CN111505249B 一种多通道采控一体化土壤气体通量监测系统及监测方法 （阜新工大华联科技有限公司）

(12)发明专利CN210037800U,2020.02.07审查员朱金虎王永军张河猛杨晓晨董伟刘筱颖李婉静公司21109一种多通道采控一体化土壤气体通量监测本发明提供一种多通道采控一体化土壤气电K%-21.一种多通道采控一体化土壤气体通量监测系统，其特征在于，包括控制器、传感器单理器进行数据交互；所述传感器单元包括气体传感器单元、温度传感器、气压传感器和土壤水分传感器，所所述气室单元包括安装有闸板的筒体、换气扇、上限位开关、下限位开关和土环，所述所述筒体中部为内筒和外筒双层结构，内筒壁面开设导向槽；内外筒壁连接处形成限位卡槽，限位卡槽上附有限位卡槽密封胶圈，用于实现与土环的密封连接；所述筒体内筒壁中隔处设置两片传感器固定板，所述筒体内筒壁内侧上部一侧设置半圆形换气扇固定板，换气扇固定在其下表面；其中传感器固定板上端与换气扇固定板高度平齐，下端与筒体下缘平齐，两片传感器插口板分别安装于传感器固定板上；所述CO₂传感装于另外一个传感器插口板上；所述人机交互界面包括显示屏、指示灯、操作按CO₂传感器、0₂传感器、CO传感器、CH₄传感器、温度传感器、土壤水分传感器分别通过RS485通信与MCU单片机进行数据传输，气压传感器通过IIC通信与MCU单片机进行数据传输，步进电机通过导线与MCU单片机相连，换气扇、上限位开关和下限位开关分别通过导线Wi-Fi热点信号与ARM应用处理器进行数据交互；所述CO₂传感器用于实时采集气室中的CO₂浓度数据，所述0₂传感器用于实时采集气室中的0₂浓度数据，所述CO传感器用于实时采集气室中的CO浓度数据，所述CH₄传感器用于实时采集气室中的CH₄浓度数据；所述温度传感器用于实时采集气室中的气室温度数据；所述气压传感器用于实时采集气室中的气压数据；所述土壤水分传感器用于实时采集气室周边地表的土壤温度和土壤水分数据；0控制单元和GPS授时定位单元；所述中央处理器单元用于实现闸板控制单元和I/0控制单元的运行控制，并用于处理各个传感器采集到的实时数据；所述RS485通信单元用于实现中央处理器单元对气体传感器单元、温度传感器和土壤水分传感器采集指令的下达和数据的读取，并通过modbus协议和对各个传感器轮询读取的方式，实现所述监测系统不限制接入传感器的种类、个数；所述IIC通信单元用于实现中央处理器单元对气压传感器采集指令的下达和数据的读所述闸板控制单元用于控制步进电机实现密闭隔板的提升或者下降，控制换气扇实现气室的换气，还用于对气室监测静置时长进行控制；所述I/0控制单元用于实现中央处理器单元对显示屏、指示灯、操作按键的控制；3所述GPS授时定位单元包括GPS接收器，GPS接收器通过导线与MCU单片机进行数据传输，通过GPS接收器从卫星上获取标准时钟信号和地理位置信息，并将所述标准时钟信号和标准地理位置信息传输给中央处理器单元，实现对所述监测系统时间的校准和实时位置的述ARM应用处理器集成有网页控制功能和文件管理功能；人机交互界面的网页端通过Wi-Fi热点单元和网页控制单元实现网页端与ARM应用处理器的信息交互，通过文件管理单元实现对存储单元中数据的存储、查找、导出和删除的功能操作，通过文件管理单元还可实现与外接USB存储介质的数据交互功能；所述Wi-Fi热点单元用于发射Wi-Fi热点远程连接信号，以ARM应用处理器系统作为服务器端，手机或PC作为客户机端，实现2.4GHz无线通信形式的数据交互；所述网页控制单元用于实现网页端与ARM应用处理器的信息交互，通过Wi-Fi热点信号和USART数据交互方式，用户可在人机交互界面的网页端远程向中央处理器单元发送修改系统的功能参数或文件管理请求，中央处理器单元也可将接收到的实时数据传输到人机交互界面的网页端，所述系统的功能参数包括系统总循环数设置、单循环数据采集个数设置、文件管理密码设置、Wi-Fi热点名称和连接密码设置、无限循环模式设置，所述文件管理请求包括数据文件的导出、删除和实时数据的查询；所述文件管理单元用于通过集成在ARM应用处理器上的Linux系统，实现对数据文件的存储、查找、导出和删除功能，当监测系统插入外接USB存储介质时，文件外接存储介质的接入信号，并通过USART数据交互将识别的接入信号反馈给中央处理器单元，中央处理器单元根据接收到的接入信号，发送指令控制USB检测灯亮起，当用户通过人机交互界面输入文件复制/下载的请求信号时，文件管理单元通过USART数据交互将请求信号反馈给中央处理器单元，中央处理器单元根据接收的请求信号，发送指令控制数据传输灯亮起，并以闪烁频次来反映文件传输速率；所述存储单元用于存储和备份Linux系统中的实时数据、传感器采集的实时数据、计算信息，所述指示灯状态信息包括指示系统运行状态的状态指示灯，指示系统错误信息的错2.根据权利要求1所述的一种多通道采控一体化土壤气体通量监测系统，其特征在于，所述闸板控制单元用于控制步进电机实现密闭隔板的提升，具体表述为：中央处理器单元向闸板控制单元发送气室开启指令后，闸板控制单元控制步进电机启动，中央处理器单元记录电机运行状态为1,步进电机带动密闭隔板开始提升，当密闭隔板触发了上限位开关时，或尚未触发上限位开关但步进电机行走步数到达预设步数时，闸板控制单元反馈信号给中央处理器单元，中央处理器单元记录电机运行状态为0,并发送指令至闸板控制单元，通过闸板控制单元切断电机电源，密闭隔板提升运行结束，气室处于完全开放状态，通过闸板控制单元输出闸板提升运行结束的信号，并反馈给中央处理器单元。3.根据权利要求1所述的一种多通道采控一体化土壤气体通量监测系统，其特征在于，4所述闸板控制单元用于控制换气扇实现气室的换气，具体表述为：中央处理器单元接收到闸板提升运行结束的信号后，发送指令控制换气扇启动工作，中央处理器单元记录换气扇运行状态为1,并通过闸板控制单元对换气扇的工作时长开始计时，当换气扇的工作时长达到预设工作时长时，通过闸板控制单元输出换气结束的信号，并反馈给中央处理器单元，中央处理器单元记录换气扇运行状态为0,并发送指令切断换气4.根据权利要求1所述的一种多通道采控一体化土壤气体通量监测系统，其特征在于，所述闸板控制单元用于控制步进电机实现密闭隔板的下降，具体表述为：中央处理器单元向闸板控制单元发送气室关闭指令后，闸板控制单元控制步进电机启动，中央处理器单元记录电机运行状态为1,步进电机带动密闭隔板开始下降，当密闭隔板触发了下限位开关时，或尚未触发下限位开关但步进电机行走步数到达预设步数时，闸板控制单元反馈信号给中央处理器单元，中央处理器单元记录电机运行状态为0,并发送指令至闸板控制单元，通过闸板控制单元切断电机电源，密闭隔板下降运行结束，气室处于完全密闭状态，通过闸板控制单元输出闸板下降运行结束的信号，并反馈给中央处理器单元。5.根据权利要求1所述的一种多通道采控一体化土壤气体通量监测系统，其特征在于，所述闸板控制单元用于对气室监测静置时长进行控制，具体表述为：中央处理器单元接收到换气结束的信号后，通过闸板控制单元对气室的静置时长开始计时，当系统静置时长达到预设静置时长时，对气室监测静置时长的控制运行结束，通过闸板控制单元输出监测静置结束的信号，并反馈给中央处理器单元。6.根据权利要求1所述的一种多通道采控一体化土壤气体通量监测系统，其特征在于，所述的中央处理器单元对采集到的实时数据进行处理，具体表述为：气体传感器单元通过RS485通信单元将采集到的气体数据传输给中央处理器单元，所通过RS485通信单元将采集到的气室温度数据传输给中央处理器单元，土壤水分传感器通过RS485通信单元将采集到的土壤温度和土壤水分数据传输给中央处理器单元，气压传感器通过IIC通信单元将采集到的气压数据传输给中央处理器单元，中央处理器单元对接收到的各个传感器的模拟信号进行模数转换处理，得到各个模拟信号对应的数字量信号，所述模拟信号包括气体数据、气室温度数据、气压数据、土壤温度和土壤水分数据，中央处理器单元应用最小二乘法对数字量信号进行时间和浓度关系的解算处理，得到气体浓度上升斜率值和拟合优度值，将浓度上升斜率值带入通量计算公式中，得到各采集气体数据的通量值，并将计算得到的通量值及各气体数据、气室温度数据、气压数据、土壤温度和土壤水分数据存储在存储单元中，所述拟合优度值用于评价通量值计算的可靠性。7.一种使用权利要求1-6任意一项所述的一种多通道采控一体化土壤气体通量监测系步骤1:闸板提升阶段：运行周期开始后，启动步进电机带动密闭隔板提升，直至触动上限位开关后切断步进电机电源，密闭隔板上的圆形盖板提升至换气口上缘，气室处于完全开放状态，系统每次循环前首先检测闸板状态，若由于异物阻滞或上次未完成循环而导致气室未处于完全开放状态，则需控制步进电机带动密闭隔板运行至气室处于完全开放状态，若首次循环开始前气室已处于完全开放状态，则系统默认等待步进电机完成预设步数5步骤2:换气阶段：气室处于完全开放状态时，控制换气扇开始工作，并对换气扇的工作时长开始计时，当换气扇的工作时长达到预设工作时长时换气结束；步骤3:监测静置阶段：换气结束后，为减少换气扰动对气室内气体监测的影响，通过监测系统气室的静置时长，气室内气体处于自然涌出状态，当气室的静置时长达到预设静置时长时监测静置结束；步骤4:闸板下降阶段：当监测静置结束时，控制步进电机带动密闭隔板下降，直至触动下限位开关后切断步进电机电源，圆形盖板的下缘位置贴紧筒体内筒壁上沿，气室处于完全闭合状态；步骤5:测定阶段：当气室处于完全闭合状态时，控制各个传感器按照预设的采样时间间隔开始实时数据采集工作，各个传感器采集到的实时数据经过中央处理器单元的处理之后存储在存储单元中，当每个循环周期内存储的实时数据达到预设采样总数时，系统停止记录数据，一个循环监测周期结束，监测系统进入下一循环闸板提升阶段。6一种多通道采控一体化土壤气体通量监测系统及监测方法技术领域[0001]本发明涉及生态、环保、矿业、安全领域内的气体通量监测技术领域，尤其涉及一种多通道采控一体化土壤气体通量监测系统及监测方法。背景技术[0002]土壤是陆地生态系统最重要的核心构成部分，它既是地球的生产者，涵养水分与养分维持植物生长，并通过食物链供给陆生生物；它也是地球的分解者，通过微生物将环境产生的废弃物分解成二氧化碳或无机氮、无机磷等小分子，之后再次进入物质循环。土壤在调节植物生长和物质循环的同时，不断与大气环境之间进行气体交换(CO₂,氮氧化物，硫化物等),维持着大气组成的稳定性。因此，地表土壤气体通量的长期连续监测对于土壤生态系统评估、深部地层状态判定等方面具有重要意义。[0003]基于已公开的专利《一种智能土壤气体通量监测数据采集系统》(专利申请号为CN201920807690.X,授权公开(公告)号为CN210037800U),存在以下问题：1)监测通道单一。在土壤温室气体呼吸作用评估方面，只监测CO₂或0₂中的一种气体，不能综合考量土壤呼吸和地表植被光合作用的耦合影响，影响了数据的可信度；在煤层或采空区煤自燃监测预警证才能实现对燃烧状态、火区范围、移动方向、移动速度的准确可靠判定，若无法对多种气体进行同步在线监测，将大大降低监测效率和评估准确性。2)结构设计不合理。监测系统采用成本高、体积大的工控模块，导致控制系统和采集系统必须分体设计，存在接线复杂，体场条件的局限性相对较大，便携性和野外适应性相对较差。3)气室细节不完善。气体传感器单元置于土环内，在手动安装和拆卸传感器过程中，势必会对气体传感器单元内精密的电子元器件造成震动，缩短其工作寿命，会影响监测准确性。另一方面气室换气口外无防雨设施，雨雪天气气室内气体传感器单元浸水概率增加，大大降低传感器使用寿命。4)功能设置不灵活。用户端不能自行随意设定和变更监测循环周期数、监测时间、采样间隔时间等监测参数，若需要参数变更只能通过外接计算机进行程序调试来实现，不能满足不同实验要求，不利于解决不同工程实践问题。5)系统操作不智能。无可视化界面，不能实时掌握系统运行状态和数据采集情况，只能通过USB介质人工导出文件到PC端才能查看。另一方面无法实现无线远程控制，需要专人负责实地观测系统运行状态和进行文件传输管理，监测效率很难提升。发明内容[0004]针对上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种可以同时考察多种气体和环境要素、便携程度更好、野外适应更强、操作更加智能灵活、更加安全可靠的土壤气体通量监测系统及监测方法。[0005]为实现上述技术效果，本发明提出了一种多通道采控一体化土壤气体通量监测系7用处理器进行数据交互；[0007]所述传感器单元包括气体传感器单元、温度传感器、气压传感器和土壤水分传感[0008]所述气室单元包括安装有闸板的筒体、换气扇、上限位开关、下限位开关和土环，[0009]所述人机交互界面包括显示屏、指示灯、操作按输，步进电机通过导线与MCU单片机相连，换气扇、上限位开关和下限位开关分别通过导线Wi-Fi热点信号与ARM应用处理器进行数据交互；[0011]所述CO₂传感器用于实时采集气室中的CO₂浓度数据，所述0₂传感器用于实时采集气室中的0₂浓度数据，所述CO传感器用于实时采集气室中的CO浓度数据，所述CH₄传感器用于实时采集气室中的CH₄浓度数据；[0012]所述温度传感器用于实时采集气室中的气室温度数据；[0013]所述气压传感器用于实时采集气室中的气压数据；[0014]所述土壤水分传感器用于实时采集气室周边地表的土壤温度和土壤水分数据；[0016]所述中央处理器单元用于实现闸板控制单元和I/0控制单元的运行控制，还用于处理各个传感器采集到的实时数据；[0017]所述RS485通信单元用于实现中央处理器单元对气体传感器单元、温度传感器和土壤水分传感器采集指令的下达和数据的读取，并通过modbus协议和对各个传感器轮询读取的方式，实现所述监测系统不限制接入传感器的种类、个数；[0018]所述IIC通信单元用于实现中央处理器单元对气压传感器采集指令的下达和数据[0019]所述闸板控制单元用于控制步进电机实现密闭隔板的提升或者下降，控制换气扇实现气室的换气，还用于对气室监测静置时长进行控制；[0020]所述I/0控制单元用于实现中央处理器单元对显示屏、指示灯、操作按键的控制；传输，通过GPS接收器从卫星上获取标准时钟信号和地理位置信息，并将所述标准时钟信号和标准地理位置信息传输给中央处理器单元，实现对所述监测系统时间的校准和实时位置[0022]所述ARM应用处理器包括Wi-Fi热点单元、网页控制单元、文件管理单元和存储单[0023]人机交互界面的网页端通过Wi-Fi热点单元和网页控制单元实现网页端与ARM应用处理器的信息交互，通过文件管理单元实现对存储单元中数据的存储、查找、导出和删除8的功能操作，通过文件管理单元还可实现与外接USB存储介质的数据交互功能；[0024]所述Wi-Fi热点单元用于发射Wi-Fi热点远程连接信号，以ARM应用处理器系统作[0025]所述网页控制单元用于实现网页端与ARM应用处理器的信息交互，通过W信号和USART数据交互方式，用户可在人机交互界面的网页端远程向中央处理器单元发送修改系统的功能参数或文件管理请求，中央处理器单元也可将接收到的实时数据传输到人机交互界面的网页端，所述系统的功能参数包括系统总循环数设置、单循环数据采集个数理请求包括数据文件的导出、删除和实时数据的查询；[0026]所述文件管理单元用于通过集成在ARM应用处理器上的Linux系统，实现对数据文件的存储、查找、导出和删除功能，当监测系统插入外接USB存储介质时，文件管理单元首先识别外接存储介质的接入信号，并通过USART数据交互将识别的接入信号反馈给中央处理器单元，中央处理器单元根据接收到的接入信号，发送指令控制USB检测灯亮起，当用户通过人机交互界面输入文件复制/下载的请求信号时，文件管理单元通过USART数据交互将请求信号反馈给中央处理器单元，中央处理器单元根据接收的请求信号，发送指令控制数据传输灯亮起，并以闪烁频次来反映文件传输速率；[0027]所述存储单元用于存储和备份Linux系统中的实时数据、传感器采集的实时数据、状态信息，以及MCU单片机处理数据时的临时数据信息、ARM应用处理器处理数据时的临时数据信息，所述指示灯状态信息包括指示系统运行状态的状态指示灯，指示系统错误信息[0028]所述闸板控制单元用于控制步进电机实现密闭隔板的提升，具体表述为：中央处理器单元向闸板控制单元发送气室开启指令后，闸板控制单元控制步进电机启动，中央处理器单元记录电机运行状态为1,步进电机带动密闭隔板开始提升，当密闭隔板触发了上限位开关时，或尚未触发上限位开关但步进电机行走步数到达预设步数时，闸板控制单元反馈信号给中央处理器单元，中央处理器单元记录电机运行状态为0,并发送指令至闸板控制单元，通过闸板控制单元切断电机电源，密闭隔板提升运行结束，气室处于完全开放状态，通过闸板控制单元输出闸板提升运行结束的信号，并反馈给中央处理器单元。[0029]所述闸板控制单元用于控制换气扇实现气室的换气，具体表述为：中央处理器单元接收到闸板提升运行结束的信号后，发送指令控制换气扇启动工作，中央处理器单元记录换气扇运行状态为1,并通过闸板控制单元对换气扇的工作时长开始计时，当换气扇的工作时长达到预设工作时长时，通过闸板控制单元输出换气结束的信号，并反馈给中央处理器单元，中央处理器单元记录换气扇运行状态为0,并发送指令切断换气扇电源，换气工作[0030]所述闸板控制单元用于控制步进电机实现密闭隔板的下降，具体表述为：中央处理器单元向闸板控制单元发送气室关闭指令后，闸板控制单元控制步进电机启动，中央处理器单元记录电机运行状态为1,步进电机带动密闭隔板开始下降，当密闭隔板触发了下限位开关时，或尚未触发下限位开关但步进电机行走步数到达预设步数时，闸板控制单元反9馈信号给中央处理器单元，中央处理器单元记录电机运行状态为0,并发送指令至闸板控制单元，通过闸板控制单元切断电机电源，密闭隔板下降运行结束，气室处于完全密闭状态，通过闸板控制单元输出闸板下降运行结束的信号，并反馈给中央处理器单元。[0031]所述闸板控制单元用于对气室监测静置时长进行控制，具体表述为：中央处理器单元接收到换气结束的信号后，通过闸板控制单元对气室的静置时长开始计时，当系统静置时长达到预设静置时长时，对气室监测静置时长的控制运行结束，通过闸板控制单元输出监测静置结束的信号，并反馈给中央处理器单元。[0032]所述的中央处理器单元对采集到的实时数据进行处理，具体表述为：气体传感器单元通过RS485通信单元将采集到的气体数据传输给中央处理器单元，所述气体数据包括单元将采集到的气室温度数据传输给中央处理器单元，土壤水分传感器通过RS485通信单元将采集到的土壤温度和土壤水分数据传输给中央处理器单元，气压传感器通过IIC通信单元将采集到的气压数据传输给中央处理器单元，中央处理器单元对接收到的各个传感器的模拟信号进行模数转换处理，得到各个模拟信号对应的数字量信号，所述模拟信号包括气体数据、气室温度数据、气压数据、土壤温度和土壤水分数据，中央处理器单元应用最小二乘法对数字量信号进行时间和浓度关系的解算处理，得到气体浓度上升斜率值和拟合优度值，将浓度上升斜率值带入通量计算公式中，得到各采集气体数据的通量值，并将计算得到的通量值及各气体数据、气室温度数据、气压数据、土壤温度和土壤水分数据存储在存储单元中，所述拟合优度值用于评价通量值计算的可靠性。[0033]一种使用多通道采控一体化土壤气体通量监测系统的监测方法，包括如下步骤：[0034]步骤1:闸板提升阶段：运行周期开始后，启动步进电机带动密闭隔板提升，直至触动上限位开关后切断步进电机电源，密闭隔板上的圆形盖板提升至换气口上缘，气室处于完全开放状态，系统每次循环前首先检测闸板状态，若由于异物阻滞或上次未完成循环而导致气室未处于完全开放状态，则需控制步进电机带动密闭隔板运行至气室处于完全开放状态，若首次循环开始前气室已处于完全开放状态，则系统默认等待步进电机完成预设步[0035]步骤2:换气阶段：气室处于完全开放状态时，控制换气扇开始工作，并对换气扇的工作时长开始计时，当换气扇的工作时长达到预设工作时长时换气结束；[0036]步骤3:监测静置阶段：换气结束后，为减少换气扰动对气室内气体监测的影响，通过监测系统设置气室的静置时长，气室内气体处于自然涌出状态，当气室的静置时长达到预设静置时长时监测静置结束；[0037]步骤4:闸板下降阶段：当监测静置结束时，控制步进电机带动密闭隔板下降，直至触动下限位开关后切断步进电机电源，圆形盖板的下缘位置贴紧筒体内筒壁上沿，气室处于完全闭合状态；[0038]步骤5:测定阶段：当气室处于完全闭合状态时，控制各个传感器按照预设的采样时间间隔开始实时数据采集工作，各个传感器采集到的实时数据经过中央处理器单元的处理之后存储在存储单元中，当每个循环周期内存储的实时数据达到预设采样总数时，系统停止记录数据，一个循环监测周期结束，监测系统进入下一循环闸板提升阶段。[0039]本发明的有益效果是：[0040]1)监测通道的增加：本发明通过自行开发的应用程序控制和硬件功能扩展能够实现对多种气体的同步在线监测，除了土壤气体通量中常见的CO₂和温、湿度传感器外，增加化，可综合考量土壤呼吸和地表植被光合作用的耦合影响，评估两者的协同作用效果，增强及硫化物等多种指标气体浓度、通量数据，提升了对地下煤火的燃烧状态评估、火区范围划定、移动方向和速度预判的可靠性和精准性。[0041]2)采控一体化集成：区别于传统测量与采集系统的分体设计，本发明将控制系统与采集系统集成为一体，充分提高了便携性和野外适应性。[0043]4)客户端操作权限：区别于传统监测系统用户不能随意设定和变更监测参数，参数变更只能通过外接计算机进行程序调试来实现。本发明设置显示屏和操作按键，可以通过系统人机交互界面实现监测循环周期数设定、时间与密码设置，监测数据实时显示、运行状态查看与检测、文件传输与管理等功能。[0044]5)无线操作可远程：本发明实现Wi-Fi热点接入，手机或者PC可以通过Wi-Fi与系统进行通信。开发网页端操控界面，可轻松在网页端实现与实体操作界面相同的显示功能、参数设定和系统控制，无需人工实地观测系统运行状态和进行文件传输管理等操作，监测效率有了较大提升，适用于野外无人值守的长期连续性监测工作。[0045]6)硬件的细节改造：本发明将所有气体传感器集中设置到气室中，优化传感器空间布局，简化了土环功能，取消土环中的传感器及其固定环等设置，无需手动安装和拆卸传感器，避免对气室上部精密电子元器件造成震动干扰；换气口外加设防雨帽，以提高雨雪风沙等极端天气的监测适应性。附图说明[0046]图1为本发明中的多通道采控一体化土壤气体通量监测系统功能示意图；[0047]图2为本发明中的多通道采控一体化土壤气体通量监测系统结构示意图；[0048]图3为本发明中的结构A-A截面剖视图；(a)为气室密闭状态，(b)为气室开放状态；[0049]图4为本发明中的结构B-B截面剖视图；(a)为气室密闭状态，(b)为气室开放状态；[0050]图5为本发明中的多通道采控一体化土壤气体通量监测系统的人机交互界面示意[0051]图6为本发明中的多通道采控一体化土壤气体通量监测系统控制时序图；[0052]图7为本发明中的多通道采控一体化土壤气体通量监测系统的电气接线图；2-1-换气口，2-2-过滤口，2-3-线槽，2-4-导2-6-2-后传感器固定板，2-7-1-前传感器插口板，2-7-2-后传感器插口板，2-8-换气口防雨4-CH₄传感器，4-5-温度传感器，4-6-气压传感器，4-7-11开关，9-人机交互界面，9-1-显示屏，9-2-指示灯，9-2-1-状态9-2-3-USB检测灯、9-2-4-数据传输灯，9-3-操作按键，9-3-1-电源开关键，9-3-2-具体实施方式[0054]下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明，以下优选实施方式仅仅是示例性的，本发明包括但不限于以下实施方式。[0055]如图1-2所示，一种多通道采控一体化土壤气体通量监测系统，包括控制器1、传感[0057]所述传感器单元包括气体传感器单元、温度传感器4-5、气压传感器4-6和土壤水分传感器4-7,所述气体传感器单元包括但不限于CO₂传感器4-1、0₂传感器4-2、CO传感器4-3、CH₄传感器4-4,各个传感器在安装时采用对称安装方式；[0058]所述气室单元包括安装有闸板5的筒体2、换气扇7-1、上限位开关8-1、下限位开关8-2和土环3,所述闸板5由密闭隔板、步进电机5-5、升降轴5-3、柔性连接件5-4和防尘罩5-6组成；[0059]所述人机交互界面9包括显示屏9-1、指示灯9-2、操作按键9-3和网页端9-4;分传感器4-7分别通过RS485通信与MCU单片机6-1进行数据传输，气压传感器4-6通过IIC通信与MCU单片机6-1进行数据传输，步进电机5-5通过导线与MCU单片机6-1相连，换气扇7-1、上限位开关8-1和下限位开关8-2分别通过导线与MCU单片机6-1相连，显示屏9-1、指示灯9-用处理器6-2进行数据交互；[0061]所述CO₂传感器4-1用于实时采集气室中的CO₂浓度数据，所述0₂传感器4-2用于实传感器4-4用于实时采集气室中的CH₄浓度数据；[0062]所述温度传感器4-5用于实时采集气室中的气室温度数据；[0063]所述气压传感器4-6用于实时采集气室中的气压数据；[0064]所述土壤水分传感器4-7用于实时采集气室周边地表的土壤温度和土壤水分数[0066]系统上电之后，用户通过人机交互界面9设置各功能参数并下达循环运行开启指令，中央处理器单元通过RS485通信单元控制气体传感器单元、温度传感器4-5、土壤水分传感器4-7开启数据采集工作，通过IIC通信单元控制气压传感器4-6开启数据采集工作，循环运行开始，中央处理器单元自动下达气室开启指令，通过闸板控制单元控制步进电机5-5实现密闭隔板的提升，当密闭隔板提升结束后，通过闸板控制单元输出闸板5提升运行结束的信号，并反馈给中央处理器单元，中央处理器单元记录气室状态为1,表示气室为完全开放状态，中央处理器单元接收到闸板5提升运行结束的信号后，指令闸板控制单元控制换气扇7-1工作，当达到预设的换气扇7-1工作时长时，换气结束，通过闸板控制单元输出换气结束的信号，并反馈给中央处理器单元，当中央处理器单元接收到换气结束的信号后，指令闸板控制单元对气室进行监测静置时长的控制，实现气室内气体静置一定时间而消除换气过程中对土壤气体涌出扰动影响的要求，当达到预设的静置时长时，监测静置结束，通过闸板控制单元输出监测静置结束的信号，并反馈给中央处理器单元，中央处理器单元接收到监测静置结束的信号后，通过闸板控制单元控制步进电机5-5实现密闭隔板的下降，当密闭隔板下降结束后，通过闸板控制单元输出闸板5下降运行结束的信号，并反馈给中央处理器单元，中央处理器单元记录气室状态为0,表示气室为完全闭合状态，中央处理器单元接收到闸板5下降运行结束的信号后，通过I/0控制单元控制状态指示灯9-2-1亮起，中央处理器单元开始记录气体传感器单元、温度传感器4-5、气压传感器4-6和土壤水分传感器4-7所采集储的实时数据达到预设采样总数时，中央处理器单元停止记录各个传感器所采集的数据，至此一个循环监测周期结束，一个循环周期结束后监测系统进入下一周期的气室开启阶段，控制时序图如图6所示，所用编程软件为keiluVisio[0067]所述中央处理器单元用于实现闸板控制单元和I/0控制单元的运行控制，中央处理器单元还用于处理各个传感器采集到的实时数据；[0068]所述RS485通信单元用于实现中央处理器单元对气体传感器单元、温度传感器4-5和土壤水分传感器4-7采集指令的下达和数据的读取，并通过modbus协议和对各个传感器轮询读取的方式，实现所述监测系统不限制接入传感器的种类、个数；[0069]所述IIC通信单元用于实现中央处理器单元对气压传感器4-6采集指令的下达和数据的读取；[0070]所述闸板控制单元用于控制步进电机5-5实现密闭隔板的提升或者下降，控制换气扇7-1实现气室的换气，还用于对气室监测静置时长进行控制；[0071]所述I/0控制单元用于实现中央处理器单元对显示屏9-1、指示灯9-2、操作按键9-3的控制；[0072]所述GPS授时定位单元包括GPS接收器，GPS接收器数据传输，通过GPS接收器从卫星上获取标准时钟信号和地理位置信息，并将所述标准时钟信号和标准地理位置信息传输给中央处理器单元，实现对所述监测系统时间的校准和实时位置的定位；[0073]所述ARM应用处理器6-2包括Wi-Fi热点单元、网页控制单元、文件管理单元和存储单元，所述ARM应用处理器6-2集成有网页控制功能和文[0074]人机交互界面9的网页端9-4通过Wi-Fi热点单元和网页控制单元实现网页端9-4与ARM应用处理器6-2的信息交互，通过文件管理单元实现对存储单元中数据的存储、查找、导出和删除的功能操作，通过文件管理单元还可实现与外接USB存储介质的数据交互功能；[0075]所述Wi-Fi热点单元用于发射Wi-Fi热点远程连接信号，以ARM应用处理器6-2系统[0076]所述网页控制单元用于实现网页端9-4与ARM应用处理器6-2的信息Fi热点信号和USART数据交互方式，用户可在人机交互界面9的网页端9-4远程向中央处理器单元发送修改系统的功能参数或文件管理请求，中央处理器单元也可将接收到的实时数据传输到人机交互界面9的网页端9-4,所述系统的功能参数包括系统总循环数设置、单循环数据采集个数设置、文件管理密码设置、Wi-Fi热点名称和连接密码设置、无限循环模式设置，所述文件管理请求包括数据文件的导出、删除和实时数据的查询；[0077]所述文件管理单元用于通过集成在ARM应用处理器6-2上的Linux系统，实现对数据文件的存储、查找、导出和删除功能，当监测系统插入外接USB存储介质时，文件管理单元首先识别外接存储介质的接入信号，并通过USART数据交互将识别的接入信号反馈给中央处理器单元，中央处理器单元根据接收到的接入信号，发送指令控制USB检测灯9-2-3亮起，当用户通过人机交互界面9输入文件复制/下载的请求信号时，文件管理单元通过USART数据交互将请求信号反馈给中央处理器单元，中央处理器单元根据接收的请求信号，发送指令控制数据传输灯9-2-4亮起，并以闪烁频次来反映文件传输速率；[0078]所述存储单元由RAM+eMMC芯系统中的实时数据、传感器采集的实时数据、计算的通量数据、参数设置信息、地理位置信息、系统时间信息、系统运行状态信息、指示灯9-2状态信息，以及M的临时数据信息、ARM应用处理器6-2处理数据时的临时数据信息，所述指示灯9-2状态信息包括指示系统运行状态的状态指示灯9-2-1,指示系统错误信息的错误状态灯9-2-2,指示USB检测状态的USB检测灯9-2-3,指示数据传输状态的数据传输灯9-2-4。[0079]所述闸板控制单元用于控制步进电机5-5实现密闭隔板的提升，具体表述为：中央处理器单元向闸板控制单元发送气室开启指令后，闸板控制单元控制步进电机5-5启动，中央处理器单元记录电机运行状态为1,步进电机5-5带动密闭隔板开始提升，当密闭隔板触发了上限位开关8-1时，或尚未触发上限位开关8-1但步进电机5-5行走步数到达预设步数时，闸板控制单元反馈信号给中央处理器单元，中央处理单元记录电机运行状态为0,并发送指令至闸板控制单元，通过闸板控制单元切断电机电源，密闭隔板提升运行结束，气室处于完全开放状态，通过闸板控制单元输出闸板5提升运行结束的信号，并反馈给中央处理器[0080]所述闸板控制单元用于控制换气扇7-1实现气室的换气，具体表述为：中央处理器单元接收到闸板5提升运行结束的信号后，发送指令控制换气扇7-1启动工作，中央处理器单元记录换气扇7-1运行状态为1,并通过闸板控制单元对换气扇7-1的工作时长开始计时，当换气扇7-1的工作时长达到预设工作时长时，通过闸板控制单元输出换气结束的信号，并反馈给中央处理器单元，中央处理器单元记录换气扇7-1运行状态为0,并发送指令切断换[0081]所述闸板控制单元用于控制步进电机5-5实现密闭隔板的下降，具体表述为：中央处理器单元向闸板控制单元发送气室关闭指令后，闸板控制单元控制步进电机5-5启动，中央处理器单元记录电机运行状态为1,步进电机5-5带动密闭隔板开始下降，当密闭隔板触发了下限位开关8-2时，或尚未触发下限位开关8-2但步进电机5-5行走步数到达预设步数时，闸板控制单元反馈信号给中央处理器单元，中央处理器单元记录电机运行状态为0,并发送指令至闸板控制单元，通过闸板控制单元切断电机电源，密闭隔板下降运行结束，气室处于完全密闭状态，通过闸板控制单元输出闸板5下降运行结束的信号，并反馈给中央处理器单元。[0082]所述闸板控制单元用于对气室监测静置时长进行控制，具体表述为：中央处理器单元接收到换气结束的信号后，通过闸板控制单元对气室的静置时长开始计时，当系统静置时长达到预设静置时长时，对气室监测静置时长的控制运行结束，通过闸板控制单元输出监测静置结束的信号，并反馈给中央处理器单元。[0083]所述的中央处理器单元对采集到的实时数据进行处理，具体表述为：气体传感器单元通过RS485通信单元将采集到的气体数据传输给中央处理器单元，所述气体数据包括信单元将采集到的气室温度数据传输给中央处理器单元，土壤水分传感器4-7通过RS485通信单元将采集到的土壤温度和土壤水分数据传输给中央处理器单元，气压传感器4-6通过IIC通信单元将采集到的气压数据传输给中央处理器单元，中央处理器单元对接收到的各个传感器的模拟信号进行模数转换处理，得到各个模拟信号对应的数字量信号，所述模拟信号包括气体数据、气室温度数据、气压数据、土壤温度和土壤水分数据，中央处理器单元应用最小二乘法对数字量信号进行时间和浓度关系的解算处理，得到气体浓度上升斜率值和拟合优度值，将浓度上升斜率值带入通量计算公式中，得到各采集气体数据的通量值，并将计算得到的通量值及各气体数据、气室温度数据、气压数据、土壤温度和土壤水分数据存储在存储单元中，所述拟合优度值用于评价通量值计算的可靠性。[0084]本实施例中的系统结构图如图2所示，电气接线图7所示，主要包括控制器1、筒体2、土环3和传感器；筒体2和土环3两部分组成气室；筒体2与控制器1为一体化结构，整体安传感器4-5、气压传感器4-6和土壤水分传感器4-7等。1S001,0₂传感器为HL-1S007,CO传感器为HL-1S006,CH₄传感器为HL-1S005,温度传感器为HL-1S002,气压传感器为HL-1S004,土壤水分传感器为HL-1S003。[0086]监测系统的控制器1和筒体2整体安装于土环3之上，土环3上部直径略小于筒体2,安装时嵌入筒体2下部，通过筒体2的限位卡槽2-5实现与筒体2的密封连接，筒体2和土环3组装成气室；土壤水分传感器4-7插入气室旁周边地表土壤中，通过航空插头与控制器1土壤水分传感器接口1-2相连，用于测定土壤的温度和水分；筒体2上部筒壁两侧开设换气口2-1,用于气室内气体交换；换气口2-1外设可拆卸式防雨帽2-8;筒体2筒壁开设过滤口2-2,用于过滤导出野外工作条件下可能卷入的砂石颗粒；筒体2筒壁开设线槽2-3,作为各接线与控制器1的连接通道；土环3外壁设有限位支撑环3-1,用于限制土环3压入深度和辅助支撑上部结构；限位支撑环3-1开设若干透气孔3-2,用于确保土壤气体在土壤一大气两相界面的自由扩散状态；监测系统支持手机和PC网页端9-4的无线控制和数据传输；[0087]如图3中(a)所示，控制器1外侧开设电源接口1-1,土壤水分传感器接口1-2和USB接口1-3.电源接口1-1连接外部供电设备10(12V直流电源),为系统整体供电，接口采用防水设置，在保证野外适应性的前提下实现操作简单安全可靠；土壤水分传感器接口1-2采用防水航空插头将土壤水分传感器4-7与控制系统相连，在保证采集数据传输稳定可靠的基[0088]筒体2中部为内筒和外筒双层结构，内筒壁面开设导向槽2-4;内外筒壁连接处形成限位卡槽2-5,限位卡槽2-5上附有限位卡槽密封胶圈，实现与土环3的密封连接。[0089]筒体2内部安装闸板5,闸板5包括密闭隔板、升降轴5-3、柔性连接件5-4、步进电机5-5和防尘罩5-6;密闭隔板为圆形盖板5-1和长方形导流隔板5-2两部分一体化成型部件；圆形盖板5-1直径介于内、外筒直径之间，圆形盖板5-1下缘设凹槽，凹槽内安装有密封胶圈，实现与内筒的密封；升降轴5-3嵌入式安装于密闭隔板中央，升降轴5-3另一端通过柔性连接件5-4与步进电机5-5连接；步进电机5-5带动升降轴5-3转动使密闭隔板沿内筒壁上的导向槽2-4轴向上下缓慢移动，以实现气室的打开与闭合；防尘罩5-6安装于升降轴5-3外部，上部固定于控制器1下表面，下部固定于圆形盖板5-1上表面，用于防止升降轴5-3内粘连粉尘和细沙等，影响其运行流畅性。防尘罩5-6采用柔性轻薄透明材质，能够清晰观察升降轴5-3的连接稳固性和运行情况。[0090]如图3中(b)所示，控制器1内部设有MCU单片机6-1和ARM应用处理器6-2,两者通过USART方式进行数据交互。气压传感器4-6安装于控制器1内，直接与控制器1对应插口相连，用于测量环境大气压力变化。[0091]筒体2内筒壁中隔处设置两片传感器固定板2-6-1和2-6-2,传感器固定板上端与换气扇固定板7-2高度平齐，下端与筒体2下缘平齐，两片传感器插口板2-7-1和2-7-2分别安装于其上；CO₂传感器4-1,02传感器4-2和温度传感器4-5安装于传感器插口板2-7-1上；[0092]如图4中(a)所示，闸板5完全闭合状态时筒体2内筒壁上沿嵌入圆形盖板5-1下缘凹槽内；筒体2内筒壁内侧上部一侧设置半圆形换气扇固定板7-2,换气扇7-1固定在其下表闭隔板下降时导流隔板5-2伸入两片传感器固定板2-6-1和2-6-2间隙中间，在换气过程中气扇固定板7-2和传感器固定板2-6-1、2-6-2均与筒体内壁为一体化成型结构；CO传感器4-3和CH₄传感器4-4,安装于传感器插口板2-7-2上。[0093]如图4中(b)所示，闸板5完全打开状态时圆形盖板5-1下缘位置提升至换气口2-1上缘；圆形盖板5-1运行上、下限位置分别设有上限位开关8-1和下限位开关8-2,当圆形盖板5-1运行至限制位置时，触发上限位开关8-1或下限位开关8-2动作，从而切断电源，密闭隔板停止运行；换气扇7-1、上限位开关8-1、下限位开关8-2的接线分别从筒体2壁面上的过线孔穿出，通过筒体2壁上设置的线槽2-3连接到控制器1中对应插口；气室内各传感器插入传感器插口板上，插口板接线集成后从筒体2壁面上的过线孔穿出，通过筒体壁上设置的线槽2-3连接到控制器1中对应插口。[0094]如图5所示，人机交互界面9由显示屏9-1、指示灯9-2、操作按键9-3和网页端9-4组成；显示屏9-1通过I/0接口与控制器1中MCU单片机6-1相连，采用点阵式耐低温屏幕，可以满足户外需求；指示灯9-2包括状态指示灯(State)9-2-1、错误状态灯(Error)9-2-2、USB检测灯(USB)9-2-3、数据传输灯(Copy)9-2-4等，分别通过I/0接口与控制器1中MCU单片机6-1相连；操作按键9-3包括电源开关键9-3-1、确认键9-3-2、返回键9-3-3和方向选择键9-3-4等，分别通过I/0接口与控制器1中MCU单片机6-1相连；通过人机交互界面9能够实现监测参数设定、时间与密码设置、监测数据实时显示、运行状态查看与检测、文件传输与管理等功[0095]采用上述监测系统的监测方法，包括如下步骤：[0096]步骤1:闸板5提升阶段：运行周期开始后，启动步进电机5-5带动密闭隔板提升，直至触动上限位开关8-1后切断步进电机5-5电源，密闭隔板上的圆形盖板5-1提升至换气口2-1上缘，气室处于完全开放状态，系统每次循环前首先检测闸板5状态，若由于异物阻滞或上次未完成循环而导致气室未处于完全开放状态，则需控制步进电机5-5带动密闭隔板运行至气室处于完全开放状态，若首次循环开始前气室已处于完全开放状态，则系统默认等待步进电机5-5完成预设步数后，直接进入换气阶段；[0097]步骤2:换气阶段：气室处于完全开放状态时，控制换气扇7-1开始工作，并对换气扇7-1的工作时长开始计时，当换气扇7-1的工作时长达到预设工作时长时换气结束；[0098]步骤3:监测静置阶段：换气结束后，为减少换气扰动对气室内气体监测的影响，通过监测系统设置气室的静置时长，气室内气体处于自然涌出状态，当气室的静置时长达到预设静置时长时监测静置结束；[0099]步骤4:闸板5下降