基于射频通信的近红外智能光谱检测系统设计

雷 勇，闫晓剑

(四川虹微技术有限公司，四川 成都 614000)

0 引言

近红外光谱(NIRS)技术是一种以光学、计算机科学、化学、计量学以及统计学等多学科融合研究发展成果的基础上而产生的一种新兴检测技术，该技术始于20世纪80年代后期，与一般的通过化学分析、仪器分析、筛选分析感官评定等损坏性检测手段比较，该技术是一种简便快速、低成本、无污染、不接触样品的绿色检测技术[1]。目前该技术在小麦、茶叶成分、肉类、蔬菜、水果等品质检测方面具有广泛的应用。本文结合近红外光谱技术以及射频通信技术，开发一套基于射频通信的近红外智能光谱检测系统。

1 系统总体设计

本文设计开发了一套基于射频通信的近红外智能光谱检测系统。该系统由便携式近红外光谱仪终端、射频阅读器、监控中心及PDA等四部分组成，系统整体框架如图1所示。其中近红外智能光谱仪终端通过2.4 GHz射频信号与射频阅读器进行通信，根据阅读器指令的类别执行相应的控制功能，以完成数据采集、处理、存储以及传输等功能；射频阅读器则通过GPRS与远程的数据中心或PDA进行通信，对所接收到的上位机指令进行解析，根据指令类别控制对应的近红外智能光谱仪终端完成特定功能；远程数据中心或PDA则主要对下位机传来的数据进行分析与建模，从而实现对被测对象相应指标的检测。

图1 系统整体原理框图Fig.1 Block diagram of the overall principle of the system

2 系统硬件设计

2.1 核心处理器选择

本文设计的检测系统在硬件上主要由近红外智能光谱仪以及射频阅读器两部分构成，其硬件原理框图如图2所示。在进行硬件电路设计时需要对这两部分的处理器进行选型，在满足产品功能需求的前提下，综合考虑产品开发进度和成本的情况下，本系统中两部分硬件电路的主控制器选用了意法半导体公司的基于ARM Cortex-M4及Cortex-M0+双核的STM32WB55RG作为控制核心[2-3]。STM32WB55RG是一款多协议无线通信芯片，支持2.4 GHz射频、BLE5.0以及ZigBee3.0等，工作主频可达64 MHz，双核之间采用硬件信号量进行通信，工作电压为1.71～3.6 V，内置1 Mbyte的Flash和256 KB的SRAM，集成多个ADC以及定时器等功能模块，芯片尺寸仅为7×7 mm，完全满足设计要求，终端和阅读器硬件原理如图2所示。

根据图2的硬件原理框图结合外围传感器的接口特性，对终端以及阅读器进行了硬件电路设计，部分原理图如图3所示。

图2 系统硬件原理框图Fig.2 Schematic diagram of system hardware

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

2.2 传感器模块设计

本系统的传感器主要包括光谱检测传感器、GPRS模块和温度检测传感器，其中GPRS模块采用西门子公司的MC52iR3。该模块支持900/1 800 MHz的双频模式，可以传输数据、短消息等信号[4-5]，通过接口连接器和天线连接器与 SIM 卡读卡器和天线相连，使用AT指令，内部集成TCP/IP协议栈。MC52iR3 模块的数据输入、输出接口采用标准的 RS232 双向接口，可以与STM32WB55CG的LPUART端直接相连，硬件电路结构简单；光谱传感器采用AMS公司的AS7420系列传感器，AS7420是64通道的数字式近红外光谱传感器，波长范围为750～1 050 nm，通过IIC接口与主控制进行通信[6-7]，其原理如图4(a)所示。对于同一被测物体，在不同温度下，近红外光谱具有很大的差异，经过不断研究试验发现主要是光谱探测器本身随着温度升高会带来热载流子效应，产生噪声电流，影响光谱信号。另外，近红外光源往往伴随着大量的红外热能，其产生的热量也会影响光源光谱基线的变化，更为重要的是样品本身的温度变化会影响到样品分子键的振动状态，从而更明显对光谱信号产生影响。因此，本系统在硬件设计上采用近红外非接触式温度传感器MLX90614来实现对样品温度的检测，将样品温度一起上传，以便建立模型时进行温度补偿，从而大幅提高近红外光谱的稳定性，其原理如图4(b)所示。

图4 传感器硬件原理图Fig.4 Hardware schematic diagram of sensor

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

本检测系统在软件设计上总体可以分为上位机软件和下位机软件两部分。下位机软件主要包括近红外智能光谱仪终端和射频阅读器两部分[8-10]，由于两部分的微控制器为同一型号，这也为在进行软件设计上带来了极大的便利。下位机软件在设计上采用了基于模块化的设计思想。本系统的嵌入式软件基于IAR开发平台，结合STM32库函数，以FreeRTOS作为嵌入式操作系统，采用C语言进行开发，按照功能大致可分为初始化配置、射频通信、数据采集、GPRS通信等。下位机软件工作流程如图5所示。

图5 下位机软件工作流程图Fig.5 Software flow chart of the lower computer

本系统中终端在本质上就是一个有源射频标签，阅读器和终端之间的数量关系为1：N；为此在阅读器对终端进行盘点时，众多终端同时被唤醒进行接入，必然会发生碰撞。鉴于此，本系统设计了一种二进制树接入算法，以实现防碰撞接入，其算法流程如图6所示。

图6 二进制树接入算法流程图Fig.6 Binary tree access algorithm flow chart

3.2 上位机软件设计

上位机软件主要是指数据中心的软件，包括数据库和人机交互界面两部分，在上位机软件开发中，数据库采用MySQL5.5，在数据库中建立对应的数据表来存储检测的数据[11-13]；人机交互界面的开发基于Visual Studio 2015采用C#语言进行开发。

4 系统测试

系统测试主要是对系统的稳定性、可靠性以及灵敏性等进行测试，实验将3个近红外智能光谱仪放于装满茶叶的密封瓶子中，对茶叶中所含水分进行测试[14-16]。1台阅读器置于瓶外，数据处理中心进行相关测试，3个终端的测试结果如图7所示。

从测试图中可以看出，系统可以稳定运行，并且精确反映出待测物品的温度，同时将待测物的光谱曲线绘制于界面中。从光谱曲线中分析可知，经过对光谱探测器、光谱仪机身以及样品温度分别进行检测，然后通过算法实现对光谱数据的三级温度补偿，生产的光谱比较稳定，但是光谱建模分析是一个非常庞大的过程[13]，后续还需大量研究，进一步提高NIRS检测技术的准确性和快速性。

图7 系统测试界面图Fig.7 System Test Interface

5 结束语

本文所设计的近红外智能光谱检测系统，成功地应用了STM32WB55系列微处理器的强大功能，综合运用2.4 GHz射频及GPRS通信技术等无线通信技术的优良传输性能，集光学技术、计算机技术、无线通信技术和自动控制技术于一体。该系统具有实时性好、可靠性高、功耗低、扩展方便等优点，可以对物质进行快速、无损的检测，具有广阔的应用前景。