基于WiFi的近红外光谱仪自检功能的设计与软件开发

耿德春　陈　通　陈　斌

(1.江苏大学 机械工程学院，镇江 212013；2.江苏大学 食品与生物工程学院，镇江 212013)



基于WiFi的近红外光谱仪自检功能的设计与软件开发

耿德春1陈通2陈斌2

(1.江苏大学 机械工程学院，镇江 212013；2.江苏大学 食品与生物工程学院，镇江 212013)

摘要：近红外光谱仪是高精密的光学分析仪器，易受到温度、湿度、光强等环境因素的影响，同时仪器的任何元器件的变动也可能会直接影响到光谱的采集。基于上述问题，提出基于WiFi且在Android操作系统上实时监控光谱仪的温度、湿度、电压等工作参数的方案。Wifi的远程通讯功能，可实现仪器状态的异常诊断、报警等操作，达到及时降低维修成本的目的。

关键词：近红外光谱仪WiFiAndroid监控

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

现代近红外光谱分析技术已成为发展最快、最引人注目的光谱分析技术之一,近红外光谱的性能指标、测量精度易受到测量条件、样品状态等外界因素的影响[1，2]，同时仪器的维护需要花费大量的时间和成本，所以在光谱仪设定自检功能，操作人员能及时根据设备的反馈信息对仪器进行调试，远程监控诊断仪器，对仪器的稳定运行、故障报警、光谱重现性、以及预测模型修正等方面都会有很大的帮助[3]。

本研究是基于Android操作系统，开发出Android平台下对光谱仪的温度、湿度、电压的检测，通过Eclipse编写逻辑代码，采用WiFi技术组成无线局域网系统，利用串口通信，实现实时监测光谱仪工及作环境。

1Android 与WiFi原理

Android是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统，主要用于移动设备，如常用的智能手机和平板。Android系统自推出以来，就以明显的优势逐渐扩大市场占有份额，正处于蓬勃发展的开拓阶段。该系统突出的优点在于其开放性，使得更多的开发者不断开发提升，同时丰富的硬件支持以及有强大的谷歌支撑，使得Android拥有强大的服务团队[4]。

本研究选择Android操作系统，在Windows平台下搭建Android开发环境，安装Eclipse开发工具并在该系统中编写程序，借助移动设备拥有的硬件WiFi支持，实现上位机与下位机的通信。

当今，无线网络技术已经走进人们的日常生活，给生活带来各种便捷，WiFi以其通讯距离远、速率大、远程控制的优点，成为无线技术中的明星，拥有广阔的发展和应用前景。WiFi是一个高频无线信号，能将电脑、手机、平板等终端设备以无线方式互相连在一起[5]。

本系统中使用的移动控制设备上具备WiFi功能，硬件电路上配有串口WiFi模块。串口WiFi模块可以理解成是一种转换器，将单片机的串口信号转换为无线WiFi信号。单片机的MCU通过串口发送数据给串口WiFi模块，最后WiFi模块的无线数据转发至手机。

2 硬件设计

系统的硬件设计主要包括温湿度检测电路和电压检测电路。温湿度的检测主要设计在仪器内部的物料槽中，检测待测样本所处的环境；电压检测是监控仪器各主要部件是否处于正常工作，如光源、探测器等关键电路节点处。

系统硬件串口WiFi模块，有两种工作模式分别是AP和STA，AP就是热点也就是说它作为AP模式自身可以辐射出一个无线WiFi网络，是一个无线网络的创建者，STA就是站点模式，客户端模式。通过配置工具把WiFi模块设置为AP模式，配置串口参数，波特率设定为115 200，无校验位，8位数据位，1位停止位，选择TCP协议类型。串口WiFi模块工作原理是：网络发送数据-TCP数据→模块→串口数据-单片机接收，反向同理。

图1　HX-M02 WiFi

系统采用工业级HX-M02 WiFi无线透传模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户嵌入式设备数据到无线网络之间的转换，该模块最大的特点就是配置简单、启动速度快，最快启动速度小于1秒(如图1)。

2.1温湿度检测

温湿度传感器采用的是DHT11，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它使用专用的数字模块采集技术和温湿度传感器，确保产品具有极高的可靠性和卓越的稳定性[6]。传感器包括一个电阻式感湿原件和一个NTC测温原件，并与一个高性能的8位单片机相连(如图2)。

图2　DHT11

DHT11有4个引脚，3号引脚悬空，1号接电源，供电电压3V~5.5V，2号串行数据线，直接和单片机进行连接，如图3所示。

图3　DHT11与单片机连接图

2.2电压检测

电压的检测通过PCF8591完成AD/DA转换，PCF8591芯片，拥有4个模拟信号输入端，1个输出和1个串行I2C总线口，工作电压在2.5V~6V。I2C总线的数据线SDA和时钟线SCL与单片机相连，设计在D/A输出端外接LED灯，待测量电压经过A/D转换在移动设备上显示电压，这个数据再经过D/A转换为模拟信号驱动LED灯，灯的亮度与移动设备上的电压值相对应，如图4所示。

图4　PCF8951与单片机连接图

为了方便检测所测的效果，待测电压输入端采用外接滑动变阻器，通过改变电阻的阻值检测模拟信号经过A/D转换所产生的数字信号。

3 软件设计

温湿度检测和电压检测这一功能的实现，主要涉及到两个软件程序，即eclipse编写上位机程序，keil编写下位机程序。

Android与单片机的通信采用Socket方式，TCP类型。Socket是一种抽象层，应用程序通过它来接收发送数据，使用Socket可以将应用程序添加到网络中，与处于同一网络中的其他应用程序进行通信[7]，Socket的TCP通信模型如图5所示。

图5　TCP通信模型

在eclipse中调用refreshView函数进行数据更新，是温度、湿度、电压实时反馈到移动设备上。表1和表2运用eclipse的systemout输出当前温湿度值和电压值。

表1　温湿度实时值

表2　电压实时值

下位机设定APP发送0x02 0xEE查询时，WiFi回发当前的温湿度值，发送0x02 0xFF查询时，WiFi回发当前电压值。部分代码如：

If(Buf[0]==0x02)&&(Buf[1]==0xEE))//返回温湿度采集值

{

Status=1;//状态位

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

Buf[ClearCounter]=0;

SendCounter=0;

}

If(Buf[0]==0x02)&&(Buf[1]==0xFF))//返回温湿度采集值

{

Status=2;//状态位

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结束语

在近红外光谱仪器上进行温湿度、电压检测，能够实时反映仪器是否处于正常工作范围，外界环境是否处于最佳环境，操作人员能够根据返回来的数据调整仪器或改变环境。采用流行的Android操作系统，适用性广，移植到掌上设备，更方便快捷。WiFi无线网络传输技术，不断兴起和发展，代替传统的有线传输，以其优势慢慢应用到更广阔的领域。该技术也给其他分析仪器的运行状态检测、控制及数据的传输提供了一种方法。

参考文献

[1] 徐广通,袁洪福,陆婉珍.近红外光谱仪器概况与进展[J].现代科学仪器,1997,(3)：9-11.

[2] 袁洪福，龙义成，徐广通，等.近红外光谱仪的研制[J].分析化学,1992,27(5):608-614.

[3] 肖颖,陈斌,张索菲.近红外光谱仪器远程监控平台的研发[J].现代科学仪器,2008,(5):10-13.

[4] 武永亮.Android开发范例实战宝典[M].北京:清华大学出版社,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

作者简介：耿德春，女，1989出生，硕士研究生，研究方向：精密仪器及机械。通讯作者：陈斌，男，江苏大学食品与生物工程学院，教授，博导，E-mail：ncp@ujs.edu.cn。

基金项目：国家重大科学仪器开发专项(2014YQ491015)