CN102620823A - 可构成传感网络节点的便携式光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种可构成传感网络节点的便携式光谱仪，其特征在于：包括光谱光电测量模块、传感器网络模块、数据处理传输发布模块、人机交互操作模块；其中光谱光电测量模块包括光学系统、光电探测器和ADC模数转换器；所述的光学系统包括沿光的传播方向依次设置的狭缝耦合器件、狭缝、反光片和光栅；传感器网络模块包括GPS定位系统、温度采集系统和湿度采集系统；所述的光学系统中的光栅为平场凹面光栅。本光谱仪的优点在于：不用PC机进行控制而独立完成光谱采集、分析处理的功能，更加便于操作和携带，同时通过MMC，USB多种存储方式进行数据存储，另外可以通过以太网和蓝牙与上层节点进行光谱数据传输，还可以获取光谱的采集环境信息。

Description

可构成传感网络节点的便携式光谱仪

技术领域

本发明涉及一种可构成传感网络节点的便携式光谱仪，该光谱仪可以与其他节点构成传感网络，适合于农田管理，环境监测。

背景技术

目前，各种仪器设备都向着小型化、智能化的方向发展，数字化集成度很高，而大部分光谱仪产品却都是实时传输数据，即光谱仪通过数据传输接口直接与PC机连接，由PC机来控制光谱仪的使用，借助PC机的强大功能来完成数据存储和处理分析，这样虽然在应用软件上有很大的灵活性，只需要在PC机上更新升级相应软件就可以满足需要，但是却极大的影响了仪器的便携式操作使用。所以开发支持离线操作，并且能在仪器终端进行光谱采集、数据存储和处理的便携式光谱仪有一定的实际意义。同时，目前在PC机环境开发了不同的应用软件对光谱进行农学参数分析，处理研究，因此为了将光谱数据导入到PC机，便携式光谱仪设计了MMC卡，USB接口，以太网对光谱数据进行存储和传输，使光谱仪的使用更加灵活。另外，为了光谱分析的准确性，本便携式光谱仪可以与其他节点(定位，温度，湿度等)构成传感网络，获取环境信息。

发明内容

本发明的目的在于使光谱仪脱离PC机的控制，用户直接操作该仪器就可以完成光谱信号采集，并进行初步的光谱分析；另外，本光谱仪可与其他节点构成传感网络，获得光谱采集时的环境信息(位置信息，湿度，温度等)；采集的光谱数据和传感器网络数据可以保存到MMC卡，U盘，或者通过蓝牙和以太网传到上层节点，以便汇集各光谱仪节点上的作物信息，掌握地区的作物生长状况，方便决策管理。另外，仪器的应用软件开发可以在PC机上完成，而不用受到仪器软件的约束，使仪器的软件开发变得简单。

一种可构成传感网络节点的便携式光谱仪，其特征在于：包括光谱光电测量模块、传感器网络模块、数据处理传输发布模块、人机交互操作模块；其中光谱光电测量模块包括光学系统、光电探测器和ADC模数转换器；所述的光学系统包括沿光的传播方向依次设置的狭缝耦合器件、狭缝、反光片和光栅。光电探测器、ADC模数转换器的工作时序由微处理器提供；传感器网络模块包括GPS定位系统、温度采集系统和湿度采集系统；数据处理传输发布模块包括MMC接口、USB接口、以太网，蓝牙一种或者几种，以上各模块均与微处理器相连；人机交互操作模块包括液晶屏和触摸屏，也直接与微处理器相连。

被测光经过光学系统由光电探测器转换为模拟信号，运放电路将光电探测器转换的电信号进行放大后，又经过模数转换器转换成数字信号传送给微处理器，并在液晶屏上显示光谱数据，用户可以通过触摸屏操作光谱仪，获取位置信息，湿度和温度，处理光谱数据，保存光谱数据到MMC卡或U盘中，通过以太网，蓝牙传送光谱数据和传感网络数据到上层节点。

本光谱仪移植了嵌入式Linux操作系统，设计了嵌入式Linux系统下的光谱采集设备驱动、液晶屏驱动、触摸屏驱动、USB驱动、MMC卡，以太网，传感网络节点驱动等。

Linux设备驱动程序负责将应用程序的读写等操作正确无误的传递给相关的硬件，并使硬件能够做出正确的反应，设备驱动隐藏了硬件的工作细节，应用程序只需要通过一组标准化的接口就可以实现对硬件的操作。

有了Linux系统下的光谱采集设备驱动的支持，光谱仪的应用程序就可以像操作普通文件一样来进行光谱的采集，这样使得仪器的应用软件开发完全可以忽略底层的光谱采集的具体实现细节，软件升级更加灵活。其他设备的驱动程序也类似。

另外，Linux操作系统的根文件系统中还移植了QT-embedded图形库，使得在仪器上开发图形界面应用程序更加方便，只需在PC机上利用QT软件开发相应的图形界面应用程序，然后交叉编译后下载到仪器上即可使用。

光电探测器和ADC模数转换器由处理器控制，反射光通过光学系统后，由处理器控制光电探测器进行光电转换，将光信号转换为电信号，得到的模拟电压信号经ADC模数转换器转换为数字信号，并传送给处理器，进行处理分析，显示在液晶屏上，此过程用户可以通过触摸屏来对仪器进行操作。

为了对光谱进行准确的分析，有必要获取光谱采集时的环境信息，因此系统中包含了传感器网络(GPS定位系统，温度采集系统，湿度采集系统等)。

光数据除了可以存放在Flash存储器中，还可以存储在扩展的MMC卡或U盘中，解决了光谱仪的光谱数据海量存储的问题。

用户还可以通过以太网，蓝牙将光谱数据和传感器网络数据传递到上层节点，对光谱数据进行进一步分析处理研究。

本发明能够完成光谱信号采集、存储、显示和数据处理，传输等功能，在强大的硬件平台和嵌入式Linux操作系统的支持下，使仪器终端可以脱离PC机控制而独立使用，并且光谱仪可以与其他节点构成传感网络，获取环境信息(位置，温度，湿度等)。

附图说明

图1本发明的系统结构图

图2光学系统结构图

图中：1.光纤/狭缝耦合部件(透镜焦距10mm，口径6mm)

2.狭缝

3.线阵CCD

图3Linux字符设备驱动结构图

图4光谱采集设备驱动流程图

图5(a)处理器与ADC的接口示意图

图5(b)处理器与线阵CCD的接口示意图

图5(c)线阵CCD与ADC的接口原理图

图6传感器网络结构图

图7(a)USB接口电路图

图7(b)MMC卡接口电路图

图7(c)蓝牙接口电路图

图7(d)以太网接口电路图

图8(a)LCD控制器与液晶屏接口电路示意图

图8(b)液晶屏驱动电路结构图

图9触摸屏电路原理图

图10仪器光谱采集界面图

具体实施方式

下面结合图1～10对本发明作进一步说明：

如图1所示，本实施例包括光谱光电测量模块(光学系统、光电探测器、运放电路、ADC模数转换器)、传感器网络模块(GPS定位，温度采集，湿度采集)、数据处理传输发布模块(MMC，USB，以太网，蓝牙)、人机交互操作模块(液晶屏、触摸屏)等，而微处理器负责控制和调度四个模块。

被测光经过光学系统由光电探测器转换为模拟信号，ADC将模拟信号转换成数字信号，并在液晶屏上显示光谱数据，用户可以通过触摸屏操作光谱仪，获取传感器网络数据(位置信息，湿度，温度等)，处理光谱数据，保存光谱数据到MMC卡或U盘中，通过以太网，蓝牙传送光谱数据和传感器网络数据到上层节点。

接下来分别对各模块进行详细的介绍。其中光谱光电测量模块包括图2-图5；传感器网络模块为图6；数据处理传输发布模块为图7；人机交互操作模块包括图8-图10。

光栅是光谱仪光学系统设计中最为重要的光学器件。本系统采用的是平场凹面光栅，如图2所示，它既可作为色散系统同时又可兼作成像系统，使用其构成的光学系统结构最为简单，所需要的元件最少；而且平场凹面光栅是像差校正光栅，不需要进行复杂的结构设计和像差修正。系统工作时，光栅把光谱图像汇聚到一个线平面上，通过线阵CCD能同时探测到各光谱的强度信号。选用的平场凹面光栅的参数如下：

如图3所示，本实施例采用了嵌入式Linux操作系统，在Linux系统里，设备驱动程序隐藏了设备的具体操作细节，对各种不同的设备提供了一致的接口，把每个设备映射为一个特殊的设备文件，用户程序可以像对其它文件操作那样对此设备文件进行操作，驱动程序则正确无误的将这些操作传递给相关的硬件，并使硬件能够做出正确的反应。Linux系统的设备分为字符设备、块设备和网络设备三种。字符设备是指在读写时没有缓存的设备，显然实施例中的光谱采集设备属于字符设备。字符设备驱动由如下几个部分组成：

1.字符设备驱动模块加载和卸载函数

在字符设备驱动模块加载函数中应该完成设备驱动的初始化(比如寄存器置位、结构体赋值等)和向内核注册设备，而在卸载函数中应回收相应的资源，从系统中注销该设备。

2.字符设备驱动的file_operations结构体中的成员函数

file_operations结构体中成员函数是字符驱动与内核的接口，是用户空间对Linux进行系统调用最终的落实者。大多数字符设备驱动会实现read()、write()和ioctl()函数，这些函数实际会在应用程序进行Linux的open()、write()、read()、close()等系统调用时最终被调用。

本实施例的光谱采集设备采用了线阵CCD作为光电探测器，并将其和ADC数模转换器作为一个设备来进行驱动设计。Linux系统下光谱采集设备驱动设计主要是完成设备的初始化和file_operations结构体中的函数定义和实现。对于CCD的操作主要是通过处理器的IO口产生驱动时序信号，使其按序输出像素信号，处理器的IO口完成对ADC的工作时序产生控制，令其完成CCD输出的每个像素信号的模数转换，所以可以在file_operations结构体中定义open、release、read函数，open函数主要完成设备的初始化和注册，release函数主要完成设备的注销和资源的释放，read函数读取光谱信号，并完成模数转换。

如图4所示，通过分析线阵CCD和ADC的工作时序，采集设备的光谱信号读取过程为：先给CCD的ROG一个低电平(长度为5000ns)，在ROG重新变高后，CCD就在CLK信号同步下输出信号。CCD每次输出的2087个像素模拟信号，分别为33个首部伪数据字段、2048个有效数据和6个尾部伪数据字段组成。其中的2048个有效数据和首部伪数据字段的后20个数据是我们需要得到的，所以从第14个数据到第2087个数据中的每个模拟信号都通过SHP，SHD，DATACLK来启动ADC完成模数转换。CCD的所有像素模拟信号输出完成后，一次光谱采集结束。光谱信号采集设备驱动的read函数可以按照此流程来进行设计。可以通过调整ROG高电平持续时间来调节积分时间。

该光谱仪的硬件平台需要能够移植嵌入式Linux操作系统，需要采用功能强大的处理器来支持，所以本实施例中的微处理器采用了TI公司的AM3517处理器，该处理器内部集成众多外设，如USB控制器、以太网控制器，MMC卡控制器、LCD控制器、实时时钟等。围绕AM3517处理器，建立整个仪器的硬件平台，除了处理器内部集成的控制器之外，我们还需要扩展触摸屏控制器、液晶屏驱动电路、电源、以及光谱采集所需要的器件等。光电探测器采用了SONY公司的光谱测量范围为200nm～1100nm的2048个有效像素的线阵CCD(型号为ILX554B)。

如图5所示，本实施例的线阵CCD(型号为ILX554B)和ADC模数转换器(型号为AD9945)分别与处理器AM3517相连，AM3517通过ROG和CLK信号线产生CCD的工作时序，CCD输出的模拟电压信号通过运放电路由ADC转换为数字信号。

如图6所示，本实施例包含了传感器网络，可以完成GPS系统定位，温度和湿度采集，从而获取光谱采集的环境信息，有助于光谱分析。

如图7所示，本实施例使用了处理器内部的MMC(MultiMediaCard)控制器和USB控制器，设计了MMC接口和USB接口，以供仪器扩展MMC卡和U盘，方便数据存储。另外，利用处理器内部的以太网控制器和蓝牙控制器，设计了网口和蓝牙接口，方便与PC机的数据交互。

在嵌入式Linux操作系统的驱动中，已经有许多相关驱动，如LCD驱动、触摸屏驱动、MMC卡驱动和USB设备驱动等，在上述硬件设备的支持下，只需要按照本系统的硬件资源，修改相应的驱动，并将这些驱动加入到操作系统内核中，每次开机系统启动后，就可以被应用程序使用。另外，本实施例在嵌入式Linux根文件系统中移植了QT-embedded图形库，这样我们就可以更方便开发出图形界面应用程序，方便用户操作使用，借助QT软件，我们可以在PC机上开发好界面，交叉编译后就可以在光谱仪上使用，不用受到光谱仪本身的约束。

如图8所示，本实施例中的液晶平选用了SHARP公司的3.5寸TFT液晶屏LQ035Q7DH06，它带有四线电阻式触摸屏，如图5所示，微处理器通过其LCD控制器驱动液晶屏，液晶屏与LCD控制器之间需要设计驱动电路，驱动电路主要提供包括多路电压源，控制时序和像素信号的电路，背光源电路以及公共电极电压电路。

如图9所示，本实施例通过扩展触摸屏控制来实现仪器的触摸屏功能，触摸屏控制器提供了四个信号线接口(left、upper、right、down)连接触摸屏，它与处理器通过SPI总线相连，当触摸屏被按下，触摸屏控制器进行AD转换，并产生中断时，通过GPIO来通知处理器中断，处理器转换后的信号经过坐标换算得到触点的坐标。

如图10所示，该界面是一个光谱采集界面实例，界面上设计了几个功能按钮，用户可以通过触摸屏点击按钮，实现相应的功能。

本实施例的使用方法为：开机，等待系统启动后，液晶屏上显示光谱采集界面，界面上面集成有按钮控件，可以使用触摸笔点击液晶屏上的按钮控件，然后调用相应的驱动程序，实现相应的功能。例如：通过切换Start和Stop按钮实现光谱的采集与终止；通过切换Show和Hide按钮能实现光谱的显示和隐藏；Save按钮用于光谱数据的保存；Para用于光谱数据的预处理；Func按钮中包含了积分时间设置，光谱收缩，光谱寻峰，传感器网络参数(GPS定位，温度采集，湿度采集)以及农学参数测量等；Trans按钮用于实现光谱仪向上层节点传送光谱数据和环境数据。

本实施例中的光谱仪的主要技术参数为：

光谱仪光学系统尺寸：160*90*65mm

光谱仪体积：160*90*110mm

光谱测量范围：300nm～1000nm

光谱分辨率：≤3nm

光谱最快扫描时间：20ms

存储方式：MMC卡，U盘

通讯方式：蓝牙，以太网。

Claims (1)

1.一种可构成传感网络节点的便携式光谱仪，其特征在于：包括光谱光电测量模块、传感器网络模块、数据处理传输发布模块、人机交互操作模块；其中光谱光电测量模块包括光学系统、光电探测器和ADC模数转换器；所述的光学系统包括沿光的传播方向依次设置的狭缝耦合器件、狭缝、反光片和光栅；光电探测器、ADC模数转换器的工作时序由微处理器提供；传感器网络模块包括GPS定位系统、温度采集系统和湿度采集系统；数据处理传输发布模块包括MMC接口、USB接口、以太网，蓝牙一种或者几种，以上各模块均与微处理器相连；人机交互操作模块包括液晶屏和触摸屏，也直接与微处理器相连；

所述的光学系统中的光栅为平场凹面光栅，且平场凹面光栅的参数为：

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