CN117517623B - 一种土壤气探头智能控制系统和土壤气自动取样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种土壤气探头智能控制系统和土壤气自动取样方法，属于环境测量技术领域。其中，该系统包括：土壤气取样模块、过程参数采集模块、信号传输模块、中央控制模块和测量终端。方法包括：根据设定的定时任务向阀门发送取样信号；当流量数据小于预设的流量阈值时，发送异常告警信息；当湿度数据大于预设的湿度阈值时，向阀门发送关闭信号，发送冷凝水告警信息；根据湿度数据对气压数据进行修正得到气压修正值，当气压修正值超过预设的气压阈值时，向阀门发送关闭信号，发送取样送检信号。对土壤气采集过程进行自动化控制，并且在数据传输过程中使用时间标签对数据进行校验，实现了对样本智能化采集，保证了控制的准确性。
Description
技术领域
本发明属于环境测量技术领域，具体涉及一种土壤气探头智能控制系统和土壤气自动取样方法。
背景技术
挥发性有机物（VOCs）是指沸点50~260℃、室温下饱和蒸汽压超过133.322Pa的易挥发性化合物，其主要成分为烃类、氧烃类、含卤烃类、氮烃及硫烃类、低沸点的多环芳烃类等有机物。挥发性有机物具有渗透、脂溶及挥发性等特性，故极易经由皮肤接触及呼吸系统而对人体造成危害。由于土壤对挥发性有机化合物有较强的吸附能力，所以对土壤中VOCs进行定性定量的检测分析，对于了解当地土壤的污染状况有极其重要的意义。
发明专利CN 110907238 A公开了一种壤中气分层采集方法及装置，采集时需要抽出气体采样管中原有气体，采集不同深度的壤中气，根据埋于不同深度壤中气中的电热偶在回填土层地表端的记录仪读取该层的土壤温度，没有给出有关于探头、阀门、流量计、负压表、采样箱和真空泵的控制方法，在人为控制的情况下，如果需要长期对某一区域的土壤污染进行监测会带来很大的人工取样成本，并且人工的操作容易产生失误，影响样本采集的质量。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种土壤气探头智能控制系统和土壤气自动取样方法。第一方面，本发明的系统包括：
土壤气取样模块，包括探头、阀门、流量计、负压表、采样箱和真空泵，所述探头通过导气管与所述真空泵连接，所述探头与所述真空泵之间设置有阀门、流量计、负压表和采样箱；
过程参数采集模块，用于获取流量计运行数据和负压表运行数据，所述流量计运行数据包括流量数据，所述负压表运行数据包括湿度数据和气压数据；
信号传输模块，用于将所述过程参数采集模块获取的所述流量计运行数据、所述负压表运行数据和所述阀门的阀门协议地址进行关联得到关联数据包，获取系统时间得到时间标签，将所述关联数据包和所述时间标签进行数据拼接得到数据通信报文，将所述数据通信报文发送至中央控制模块；
中央控制模块，用于根据设定的定时任务向所述阀门协议地址发送取样信号，获取所述数据通信报文，对所述数据通信报文进行时间校验，当所述时间校验不通过时向测量终端发送数据错误告警信息，当时间校验通过时，对所述数据通信报文进行数据解析得到所述关联数据包，根据所述关联数据包中的流量数据和预设的流量阈值向所述测量终端发送异常告警信息，根据所述关联数据包中的湿度数据和预设的湿度阈值向所述阀门协议地址发送关闭信号，向所述测量终端发送冷凝水告警信息，根据所述湿度数据对所述气压数据进行修正得到气压修正值，当所述气压修正值超过预设的气压阈值时，向所述阀门协议地址发送关闭信号，向所述测量终端发送取样送检信号；
测量终端，用于接收所述中央控制模块发送的告警信息和所述取样信号。
具体地，探头的布置方法包括：
S1：对测量场地进行采样设计得到采样点位置和探头埋设参数，所述探头埋设参数包括探头数量和探头埋深；
S2：根据所述探头埋深对所述采样点进行钻井，将所述探头布置于所述探头埋深的位置处，在所述探头周围填埋滤料；
S3：在所述滤料上方填埋分隔材料，在所述分隔材料上方填埋隔绝材料；
S4：重复所述S2和所述S3直到所述探头埋深的位置都布置有所述探头，在最上层的隔绝材料上方填埋水泥砂浆，在所述水泥砂浆中埋设管套和管堵，将所述探头的导气管穿过所述管套和所述管堵与所述阀门连接。
具体地，S2布置探头时使用月牙铲卡住所述探头，将所述探头下放到所述探头埋深的位置。
具体地，滤料为石英砂，分隔材料为干膨润土，隔绝材料为湿膨润土。
具体地，数据拼接的方法包括：
对所述关联数据包和所述时间标签使用公式：进行迭代计算，将第i次的计算结果作为时间加密数据，其中，i为设定的迭代次数，k∈{1，2，3}，x k 为所述流量计运行数据、所述负压表运行数据和所述阀门协议地址，t为所述时间标签；
对所述时间加密数据使用映射规则进行映射得到所述数据通信报文，所述映射规则为：
其中，为设定的第n次迭代的混沌系数，/>为预设的混沌阈值。
具体地，气压修正的方法为：
获取所述湿度数据和所述时间标签，根据设定的时间窗口对所述湿度数据提取时序变化特征；
对所述时序变化特征计算变化均值，当所述时序变化特征大于预设的湿度漂移阈值时，对所述气压数据使用公式：进行气压修正，得到所述气压修正值，其中，p t 为所述气压数据，P t 为所述气压修正值，/>为所述时序变化特征，/>为t时刻的湿度数据，/>为预设的气压修正参数。
第二方面，本发明提供的方法包括以下步骤：
根据设定的定时任务向所述阀门协议地址发送取样信号；
获取流量数据，当所述流量数据小于预设的流量阈值时，发送异常告警信息；
获取所述湿度数据和所述气压数据，当所述湿度数据大于预设的湿度阈值时，向所述阀门协议地址发送关闭信号，发送冷凝水告警信息；
根据所述湿度数据对所述气压数据进行修正得到所述气压修正值，当所述气压修正值超过预设的气压阈值时，向所述阀门协议地址发送关闭信号，发送取样送检信号，测量人员根据所述取样送检信号得到空气样本。
本发明的有益效果为：
通过设置有过程参数采集模块、信号传输模块、中央控制模块、测量终端，来对土壤气采集过程进行自动化控制，并且在数据传输过程中使用时间标签对数据进行校验，实现了对土壤气体样本智能化采集，保证了控制的准确性。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的土壤气探头智能控制系统的结构示意图；
图2为本发明中的土壤气自动取样方法的流程图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
请参阅图1，一种土壤气探头智能控制系统，包括以下模块：
土壤气取样模块，包括探头、阀门、流量计、负压表、采样箱和真空泵，所述探头通过导气管与所述真空泵连接，所述探头与所述真空泵之间设置有阀门、流量计、负压表和采样箱；
过程参数采集模块，用于获取流量计运行数据和负压表运行数据，所述流量计运行数据包括流量数据，所述负压表运行数据包括湿度数据和气压数据；
信号传输模块，用于将所述过程参数采集模块获取的所述流量计运行数据、所述负压表运行数据和所述阀门的阀门协议地址进行关联得到关联数据包，获取系统时间得到时间标签，将所述关联数据包和所述时间标签进行数据拼接得到数据通信报文，将所述数据通信报文发送至中央控制模块；
中央控制模块，用于根据设定的定时任务向所述阀门协议地址发送取样信号，获取所述数据通信报文，对所述数据通信报文进行时间校验，当所述时间校验不通过时向测量终端发送数据错误告警信息，当时间校验通过时，对所述数据通信报文进行数据解析得到所述关联数据包，根据所述关联数据包中的流量数据和预设的流量阈值向所述测量终端发送异常告警信息，根据所述关联数据包中的湿度数据和预设的湿度阈值向所述阀门协议地址发送关闭信号，向所述测量终端发送冷凝水告警信息，根据所述湿度数据对所述气压数据进行修正得到气压修正值，当所述气压修正值超过预设的气压阈值时，向所述阀门协议地址发送关闭信号，向所述测量终端发送取样送检信号；
测量终端，用于接收所述中央控制模块发送的告警信息和所述取样信号。
在本实施例中，首先需要对待测场地进行测量系统的施工，在对现场进行采样点分析后，将井打到4米位置，先下25公分石英砂，在通过月牙铲卡住探头将探头下放到3.75米位置，随后在填入25公分石英砂，20公分干膨润土，30公分湿膨润土。重复以上操作，探头分别在3.75、2.75、1.75、0.75米位置。最后一个探头各填充15公分干、湿膨润土，最后20公分水泥封顶。在水泥中埋设管套和管堵，将探头的导气管穿过管套和管堵与阀门连接。
在中央控制模块中注册各阀门、流量计和传感器的地址，数据传输时，数据拼接的方法包括：
对所述关联数据包和所述时间标签使用公式：进行迭代计算，将第i次的计算结果作为时间加密数据，其中，i为设定的迭代次数，k∈{1，2，3}，x k 为所述流量计运行数据、所述负压表运行数据和所述阀门协议地址，t为所述时间标签；
对所述时间加密数据使用映射规则进行映射得到所述数据通信报文，所述映射规则为：
其中，为设定的第n次迭代的混沌系数，/>为预设的混沌阈值。
进一步地，气压修正的方法为：
获取所述湿度数据和所述时间标签，根据设定的时间窗口对所述湿度数据提取时序变化特征；
对所述时序变化特征计算变化均值，当所述时序变化特征大于预设的湿度漂移阈值时，对所述气压数据使用公式：进行气压修正，得到所述气压修正值，其中，p t 为所述气压数据，P t 为所述气压修正值，/>为所述时序变化特征，/>为t时刻的湿度数据，/>为预设的气压修正参数。
如图2所示，本实施例还包括一种土壤气自动取样方法，包括以下步骤：
根据设定的定时任务向所述阀门协议地址发送取样信号；
获取流量数据，当所述流量数据小于预设的流量阈值时，发送异常告警信息；
获取所述湿度数据和所述气压数据，当所述湿度数据大于预设的湿度阈值时，向所述阀门协议地址发送关闭信号，发送冷凝水告警信息；
根据所述湿度数据对所述气压数据进行修正得到所述气压修正值，当所述气压修正值超过预设的气压阈值时，向所述阀门协议地址发送关闭信号，发送取样送检信号，测量人员根据所述取样送检信号得到空气样本。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.一种土壤气探头智能控制系统，其特征在于，包括以下模块：
土壤气取样模块，包括探头、阀门、流量计、负压表、采样箱和真空泵，所述探头通过导气管与所述真空泵连接，所述探头与所述真空泵之间设置有阀门、流量计、负压表和采样箱；
过程参数采集模块，用于获取流量计运行数据和负压表运行数据，所述流量计运行数据包括流量数据，所述负压表运行数据包括湿度数据和气压数据；
信号传输模块，用于将所述过程参数采集模块获取的所述流量计运行数据、所述负压表运行数据和所述阀门的阀门协议地址进行关联得到关联数据包，获取系统时间得到时间标签，将所述关联数据包和所述时间标签进行数据拼接得到数据通信报文，将所述数据通信报文发送至中央控制模块；
中央控制模块，用于根据设定的定时任务向所述阀门协议地址发送取样信号，获取所述数据通信报文，对所述数据通信报文进行时间校验，当所述时间校验不通过时向测量终端发送数据错误告警信息，当时间校验通过时，对所述数据通信报文进行数据解析得到所述关联数据包，根据所述关联数据包中的流量数据和预设的流量阈值向所述测量终端发送异常告警信息，根据所述关联数据包中的湿度数据和预设的湿度阈值向所述阀门协议地址发送关闭信号，向所述测量终端发送冷凝水告警信息，根据所述湿度数据对所述气压数据进行气压修正得到气压修正值，当所述气压修正值超过预设的气压阈值时，向所述阀门协议地址发送关闭信号，向所述测量终端发送取样送检信号；
测量终端，用于接收所述中央控制模块发送的告警信息和所述取样信号；
所述数据拼接的方法包括：
对所述关联数据包和所述时间标签使用公式：
进行迭代计算，将第i次的计算结果作为时间加密数据，其中，i为设定的迭代次数，k∈{1，2，3}，x k 为所述流量计运行数据、所述负压表运行数据和所述阀门协议地址，t为所述时间标签；
对所述时间加密数据使用映射规则进行映射得到所述数据通信报文，所述映射规则为：
，
其中，为设定的第n次迭代的混沌系数，/>为预设的混沌阈值。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探头的布置方法包括：
S1：对测量场地进行采样设计得到采样点位置和探头埋设参数，所述探头埋设参数包括探头数量和探头埋深；
S2：根据所述探头埋深对所述采样点进行钻井，将所述探头布置于所述探头埋深的位置处，在所述探头周围填埋滤料；
S3：在所述滤料上方填埋分隔材料，在所述分隔材料上方填埋隔绝材料；
S4：重复所述S2和所述S3直到所述探头埋深的位置都布置有所述探头，在最上层的隔绝材料上方填埋水泥砂浆，在所述水泥砂浆中埋设管套和管堵，将所述探头的导气管穿过所述管套和所述管堵与所述阀门连接。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述S2布置探头时使用月牙铲卡住所述探头，将所述探头下放到所述探头埋深的位置。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述滤料为石英砂，所述分隔材料为干膨润土，所述隔绝材料为湿膨润土。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气压修正的方法为：
获取所述湿度数据和所述时间标签，根据设定的时间窗口对所述湿度数据提取时序变化特征；
对所述时序变化特征计算变化均值，当所述时序变化特征大于预设的湿度漂移阈值时，对所述气压数据使用公式：
进行气压修正，得到所述气压修正值，其中，p t 为所述气压数据，P t 为所述气压修正值，/>为所述时序变化特征，/>为t时刻的湿度数据，/>为预设的气压修正参数。
6.一种土壤气自动取样方法，其特征在于，使用权利要求1-5任一项所述的系统完成，包括以下步骤：
根据设定的定时任务向所述阀门协议地址发送取样信号；
获取流量数据，当所述流量数据小于预设的流量阈值时，发送异常告警信息；
获取所述湿度数据和所述气压数据，当所述湿度数据大于预设的湿度阈值时，向所述阀门协议地址发送关闭信号，发送冷凝水告警信息；
根据所述湿度数据对所述气压数据进行修正得到所述气压修正值，当所述气压修正值超过预设的气压阈值时，向所述阀门协议地址发送关闭信号，发送取样送检信号，测量人员根据所述取样送检信号得到空气样本。
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2024
- 2024-01-05 CN CN202410014265.0A patent/CN117517623B/zh active Active
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|---|
| 基于色彩运算和混沌粒子群滤波的土壤粗糙度测算;李俐;王荻;王鹏新;黄健熙;朱德海;;农业机械学报;20151231(第03期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| CN117517623A (zh) | 2024-02-06 |
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