基于射頻通信的近紅外智能光譜檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷 勇，閆曉劍

(四川虹微技術(shù)有限公司，四川 成都 614000)

0 引言

近紅外光譜(NIRS)技術(shù)是一種以光學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、化學(xué)、計(jì)量學(xué)以及統(tǒng)計(jì)學(xué)等多學(xué)科融合研究發(fā)展成果的基礎(chǔ)上而產(chǎn)生的一種新興檢測技術(shù)，該技術(shù)始于20世紀(jì)80年代后期，與一般的通過化學(xué)分析、儀器分析、篩選分析感官評(píng)定等損壞性檢測手段比較，該技術(shù)是一種簡便快速、低成本、無污染、不接觸樣品的綠色檢測技術(shù)[1]。目前該技術(shù)在小麥、茶葉成分、肉類、蔬菜、水果等品質(zhì)檢測方面具有廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合近紅外光譜技術(shù)以及射頻通信技術(shù)，開發(fā)一套基于射頻通信的近紅外智能光譜檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于射頻通信的近紅外智能光譜檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由便攜式近紅外光譜儀終端、射頻閱讀器、監(jiān)控中心及PDA等四部分組成，系統(tǒng)整體框架如圖1所示。其中近紅外智能光譜儀終端通過2.4 GHz射頻信號(hào)與射頻閱讀器進(jìn)行通信，根據(jù)閱讀器指令的類別執(zhí)行相應(yīng)的控制功能，以完成數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)以及傳輸?shù)裙δ?；射頻閱讀器則通過GPRS與遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心或PDA進(jìn)行通信，對(duì)所接收到的上位機(jī)指令進(jìn)行解析，根據(jù)指令類別控制對(duì)應(yīng)的近紅外智能光譜儀終端完成特定功能；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心或PDA則主要對(duì)下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與建模，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測對(duì)象相應(yīng)指標(biāo)的檢測。

圖1 系統(tǒng)整體原理框圖Fig.1 Block diagram of the overall principle of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心處理器選擇

本文設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)在硬件上主要由近紅外智能光譜儀以及射頻閱讀器兩部分構(gòu)成，其硬件原理框圖如圖2所示。在進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)這兩部分的處理器進(jìn)行選型，在滿足產(chǎn)品功能需求的前提下，綜合考慮產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度和成本的情況下，本系統(tǒng)中兩部分硬件電路的主控制器選用了意法半導(dǎo)體公司的基于ARM Cortex-M4及Cortex-M0+雙核的STM32WB55RG作為控制核心[2-3]。STM32WB55RG是一款多協(xié)議無線通信芯片，支持2.4 GHz射頻、BLE5.0以及ZigBee3.0等，工作主頻可達(dá)64 MHz，雙核之間采用硬件信號(hào)量進(jìn)行通信，工作電壓為1.71～3.6 V，內(nèi)置1 Mbyte的Flash和256 KB的SRAM，集成多個(gè)ADC以及定時(shí)器等功能模塊，芯片尺寸僅為7×7 mm，完全滿足設(shè)計(jì)要求，終端和閱讀器硬件原理如圖2所示。

根據(jù)圖2的硬件原理框圖結(jié)合外圍傳感器的接口特性，對(duì)終端以及閱讀器進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)，部分原理圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.2 Schematic diagram of system hardware

圖3 主控制器硬件原理圖Fig.3 Hardware schematic diagram of the main controller

2.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的傳感器主要包括光譜檢測傳感器、GPRS模塊和溫度檢測傳感器，其中GPRS模塊采用西門子公司的MC52iR3。該模塊支持900/1 800 MHz的雙頻模式，可以傳輸數(shù)據(jù)、短消息等信號(hào)[4-5]，通過接口連接器和天線連接器與 SIM 卡讀卡器和天線相連，使用AT指令，內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議棧。MC52iR3 模塊的數(shù)據(jù)輸入、輸出接口采用標(biāo)準(zhǔn)的 RS232 雙向接口，可以與STM32WB55CG的LPUART端直接相連，硬件電路結(jié)構(gòu)簡單；光譜傳感器采用AMS公司的AS7420系列傳感器，AS7420是64通道的數(shù)字式近紅外光譜傳感器，波長范圍為750～1 050 nm，通過IIC接口與主控制進(jìn)行通信[6-7]，其原理如圖4(a)所示。對(duì)于同一被測物體，在不同溫度下，近紅外光譜具有很大的差異，經(jīng)過不斷研究試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)主要是光譜探測器本身隨著溫度升高會(huì)帶來熱載流子效應(yīng)，產(chǎn)生噪聲電流，影響光譜信號(hào)。另外，近紅外光源往往伴隨著大量的紅外熱能，其產(chǎn)生的熱量也會(huì)影響光源光譜基線的變化，更為重要的是樣品本身的溫度變化會(huì)影響到樣品分子鍵的振動(dòng)狀態(tài)，從而更明顯對(duì)光譜信號(hào)產(chǎn)生影響。因此，本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上采用近紅外非接觸式溫度傳感器MLX90614來實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品溫度的檢測，將樣品溫度一起上傳，以便建立模型時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而大幅提高近紅外光譜的穩(wěn)定性，其原理如圖4(b)所示。

圖4 傳感器硬件原理圖Fig.4 Hardware schematic diagram of sensor

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本檢測系統(tǒng)在軟件設(shè)計(jì)上總體可以分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分。下位機(jī)軟件主要包括近紅外智能光譜儀終端和射頻閱讀器兩部分[8-10]，由于兩部分的微控制器為同一型號(hào)，這也為在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)上帶來了極大的便利。下位機(jī)軟件在設(shè)計(jì)上采用了基于模塊化的設(shè)計(jì)思想。本系統(tǒng)的嵌入式軟件基于IAR開發(fā)平臺(tái)，結(jié)合STM32庫函數(shù)，以FreeRTOS作為嵌入式操作系統(tǒng)，采用C語言進(jìn)行開發(fā)，按照功能大致可分為初始化配置、射頻通信、數(shù)據(jù)采集、GPRS通信等。下位機(jī)軟件工作流程如圖5所示。

圖5 下位機(jī)軟件工作流程圖Fig.5 Software flow chart of the lower computer

本系統(tǒng)中終端在本質(zhì)上就是一個(gè)有源射頻標(biāo)簽，閱讀器和終端之間的數(shù)量關(guān)系為1：N；為此在閱讀器對(duì)終端進(jìn)行盤點(diǎn)時(shí)，眾多終端同時(shí)被喚醒進(jìn)行接入，必然會(huì)發(fā)生碰撞。鑒于此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種二進(jìn)制樹接入算法，以實(shí)現(xiàn)防碰撞接入，其算法流程如圖6所示。

圖6 二進(jìn)制樹接入算法流程圖Fig.6 Binary tree access algorithm flow chart

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要是指數(shù)據(jù)中心的軟件，包括數(shù)據(jù)庫和人機(jī)交互界面兩部分，在上位機(jī)軟件開發(fā)中，數(shù)據(jù)庫采用MySQL5.5，在數(shù)據(jù)庫中建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表來存儲(chǔ)檢測的數(shù)據(jù)[11-13]；人機(jī)交互界面的開發(fā)基于Visual Studio 2015采用C#語言進(jìn)行開發(fā)。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試主要是對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及靈敏性等進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)將3個(gè)近紅外智能光譜儀放于裝滿茶葉的密封瓶子中，對(duì)茶葉中所含水分進(jìn)行測試[14-16]。1臺(tái)閱讀器置于瓶外，數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行相關(guān)測試，3個(gè)終端的測試結(jié)果如圖7所示。

從測試圖中可以看出，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行，并且精確反映出待測物品的溫度，同時(shí)將待測物的光譜曲線繪制于界面中。從光譜曲線中分析可知，經(jīng)過對(duì)光譜探測器、光譜儀機(jī)身以及樣品溫度分別進(jìn)行檢測，然后通過算法實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜數(shù)據(jù)的三級(jí)溫度補(bǔ)償，生產(chǎn)的光譜比較穩(wěn)定，但是光譜建模分析是一個(gè)非常龐大的過程[13]，后續(xù)還需大量研究，進(jìn)一步提高NIRS檢測技術(shù)的準(zhǔn)確性和快速性。

圖7 系統(tǒng)測試界面圖Fig.7 System Test Interface

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的近紅外智能光譜檢測系統(tǒng)，成功地應(yīng)用了STM32WB55系列微處理器的強(qiáng)大功能，綜合運(yùn)用2.4 GHz射頻及GPRS通信技術(shù)等無線通信技術(shù)的優(yōu)良傳輸性能，集光學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)于一體。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、功耗低、擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行快速、無損的檢測，具有廣闊的應(yīng)用前景。