基于射頻通信的近紅外智能光譜檢測系統(tǒng)設計

雷 勇，閆曉劍

(四川虹微技術有限公司，四川 成都 614000)

0 引言

近紅外光譜(NIRS)技術是一種以光學、計算機科學、化學、計量學以及統(tǒng)計學等多學科融合研究發(fā)展成果的基礎上而產(chǎn)生的一種新興檢測技術，該技術始于20世紀80年代后期，與一般的通過化學分析、儀器分析、篩選分析感官評定等損壞性檢測手段比較，該技術是一種簡便快速、低成本、無污染、不接觸樣品的綠色檢測技術[1]。目前該技術在小麥、茶葉成分、肉類、蔬菜、水果等品質檢測方面具有廣泛的應用。本文結合近紅外光譜技術以及射頻通信技術，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)總體設計

本文設計開發(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射頻信號與射頻閱讀器進行通信，根據(jù)閱讀器指令的類別執(zhí)行相應的控制功能，以完成數(shù)據(jù)采集、處理、存儲以及傳輸?shù)裙δ埽簧漕l閱讀器則通過GPRS與遠程的數(shù)據(jù)中心或PDA進行通信，對所接收到的上位機指令進行解析，根據(jù)指令類別控制對應的近紅外智能光譜儀終端完成特定功能；遠程數(shù)據(jù)中心或PDA則主要對下位機傳來的數(shù)據(jù)進行分析與建模，從而實現(xiàn)對被測對象相應指標的檢測。

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)硬件設計

2.1 核心處理器選擇

本文設計的檢測系統(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成，其硬件原理框圖如圖2所示。在進行硬件電路設計時需要對這兩部分的處理器進行選型，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64 MHz，雙核之間采用硬件信號量進行通信，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ADC以及定時器等功能模塊，芯片尺寸僅為7×7 mm，完全滿足設計要求，終端和閱讀器硬件原理如圖2所示。

根據(jù)圖2的硬件原理框圖結合外圍傳感器的接口特性，對終端以及閱讀器進行了硬件電路設計，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 傳感器模塊設計

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[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、輸出接口采用標準的 RS232 雙向接口，可以與STM32WB55CG的LPUART端直接相連，硬件電路結構簡單；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接口與主控制進行通信[6-7]，其原理如圖4(a)所示。對于同一被測物體，在不同溫度下，近紅外光譜具有很大的差異，經(jīng)過不斷研究試驗發(fā)現(xiàn)主要是光譜探測器本身隨著溫度升高會帶來熱載流子效應，產(chǎn)生噪聲電流，影響光譜信號。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影響到樣品分子鍵的振動狀態(tài)，從而更明顯對光譜信號產(chǎn)生影響。因此，本系統(tǒng)在硬件設計上采用近紅外非接觸式溫度傳感器MLX90614來實現(xiàn)對樣品溫度的檢測，將樣品溫度一起上傳，以便建立模型時進行溫度補償，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)軟件設計

3.1 下位機軟件設計

本檢測系統(tǒng)在軟件設計上總體可以分為上位機軟件和下位機軟件兩部分。下位機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，這也為在進行軟件設計上帶來了極大的便利。下位機軟件在設計上采用了基于模塊化的設計思想。本系統(tǒng)的嵌入式軟件基于IAR開發(fā)平臺，結合STM32庫函數(shù)，以FreeRTOS作為嵌入式操作系統(tǒng)，采用C語言進行開發(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。下位機軟件工作流程如圖5所示。

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

本系統(tǒng)中終端在本質上就是一個有源射頻標簽，閱讀器和終端之間的數(shù)量關系為1：N；為此在閱讀器對終端進行盤點時，眾多終端同時被喚醒進行接入，必然會發(fā)生碰撞。鑒于此，本系統(tǒng)設計了一種二進制樹接入算法，以實現(xiàn)防碰撞接入，其算法流程如圖6所示。

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

3.2 上位機軟件設計

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

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試主要是對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及靈敏性等進行測試，實驗將3個近紅外智能光譜儀放于裝滿茶葉的密封瓶子中，對茶葉中所含水分進行測試[14-16]。1臺閱讀器置于瓶外，數(shù)據(jù)處理中心進行相關測試，3個終端的測試結果如圖7所示。

從測試圖中可以看出，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行，并且精確反映出待測物品的溫度，同時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)過對光譜探測器、光譜儀機身以及樣品溫度分別進行檢測，然后通過算法實現(xiàn)對光譜數(shù)據(jù)的三級溫度補償，生產(chǎn)的光譜比較穩(wěn)定，但是光譜建模分析是一個非常龐大的過程[13]，后續(xù)還需大量研究，進一步提高NIRS檢測技術的準確性和快速性。

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

5 結束語

本文所設計的近紅外智能光譜檢測系統(tǒng)，成功地應用了STM32WB55系列微處理器的強大功能，綜合運用2.4 GHz射頻及GPRS通信技術等無線通信技術的優(yōu)良傳輸性能，集光學技術、計算機技術、無線通信技術和自動控制技術于一體。該系統(tǒng)具有實時性好、可靠性高、功耗低、擴展方便等優(yōu)點，可以對物質進行快速、無損的檢測，具有廣闊的應用前景。