基于WiFi的近紅外光譜儀自檢功能的設(shè)計與軟件開發(fā)

耿德春　陳　通　陳　斌

(1.江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

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基于WiFi的近紅外光譜儀自檢功能的設(shè)計與軟件開發(fā)

耿德春1陳通2陳斌2

(1.江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013)

摘要：近紅外光譜儀是高精密的光學(xué)分析儀器，易受到溫度、濕度、光強等環(huán)境因素的影響，同時儀器的任何元器件的變動也可能會直接影響到光譜的采集。基于上述問題，提出基于WiFi且在Android操作系統(tǒng)上實時監(jiān)控光譜儀的溫度、濕度、電壓等工作參數(shù)的方案。Wifi的遠(yuǎn)程通訊功能，可實現(xiàn)儀器狀態(tài)的異常診斷、報警等操作，達到及時降低維修成本的目的。

關(guān)鍵詞：近紅外光譜儀WiFiAndroid監(jiān)控

Key word: near-infrared spectroscopy；WiFi；Android；monitoring

現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)已成為發(fā)展最快、最引人注目的光譜分析技術(shù)之一,近紅外光譜的性能指標(biāo)、測量精度易受到測量條件、樣品狀態(tài)等外界因素的影響[1，2]，同時儀器的維護需要花費大量的時間和成本，所以在光譜儀設(shè)定自檢功能，操作人員能及時根據(jù)設(shè)備的反饋信息對儀器進行調(diào)試，遠(yuǎn)程監(jiān)控診斷儀器，對儀器的穩(wěn)定運行、故障報警、光譜重現(xiàn)性、以及預(yù)測模型修正等方面都會有很大的幫助[3]。

本研究是基于Android操作系統(tǒng)，開發(fā)出Android平臺下對光譜儀的溫度、濕度、電壓的檢測，通過Eclipse編寫邏輯代碼，采用WiFi技術(shù)組成無線局域網(wǎng)系統(tǒng)，利用串口通信，實現(xiàn)實時監(jiān)測光譜儀工及作環(huán)境。

1Android 與WiFi原理

Android是一種基于Linux的自由及開放源代碼的操作系統(tǒng)，主要用于移動設(shè)備，如常用的智能手機和平板。Android系統(tǒng)自推出以來，就以明顯的優(yōu)勢逐漸擴大市場占有份額，正處于蓬勃發(fā)展的開拓階段。該系統(tǒng)突出的優(yōu)點在于其開放性，使得更多的開發(fā)者不斷開發(fā)提升，同時豐富的硬件支持以及有強大的谷歌支撐，使得Android擁有強大的服務(wù)團隊[4]。

本研究選擇Android操作系統(tǒng)，在Windows平臺下搭建Android開發(fā)環(huán)境，安裝Eclipse開發(fā)工具并在該系統(tǒng)中編寫程序，借助移動設(shè)備擁有的硬件WiFi支持，實現(xiàn)上位機與下位機的通信。

當(dāng)今，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)走進人們的日常生活，給生活帶來各種便捷，WiFi以其通訊距離遠(yuǎn)、速率大、遠(yuǎn)程控制的優(yōu)點，成為無線技術(shù)中的明星，擁有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。WiFi是一個高頻無線信號，能將電腦、手機、平板等終端設(shè)備以無線方式互相連在一起[5]。

本系統(tǒng)中使用的移動控制設(shè)備上具備WiFi功能，硬件電路上配有串口WiFi模塊。串口WiFi模塊可以理解成是一種轉(zhuǎn)換器，將單片機的串口信號轉(zhuǎn)換為無線WiFi信號。單片機的MCU通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)給串口WiFi模塊，最后WiFi模塊的無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至手機。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括溫濕度檢測電路和電壓檢測電路。溫濕度的檢測主要設(shè)計在儀器內(nèi)部的物料槽中，檢測待測樣本所處的環(huán)境；電壓檢測是監(jiān)控儀器各主要部件是否處于正常工作，如光源、探測器等關(guān)鍵電路節(jié)點處。

系統(tǒng)硬件串口WiFi模塊，有兩種工作模式分別是AP和STA，AP就是熱點也就是說它作為AP模式自身可以輻射出一個無線WiFi網(wǎng)絡(luò)，是一個無線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者，STA就是站點模式，客戶端模式。通過配置工具把WiFi模塊設(shè)置為AP模式，配置串口參數(shù)，波特率設(shè)定為115 200，無校驗位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，選擇TCP協(xié)議類型。串口WiFi模塊工作原理是：網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)-TCP數(shù)據(jù)→模塊→串口數(shù)據(jù)-單片機接收，反向同理。

圖1　HX-M02 WiFi

系統(tǒng)采用工業(yè)級HX-M02 WiFi無線透傳模塊，內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶嵌入式設(shè)備數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換，該模塊最大的特點就是配置簡單、啟動速度快，最快啟動速度小于1秒(如圖1)。

2.1溫濕度檢測

溫濕度傳感器采用的是DHT11，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它使用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感器，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的穩(wěn)定性[6]。傳感器包括一個電阻式感濕原件和一個NTC測溫原件，并與一個高性能的8位單片機相連(如圖2)。

圖2　DHT11

DHT11有4個引腳，3號引腳懸空，1號接電源，供電電壓3V~5.5V，2號串行數(shù)據(jù)線，直接和單片機進行連接，如圖3所示。

圖3　DHT11與單片機連接圖

2.2電壓檢測

電壓的檢測通過PCF8591完成AD/DA轉(zhuǎn)換，PCF8591芯片，擁有4個模擬信號輸入端，1個輸出和1個串行I2C總線口，工作電壓在2.5V~6V。I2C總線的數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL與單片機相連，設(shè)計在D/A輸出端外接LED燈，待測量電壓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換在移動設(shè)備上顯示電壓，這個數(shù)據(jù)再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號驅(qū)動LED燈，燈的亮度與移動設(shè)備上的電壓值相對應(yīng)，如圖4所示。

圖4　PCF8951與單片機連接圖

為了方便檢測所測的效果，待測電壓輸入端采用外接滑動變阻器，通過改變電阻的阻值檢測模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的數(shù)字信號。

3 軟件設(shè)計

溫濕度檢測和電壓檢測這一功能的實現(xiàn)，主要涉及到兩個軟件程序，即eclipse編寫上位機程序，keil編寫下位機程序。

Android與單片機的通信采用Socket方式，TCP類型。Socket是一種抽象層，應(yīng)用程序通過它來接收發(fā)送數(shù)據(jù)，使用Socket可以將應(yīng)用程序添加到網(wǎng)絡(luò)中，與處于同一網(wǎng)絡(luò)中的其他應(yīng)用程序進行通信[7]，Socket的TCP通信模型如圖5所示。

圖5　TCP通信模型

在eclipse中調(diào)用refreshView函數(shù)進行數(shù)據(jù)更新，是溫度、濕度、電壓實時反饋到移動設(shè)備上。表1和表2運用eclipse的systemout輸出當(dāng)前溫濕度值和電壓值。

表1　溫濕度實時值

表2　電壓實時值

下位機設(shè)定APP發(fā)送0x02 0xEE查詢時，WiFi回發(fā)當(dāng)前的溫濕度值，發(fā)送0x02 0xFF查詢時，WiFi回發(fā)當(dāng)前電壓值。部分代碼如：

If(Buf[0]==0x02)&&(Buf[1]==0xEE))//返回溫濕度采集值

{

Status=1;//狀態(tài)位

For(ClearCounter=0; ClearCounter<10; ClearCounter++);

Buf[ClearCounter]=0;

SendCounter=0;

}

If(Buf[0]==0x02)&&(Buf[1]==0xFF))//返回溫濕度采集值

{

Status=2;//狀態(tài)位

EA=0；

DAC_Data=Buf[1]*255/33;

Back_DAC_Data=Buf[1];

DACconversion(PCF8591,0X40，DAC_Data)；

EA=1;

Buf[0]=0;

Buf[0]=1;

Buf[0]=2;

SendCounter=0;

}

4結(jié)束語

在近紅外光譜儀器上進行溫濕度、電壓檢測，能夠?qū)崟r反映儀器是否處于正常工作范圍，外界環(huán)境是否處于最佳環(huán)境，操作人員能夠根據(jù)返回來的數(shù)據(jù)調(diào)整儀器或改變環(huán)境。采用流行的Android操作系統(tǒng)，適用性廣，移植到掌上設(shè)備，更方便快捷。WiFi無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，不斷興起和發(fā)展，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線傳輸，以其優(yōu)勢慢慢應(yīng)用到更廣闊的領(lǐng)域。該技術(shù)也給其他分析儀器的運行狀態(tài)檢測、控制及數(shù)據(jù)的傳輸提供了一種方法。

參考文獻

[1] 徐廣通,袁洪福,陸婉珍.近紅外光譜儀器概況與進展[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,1997,(3)：9-11.

[2] 袁洪福，龍義成，徐廣通，等.近紅外光譜儀的研制[J].分析化學(xué),1992,27(5):608-614.

[3] 肖穎,陳斌,張索菲.近紅外光譜儀器遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺的研發(fā)[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2008,(5):10-13.

[4] 武永亮.Android開發(fā)范例實戰(zhàn)寶典[M].北京:清華大學(xué)出版社,2014:1-6.

[5] http://inventors.about.com/od/wstartinventions/a/WiFi.htm.

[6] http://baike.haosou.com/doc/6838529-7055792.html.

[7] http://blog.csdn.net/mad1989/article/details/9147661.

Design and software development for self checking function of near-infrared spectroscopy based on Wifi.GengDechun1,ChenTong2,ChenBin2

(1.SchoolofMechanicalEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China；2.SchoolofFoodandBiologicalEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013，China)

Abstract:Near-infrared spectroscopy is a optical instrument with high precision，which is aasily effected by measurement condition. Environmental parameters such as temperature，humidity and light intensity all have important influence on spectra collection. Meantime，any change of instrument components will affect the collection of spectra. This paper presents a method for real-time monitoring of working parameters (temperature，humidity and light intensity) based on WiFi and Android operating system. With the help of remote control based on WiFi，this method can improve the diagnosis speed and reduce the cost of maintenance.

收稿日期：2015-11-09

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2016.01.003

作者簡介：耿德春，女，1989出生，碩士研究生，研究方向：精密儀器及機械。通訊作者：陳斌，男，江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，教授，博導(dǎo)，E-mail：ncp@ujs.edu.cn。

基金項目：國家重大科學(xué)儀器開發(fā)專項(2014YQ491015)