技术领域
[0001] 本发明涉及土壤检测技术领域，尤其涉及一种作物根系伴随式土壤检测装置及系统。
相关背景技术
[0002] 作物土壤监测是农业生产中的关键环节，旨在通过科学手段全面评估土壤质量、养分状况、水分含量、酸碱度及污染情况。通过作物土壤监测，可以优化农田生态环境，提高农作物产量和质量，推动可持续农业发展。
[0003] 现有的作物土壤监测技术主要包括传统手工检测、固定式监测站、便携式仪器以及土壤检测传感器。这些方法普遍存在实时性差、成本高、覆盖范围有限、数据处理不够智能化等问题，而且无法自适应跟随作物根系生长周期性地进行不同深度的土壤检测，难以满足现代农业对土壤监测精准度和效率的需求。
具体实施方式
[0037] 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作出创造性劳动的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。
[0038] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0039] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0040] 请参阅图1、图2、图3、图4和图5，本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种作物根系伴随式土壤检测装置，包括：
[0041] 传感器组件100，传感器组件100包括传感器壳体101以及设置于传感器壳体101内部的无线传输模块102、控制模块103、供电模块105和多个传感器探针104，无线传输模块102、供电模块105和多个传感器探针104分别与控制模块103连接，多个传感器探针104自传感器壳体101伸出并围绕传感器壳体101均匀分布，多个传感器探针104用于检测多种土壤参数，控制模块103用于将检测得到的包含多种土壤参数的土壤数据通过无线传输模块102发送至数据处理平台；
[0042] 伴随式底座200，埋置于距离地表第一预设深度处，伴随式底座200内部设置驱动组件201、传动组件202、箱体203以及设置于箱体203内的升降组件204，驱动组件201通过传动组件202连接箱体203内的升降组件204，箱体203与设置于伴随式底座200外部的传感器组件100固定连接；
[0043] 驱动组件201用于在数据处理平台下发的控制指令作用下通过传动组件202控制升降组件203，以带动箱体203以及箱体203上的传感器组件100进行升降运动。
[0044] 具体的，传感器壳体101采用防水、耐腐蚀材料制成，以确保在复杂土壤环境中的稳定运行。在壳体内部，安装无线传输模块102、控制模块103、供电模块105以及多个传感器探针104。多个传感器探针104，如土壤湿度、土壤温度、土壤pH值、土壤电导率等传感器探针，从传感器壳体101均匀伸出，且尖端锋利以减小插入土壤时的阻力。无线传输模块102选用低功耗、长距离通信的内置天线，确保土壤数据能够稳定传输至数据处理平台。控制模块103作为核心处理器，用于接收来自各个传感器探针104的土壤参数信号，并进行初步处理与打包，随后通过无线传输模块102发送。供电模块105则采用可充电电池供电，保证装置的长期运行。
[0045] 伴随式底座200埋置于距离地表的第一预设深度(如65cm)处，通过预埋固定件确保稳固不晃动。在底座内部，驱动组件201选用高效、静音的电机或液压装置，其输出端通过传动组件202(如齿轮组、链条或皮带)与箱体203内的升降组件204相连，保证动力传输的平稳与高效，减少能量损失。
[0046] 箱体203是传感器组件100的载体，采用轻质高强材料制成，既保证了足够的承载能力，又减轻了整体重量，便于升降操作。箱体203与传感器组件100之间通过紧固件固定连接，确保在升降过程中两者同步运动，不发生相对位移。
[0047] 当数据处理平台根据农业管理需求或实时数据分析结果，向驱动组件201发送控制指令时，驱动组件201接收到指令后，立即启动并通过传动组件202驱动升降组件204工作。升降组件204采用伸缩杆2041、主螺杆2042等结构，实现箱体203及其上传感器组件100的升降，从而伴随作物根系生长实现不同深度的土壤检测。
[0048] 作为优选的实施方式，其中，传感器探针104包括：PH值检测探针、电导率检测探针、温度检测探针和湿度检测探针中的一种或多种组合。
[0049] 具体的，传感器探针104包括但不限于采用PH值检测探针、电导率检测探针、温度检测探针及湿度检测探针。根据实际应用需求，可选择单一类型探针进行测量，如仅配置PH值检测探针以监测水质酸碱度；亦可组合多种探针，如同时集成PH值检测探针与电导率检测探针，以同步获取水质酸碱度及离子浓度信息；进一步地，为全面评估作物的土壤环境状况，可组合PH值、电导率、温度及湿度检测探针于一体，通过这一综合型传感器探针104，实现对目标环境或介质的全面、实时、多参数监测，确保数据的全面性和准确性。
[0050] 进一步的，装置还可基于温度检测探针监测到的土壤温度参数，在极端条件(如低温环境)下自动休眠，并通知数据处理平台或服务器，有效延长了设备的使用寿命，节约了能源。
[0051] 作为优选的实施方式，其中，传感器壳体101的顶部呈流线型。
[0052] 具体的，传感器壳体101的顶部中间采用流线型设计，流线型顶部能够减少土壤的阻力。同时，壳体上部外壳则采用高强度材料制成，确保在需要时能够顶开土壤等障碍物，使得传感器在移动过程中更为顺畅。
[0053] 进一步的，无线传输模块102位于控制模块103的上方，有利于无线信号的发射与接收，减少信号干扰，提高数据传输的稳定性与效率。
[0054] 供电模块105位于控制模块103的下方，平衡了整体重量，便于电源线的接入与管理，确保传感器能够持续稳定地工作。
[0055] 作为优选的实施方式，其中，传感器探针104自传感器壳体101向下伸出至与传感器壳体101的底部齐平；或者
[0056] 传感器探针104自传感器壳体101向下伸出至凸出于传感器壳体101的底部。
[0057] 具体的，传感器探针104自传感器壳体101向下伸出，其长度与传感器壳体101的底部齐平或者略凸出，使得传感器在测量时能够紧贴测量面，提高测量的准确性。
[0058] 进一步的，本实施例中，传感器组件100整体径向宽度为75mm，高度为120mm，结构紧凑小巧，降低了对安装空间的要求。
[0059] 作为优选的实施方式，其中，伴随式底座200的顶部设有与箱体203相匹配的通孔。
[0060] 具体的，该通孔作为箱体203的升降通道，通孔尺寸与箱体203尺寸完全匹配。箱体203安装在伴随式底座200内部，并通过此通孔实现自由升降
[0061] 本实施例中，驱动组件201采用电机，作为动力源。电机还连接控制板，控制板用于接收数据处理平台下发的远程指令，并进行指令的解析与执行，能够根据实际监测需求，调整电机的运行状态。
[0062] 本实施例中，伴随式底座200的外壳体采用密封仓，有效隔绝外界环境对内部机械组件的侵蚀，以保护内部的电机、传动组件及控制板等机械组件免受尘土等不利因素的影响，延长设备使用寿命。
[0063] 本实施例中，传动组件202可以由主转动轮2021和副转动轮2022组成，实现了动力的传递。当电机启动时，通过主转动轮2021带动副转动轮2022旋转，进而将动力传递至后续升降组件204的主螺杆2042，驱动传感器组件进行升降运动，具有结构简单、传动效率高、运行稳定等优点。
[0064] 作为优选的实施方式，其中，如图5所示，升降组件204包括：
[0065] 主螺杆2042，主螺杆2042与传动组件202固定连接，传动组件202用于带动主螺杆2042做旋转运动；
[0066] 伸缩杆2041，伸缩杆2041的内螺纹与主螺杆2042的外螺纹啮合连接，伸缩杆2041与箱体203固定连接，用于将主螺杆2042的旋转运动转化为伸缩杆2041的直线运动以带动箱体203以及箱体203上的传感器组件100进行升降运动。
[0067] 具体的，在本实施例中，通过伸缩杆2041和主螺杆2042衔接配合，主螺杆2042固定连接于传动组件202，随着传动组件202的旋转而旋转；伸缩杆2041则通过其内螺纹与主螺杆2042的外螺纹啮合连接，将旋转运动转化为直线运动，从而带动箱体203及传感器组件100进行升降移动，确保机械运动的平稳性和精确性。
[0068] 伴随式底座200的工作原理是根据数据处理平台下发的远程指令，通过电机驱动主转动轮2021和副转动轮2022，实现螺旋式转动；随着副转动轮2022的旋转，主螺杆2042随之旋转，进而控制伸缩杆2041的伸展或收缩，伸缩杆2041的移动带动传感器组件100在土壤中自由上升或下降，以适应不同深度的监测需求。
[0069] 本实施例中，电机的转速和转向、伸缩杆2041的伸缩距离可以根据数据处理平台下发的远程指令进行设定，通过齿轮步进电机的定长换算，不仅提供了高度的灵活性，也使得底座能够根据具体的监测需求，如作物的根系扎根长度和土壤条件，自如地调整传感器的深度，从而实现对土壤环境的精确监测。伸缩杆2041的伸缩幅度可精确至2厘米，实现量程的精确控制，确保了监测精度。
[0070] 通过本发明的机械结构和控制策略，确保传感器能够根据作物根系扎根长度在各种土壤条件下稳定工作，为现代农业提供高质量的土壤监测数据。
[0071] 作为优选的实施方式，其中，升降组件204用于带动箱体203以及箱体203上的传感器组件100在第一预设深度和第二预设深度之间进行升降运动；
[0072] 第二预设深度小于第一预设深度。
[0073] 本实施例中，为了覆盖作物生长过程中不同阶段的监测需求，第一预设深度优选为65cm，确保在作物未种植时，装置整体能够深埋入土壤中，从而避免了对后续种植作业造成的任何潜在影响；还可确保传感器能够在不干扰作物种植的前提下，提前收集并分析土壤的基本参数，为作物的健康生长提供前期准备。
[0074] 本实施例中，第二预设深度优选为20cm，以适应作物种植后，对根系周围土壤环境的即时监测需求。
[0075] 进一步的，在作物种植阶段：随着作物种植作业的完成，数据处理平台会及时下发控制指令至电机，电机接收到指令后，通过升降组件204将箱体203及传感器组件100从第一预设深度(地下65cm)上升至第二预设深度(地下20cm)，以对作物根系周围的土壤环境进行细致检测，为后续的根系生长监测提供基础数据。
[0076] 在作物生长阶段，随着作物根系的不断生长和扎根加深，数据处理平台会根据监测到的根系生长数据，调整升降组件204的工作状态。传感器组件100会自第二预设深度(地下20cm)开始，逐步下降至更深层的土壤，例如30cm处，以持续监测土壤条件并适应植物的生长需求。这一动态调整过程确保了传感器能够始终贴近根系活动区域，提供精确的土壤参数监测。
[0077] 在作物收割阶段，在作物即将进入收割期前，数据处理平台会再次下发指令，将传感器组件100从当前深度重新收回至第一预设深度(地下65cm)，至此完成一个作物生长周期的监测任务。
[0078] 通过引入自适应伴随式升降控制的土壤监测技术，提升了装置在作物生长过程中的灵活性和适应性，确保了土壤参数监测的连续性和深入性。在作物种植、生长和收割的各个阶段，传感器都能根据实际需求进行智能调整，为精准农业和作物健康管理提供了强有力的数据支持。
[0079] 作为优选的实施方式，其中，控制模块103包括：
[0080] 第一接收单元，用于接收数据处理平台下发的作物生长周期的监测任务；
[0081] 处理单元，连接第一接收单元，用于根据监测任务生成监测指令，并将监测指令发送至多个传感器探针；
[0082] 第二接收单元，分别连接多个传感器探针和处理单元，用于接收土壤数据；
[0083] 上传单元，分别连接处理单元和无线传输模块，用于周期性地将土壤数据发送至数据处理平台；以及根据数据处理平台下发的采集指令实时将土壤数据发送至数据处理平台。
[0084] 具体的，监测任务包括但不限于监测时间、监测参数(如土壤pH值、电导率、温度、湿度等)以及监测频率等。
[0085] 处理单元接收监测任务后，根据预设的算法或逻辑生成相应的监测指令。这些指令包括启动传感器探针的指令、数据采集频率设置等，并通过内部总线或通信接口发送至多个传感器探针；然后，第二接收单元用于接收从传感器探针传回的土壤数据，包括实时土壤pH值、电导率、温度、湿度等关键参数。
[0086] 上传单元具有两种工作模式：
[0087] 定时自动采集模式：能够自动定时将土壤数据上传至数据处理平台，确保数据收集的连续性和实时性。可以根据监测需求和网络环境调整数据上传的时间间隔。优选的，装置开机后，初始3分钟间隔连续上传三次数据，便于安装调试，随后按设定时间间隔上传；
[0088] 按需手动采集模式：根据数据处理平台下发的采集指令，实时将土壤数据发送至平台，以满足即时性需求。
[0089] 进一步的，无论是选择哪一种采集方式，采集指令都利用北斗卫星通信技术，实现远距离、稳定的数据传输。具体来说，指令首先被发送至北斗网关，该网关利用其远距离无线通信能力，将数据传输任务分发送给作物根系伴随式土壤检测装置。
[0090] 在数据传输过程中，所有数据采用国密算法加密，确保数据安全。
[0091] 在北斗卫星通信中，提供了两种模式以适应不同的应用场景：
[0092] 插卡模式：启用卫星主动通信，确保数据实时传输，满足对即时性有高要求的应用。
[0093] 不插卡模式：采用卫星被动通信，数据获取虽然随机，但依然可靠，适用于不需要实时数据传输的场合。
[0094] 本实施例中，每个作物根系伴随式土壤检测装置基于SIM卡具有唯一编码，确保设备识别和数据归属的准确性。通过设备的唯一编码系统和数据加密传输机制，确保了监测数据的准确性和安全性。
[0095] 本实施例中，装置提供用户友好的操作界面，通过设置简易的开关机按键，简化通断电操作流程。装置还具备远程设备管理功能，支持远程升级设备程序和远程重启设备，增强设备的可维护性和稳定性。
[0096] 本发明还提供一种作物根系伴随式土壤检测系统，包括数据处理平台以及与数据处理平台通信连接的至少一个如上述的作物根系伴随式土壤检测装置，还包括：
[0097] 数据处理平台用于根据作物类型下发作物生长周期的监测任务至作物根系伴随式土壤检测装置，并接收反馈的土壤数据；以及根据土壤数据和作物类型监测作物生长周期。
[0098] 作为优选的实施方式，其中，数据处理平台还包括：
[0099] 提示与预警模块，连接用户终端，用于在监测到土壤参数超过预设范围时输出预警信息至用户终端；以及用于根据作物生长周期所处的阶段和土壤参数输出提示信息至用户终端。
[0100] 具体的，系统设置预警功能，当监测到土壤环境参数超出预设范围时，系统自动发送预警信息至手机端，以便及时采取措施。
[0101] 进一步的，如图6所示，系统整体架构分为用户层、应用层、指挥层和采集层。
[0102] 用户层包括基地管理人员、后台管理人员和农户等，可以通过手机或电脑随时随地查看土壤数据，并根据数据分析结果制定农业生产计划。
[0103] 应用层作为数据处理平台，提供作物土壤数据分析等高级功能，能够深度分析土壤数据，提供科学的决策支持，极大提升了作物管理的效率和精准度。
[0104] 指挥层采用北斗网关进行通信，无论是在主动通信模式下(通过插卡)还是被动通信模式下，均能与北斗卫星建立稳定连接。北斗卫星接收来自地面站中继的指令或数据，再通过其覆盖广泛的卫星网络，将信息传递至农业监测平台。通过这种高效、可靠的通信机制，本发明系统能够及时响应环境变化，为精准农业提供强有力的数据支持，推动农业现代化的发展。
[0105] 采集层则包括上述的作物根系伴随式土壤检测装置。该平台通过远距离无线通信技术，与传感器组件100以及伴随式底座200进行无缝通讯，确保了整个通讯链路的可靠性和稳定性。这一闭环系统的设计，使得无论在何种环境下，都能保证数据采集和传输的无障碍进行，从而实现对农作物生长环境的实时、连续监测，并将土壤数据以直观、易懂的形式展示。
[0106] 本发明通过高精度、实时性的数据采集，结合先进的数据处理算法，实现对土壤环境的全面监测。该系统通过智能化的数据分析，为农业领域提供精确的决策支持，旨在提升作物生产效率，优化资源管理，降低生产成本，同时推动农业向智能化、精准化方向的转型，以满足现代农业可持续发展的需求。
[0107] 本领域普通技术人员将会理解，本发明的各个方面、或各个方面的可能实现方式可以被具体实施为系统、方法或者计算机程序产品。因此，本发明的各方面、或各个方面的可能实现方式可以采用完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、驻留软件等等)，或者组合软件和硬件方面的实施例的形式，在这里都统称为“电路”、“模块”或者“系统”。此外，本发明的各方面、或各个方面的可能实现方式可以采用计算机程序产品的形式，计算机程序产品是指存储在存储器中的计算机指令。
[0108] 存储器可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质包含但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、设备或者装置，或者前述的任意适当组合，如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或者快闪存储器)、光纤、便携式只读存储器(CD‑ROM)。
[0109] 计算机中的处理器读取存储在存储器中的计算机指令，使得处理器能够执行在流程图中每个步骤、或各步骤的组合中规定的功能动作；生成实施在框图的每一块、或各块的组合中规定的功能动作的装置。
[0110] 应当理解的是，计算机中的处理器可以被理解为一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、DSP、可编程逻辑器件(PLD)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器(MCU)、微处理器(Microprocessor)、或者其他电子元件实现，用于执行前述计算机指令。
[0111] 计算机指令可以完全在用户的本地计算机上执行、部分在用户的本地计算机上执行、作为单独的软件包、部分在用户的本地计算机上并且部分在远程计算机上，或者完全在远程计算机或者服务器上执行。也应该注意，在某些替代实施方案中，在流程图中各步骤、或框图中各块所注明的功能可能不按图中注明的顺序发生。例如，依赖于所涉及的功能，接连示出的两个步骤、或两个块实际上可能被大致同时执行，或者这些块有时候可能被以相反顺序执行。
[0112] 采用上述技术方案的优点或有益效果在于：本发明装置通过伴随式底座和传感器组件，实现自适应跟随作物根系生长周期性地进行不同深度的土壤检测；同时，该装置能够长期稳定工作、无需频繁维护、可同时监测多种关键土壤参数。
[0113] 以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
