待测深度处抽取的淋溶液进行氮素检测；其中对于一个待测深度进行淋溶液抽取时，仅开启该待测深度处淋溶液采集模块的电磁阀模块；保持其他待测深度处淋溶液采集模的电磁阀模块处于关闭状态。
5.根据权利要求1中所述的农田氮素地下淋溶监测机器人系统，其特征在于，监测机器人包括移动模块，移动模块包括导航模块、移动载体和移动载体驱动单元，导航模块用于获取监测机器人的位置，移动载体包括轮式移动平台和电机，移动载体驱动单元用于控制移动载体的运行方向和距离。
6.根据权利要求1中所述的农田氮素地下淋溶监测机器人系统，其特征在于，监测机器人包括环境感知模块，环境感知模块包括温湿度传感器、风向传感器、降雨量传感器和光照强度传感器，监测机器人将环境感知模块采集的温度、湿度、风向、降雨量和光照强度信息，与淋溶液氮素检测结果一起发送至云平台。
7.根据权利要求4中所述的农田氮素地下淋溶监测机器人系统，其特征在于，监测机器人包括反应模块，微流控模块、淋溶液氮素检测模块、清洗模块、废液处理模块和数据处理模块，其中，反应模块将抽取的淋溶液加入待反应的化学试剂，并将化学试剂和淋溶液的混和液提供至微流控模块后提供至淋溶液氮素检测模块进行淋溶液氮素检测，清洗模块用于一次淋溶液氮素检测完成后，利用清洗液清洗监测机器人内的反应模块、微流控模块、淋溶液氮素检测模块；废液处理模块用于排出化学试剂和淋溶液的混和液以及清洗液。
8.一种农田氮素地下淋溶监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、云平台向监测机器人发送待测地点、待测深度信息；
B、监测机器人用于移动至待测地点，与位于待测地点、待测深度的淋溶液采集模块对接，提取淋溶液采集模块的淋溶液，并进行淋溶液的淋溶液氮素检测，并将淋溶液氮素检测结果发送至云平台；
步骤A中，云平台向监测机器人发送的待测地点包括多个，每个待测地点包括一个以上待测深度；步骤B中，监测机器人移动至待测地点进行淋溶液抽取和淋溶液氮素检测包括：
淋溶监测机器人收到多个待测地点，以及每个待测地点的一个以上待测深度信息后，通过Zigbee基站模块向各个待测地点处各待测深度的淋溶液采集模块的Zigbee模块发送启动命令，各个待测地点处各待测深度的淋溶液采集模块的淋溶液液位传感器检测各自对应的淋溶液采集系统已采集的淋溶液液位，并通过各个待测地点处各待测深度的Zigbee模块向淋溶监测机器人按照预定周期发送各自对应的淋溶液采集系统采集的淋溶液液位；
淋溶监测机器人的路径规划单元根据各个淋溶液采集系统采集的淋溶液液位，以及各个待测地点的位置关系以及各待测地点的待测深度数量，根据每个预定周期，动态规划监测机器人的检测移动轨迹；监测机器人根据动态规划的检测移动轨迹，进行各个待测地点的位置关系以及各个待测深度的淋溶液抽取和淋溶液氮素检测。
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