CN111751308A - 基于嵌入式arm平台的海水总氮总磷数据处理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理系统及方法，旨在解决现有技术中存在的海水总氮总磷测量无法实现实时在线监测，且非水下原位检测，处理速度较慢且功耗较高，造成系统资源浪费的技术问题。本发明包括DC/DC供电电路、样品处理模块、光谱探测模块、基于嵌入式ARM处理器的核心处理单元；DC/DC供电电路向核心处理单元供电；样品处理模块的输出端接光谱探测模块的输入端，样品处理模块用于测量前对海水样品进行预处理；光谱探测模块对待测样品进行光谱检测；核心处理单元对总氮总磷原始光谱数据进行处理，该核心处理单元设有多个数据接口；多个数据接口均通过线缆与外部PC机通信。
Description
技术领域
本发明涉及海水总氮总磷测量，具体涉及一种基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理系统及方法。
背景技术
海水总氮总磷是海水水体的一项重要参数。当其浓度过高时将会引起海水富营养化，严重破坏海洋的生态环境。目前对海水总氮总磷的监测主要有两种方法，第一种是通过现场采集样品，然后进行实验室分析。此种方法周期长、耗费人工，且无法实现实时在线监测。第二种则是采用能够实现在线监测的测量仪器，但此种仪器多以机柜的形式呈现，机柜形式的测量仪通常是采用抽水方式进行检测，而非水下原位检测，而且通常是采用无操作系统的单片机作为处理系统，其处理器最高的速度一般仅为72MHz，处理速度较慢，无法实现多任务，且功耗较高，造成系统资源浪费。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的海水总氮总磷测量无法实现实时在线监测，且非水下原位检测，处理速度较慢，且功耗较高，造成系统资源浪费的技术问题，而提供一种基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理系统和方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理系统，其特殊之处在于：
包括DC/DC供电电路、样品处理模块、光谱探测模块、基于嵌入式ARM处理器的核心处理单元；
所述DC/DC供电电路向核心处理单元供电；
所述样品处理模块的输出端接光谱探测模块的输入端，所述样品处理模块用于测量前对海水样品进行预处理；
所述光谱探测模块对预处理后的待测样品进行光谱检测，获取总氮总磷原始光谱数据，其输出端接核心处理单元的输入接口；
所述核心处理单元对总氮总磷原始光谱数据进行处理，该核心处理单元设有多个数据接口；
多个所述数据接口均通过线缆与外部PC机通信。
进一步地，还包括底板；
所述核心处理单元设置于底板上；
所述底板上还设置有继电器驱动电路以及与样品处理模块的电热丝连接的温度采集电路；
所述光谱探测模块包括恒流源电路、均与恒流源电路连接且波长不同的两个LED光源，两个LED光源通过双光路模块与光谱仪输入端连接，所述光谱仪输出端与核心处理单元连接；
所述继电器驱动电路包括多路继电器，分别用于控制样品处理模块、恒流源电路以及光谱仪。
进一步地，所述核心处理单元包括ARM cotex-A8处理器、内存芯片以及存储芯片。
进一步地，所述继电器采用光耦隔离继电器。
进一步地，所述温度采集电路包括带线性补偿的温度采集芯片MAX31865以及设置在温度采集芯片MAX31865外部的参考电阻RREF、模数转换器以及电阻寄存器。
进一步地，所述恒流源电路设置于底板上，恒流源电路包括线性稳压芯片LM7805以及接在线性稳压芯片LM7805输出端与公共端的电位器。
本发明还提供了一种基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1)参照国标法GB11894-89和GB11893-89，在总氮总磷进行测量前对海水样品进行预处理；
步骤2)核心处理单元向光谱仪发送采集指令，分别获取预处理后待测样品的多帧光谱数据及空白液的多帧光谱数据；
步骤3)对获取的两组多帧光谱数据，分别求其平均值；
步骤4)根据两组平均值求得待测样品的吸光度；
步骤5)对吸光度依次进行平滑滤波处理、散射校正、特征提取以及积分运算得到待测样品的吸收峰面积，建立吸收峰面积与总磷总氮浓度之间的关系模型；
步骤6)根据建立的关系模型将吸收峰面积转化为浓度数据并输出。
进一步地，步骤1)中所述预处理还包括温度采集步骤：
1.1)模数转换器将采集芯片MAX31865所用铂电阻与参考电阻RREF之比转换成数字量并输送至电阻寄存器中；
1.2)通过读取电阻寄存器求得RTD实时电阻值；
1.3)根据铂电阻与温度的关系—Callendar-van-Dusen方程可间接计算出实时温度。
进一步地，步骤2)还包括恒流源调节步骤：
在线性稳压芯片LM7805的输出端与公共端接入电位器，构成固定恒流源，调节此电位器位置改变线性稳压芯片LM7805输出端电流；当负载变化时，LM7805在内部改变自身的压差来维持恒定的电流。
进一步地，步骤1)预处理过程还包括温度采集步骤之前的加热步骤：
1.1)在进入到消解过程中，开启加热丝进行加热，实时测量温度，使温度保持在126℃附近；
1.2)加热20分钟后关闭加热丝停止加热；
1.3)冷却至80℃。
本发明的有益效果是：
1.相比传统的现场采样、实验室分析法，本发明建立的基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理系统能够应用于海水总氮总磷原位探测，快速完成分析，提高测量的实时性。
2.相比单片机作为处理系统，本发明采用的ARM cotex-A8处理器处理速度更快，且能够运行Linux操作系统，简化开发流程，提高开发效率，同时多任务并发执行提高了CPU利用率。
3.本发明基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理系统能够显著降低功耗，并维持在300毫瓦左右，在恶劣的海洋环境下能够长期稳定、可靠地运行。
附图说明
图1是本发明基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理系统的原理框图；
图2是本发明基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理系统的电路设计图；
图3是本发明基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理方法流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提出一种基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理系统，实现原位在线监测并快速处理数据。采用ARM处理器搭载Linux操作系统，内核资源丰富，集成了多种硬件接口的驱动程序，多数模块接口均可直接在应用层进行开发；且ARM处理器频率高达600MHz-1GHz及以上，能够实现多任务并行，提高CPU利用率的同时能够将功耗降低至300毫瓦以下，实现迅速处理总氮总磷原始数据。
结合图1、图2所示，基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理系统包括底板、DC/DC供电电路、样品处理模块、光谱探测模块、基于嵌入式ARM处理器的核心处理单元；
DC/DC供电电路向核心处理单元供电；
样品处理模块的输出端接光谱探测模块的输入端，样品处理模块用于测量前对海水样品进行预处理；样品处理模块包括反应池、电热丝、紫外灯以及电磁阀；电热丝用于加热，提供预处理所需温度；紫外灯用于将海水中的硝酸盐还原为亚硝酸盐；电磁阀包括进口电磁阀和出口电磁阀；进口电磁阀用于控制海水进入反应池，出口电磁阀用于控制预处理后的海水样品输出。
光谱探测模块对预处理后的待测样品进行光谱检测，获取总氮总磷原始光谱数据，光谱探测模块包括恒流源电路、均与恒流源电路连接且波长不同的两个LED光源，两个LED光源通过双光路模块与光谱仪输入端连接，光谱仪输出端与核心处理单元的输入接口；恒流源电路为两个LED光源维持恒定的电流；双光路模块用于两个LED光源间的切换，两个LED光源的波长分别为540nm和880nm；当切换至540nm的LED光源时，光谱仪采集氮的光谱数据，当切换至880nm的LED光源时，光谱仪采集磷的光谱数据。
核心处理单元对总氮总磷原始光谱数据进行处理，核心处理单元包括ARM cotex-A8处理器、内存芯片以及存储芯片；该核心处理单元设有多个数据接口；多个数据接口均通过线缆与外部PC机通信；
底板上还设置有继电器驱动电路以及与样品处理模块的电热丝连接的温度采集电路；温度采集电路包括带线性补偿的温度采集芯片MAX31865以及设置在温度采集芯片MAX31865外部的参考电阻RREF、模数转换器以及电阻寄存器。
继电器驱动电路包括多路继电器，分别用于控制样品处理模块、恒流源电路以及光谱仪；继电器采用光耦隔离继电器。恒流源电路也设置于底板上，恒流源电路包括线性稳压芯片LM7805以及接在线性稳压芯片LM7805输出端与公共端的电位器。
图2中：
⑴电源电路：
在电路设计中，核心板采用5V供电，底板采用12V供电，外围电路采用3.3V、5V供电，因此外部供电首先通过DC/DC将220V降为12V，进入底板电源电路入口为其供电，再通过两个DC/DC(分别是ACT4070BYH和MP1498DJ)分别从12V降为5V为核心板及USB接口电路供电、从5V降为3.3V为实时时钟电路、复位电路、串口通信电路、串口调试电路及以太网接电路供电。
⑵实时时钟电路
实时时钟电路采用RX8025-SA时钟芯片设计，为系统提供精确的时间，且具有电源复位检测、振动停止功能、电源掉电检测等功能，当检测到电源掉电时，可通过后备电池持续记忆系统时间。
⑶复位电路
复位电路采用CAT811T芯片进行设计，通过按下复位按键，使得该芯片的MR引脚电平由高电平跳转为低电平，CAT811T接受到信号后在其RESET引脚给核心板输出一个240ms的信号，拉低核心板使其复位。
⑷串口通信电路
串口通信电路采用RS485通信，主要用于核心板、光谱仪之间的通信以及数据的输出，所用芯片为SP3485EEN；与RS232相比，RS485具有通信距离长，抗干扰能力强等优点，可满足工业现场要求。
⑸串口调试电路
串口调试电路采用SP3232EEN芯片设计，引出DB9接口，通过DB9转串口连接线可在终端进行程序的调试、内核烧写等操作。
⑹以太网接口电路
以太网接口电路所用芯片为KSZ8081RNA，KSZ8081RNA是一款单电源10Base-T/100Base-TX以太网物理层收发器，通过标准CAT-5非屏蔽传输与接收数据，可实现百兆通信。该电路引出以太网接口，通过网线连接PC端虚拟机，通过搭建NFS(Network FileSystem)网络文件系统，可实现两者的文件共享，如烧写程序等。
⑺USB接口电路
USB接口电路引出USB接口，兼容USB3.0，外接128G微型U盘实现数据读写，用于将原始数据与最终浓度数据存储至外接的128G微型U盘内。
⑻继电器驱动电路
采用光耦隔离继电器AQY212GSX控制外围的电热丝加热、控制紫外灯将海水中硝酸盐还原为亚硝酸盐、控制进口电磁阀将海水输入至反应池，控制出口电磁阀将预处理之后的海水输出、控制恒流源电路向两个LED光源输出恒定电流、控制光谱仪采集光谱数据；双光路模块在两个LED光源间进行切换，以分别采集含氮化合物和含磷化合物的光谱数据；相比于电磁式继电器，光耦隔离继电器具有尺寸小、切换时间短、动作快、寿命长等优势。
⑼温度采集电路
海水样品预处理需要在120℃～126℃高温条件下进行消解，温度采集电路主要采用带线性补偿的高精度温度采集芯片MAX31865，该芯片兼容二、三、四线铂电阻温度传感器(RTD)，如PT100、PT1000等，兼容SPI接口，在其外部设置一参考电阻RREF，模数转换器(ADC)将所用铂电阻与该参考电阻之比转换成数字量并输送至电阻寄存器中，通过读取电阻寄存器求得RTD实时电阻值，再根据铂电阻与温度的关系—Callendar-van-Dusen方程可间接计算出实时温度。
⑽恒流源电路
光谱探测所用光源为两个LED，由于LED是非线性元件，当LED两端电压大于其开启电压时，此时LED开始发光；当略微增大其两端电压时，可见其电流呈指数级增大。根据LED这一特性，为了避免LED损坏就需要使用恒流源对其进行驱动。恒流源电路的设计采用线性稳压芯片LM7805，LM7805是一个三端稳压器，通过在其输出端与公共端接入电位器，从而形成一固定恒流源，通过调节此电位器位置即可改变输出端电流，当负载变化时，LM7805可在内部改变自身的压差来维持恒定的电流。
如图3所示，上述基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理系统的工作步骤如下：
步骤1)预处理：
通过样品处理模块，参照国标法GB11894-89和GB11893-89，在总氮总磷进行测量前对海水样品进行预处理，获取待测样品，该待测样品为包含同一种氮化合物和同一种磷化合物的海水；
步骤2)采集光谱数据；
通过光谱探测模块采集预处理后待测样品的紫外-可见-近红外光谱曲线数据和空白液的紫外-可见-近红外光谱曲线数据；
步骤3)采用核心处理单元对采集的待测样品光谱曲线数据以及空白液光谱曲线数据进行处理；
步骤3.1)吸光度转换；
采用公式(1)计算待测样品的吸光度曲线A：
式中IA为待测样品的透射光谱，IB为空白液的透射光谱；
步骤3.2)、平滑滤波；
将吸光度A进行扩充，然后进行平滑滤波，获得待测样品中总氮与总磷的吸收光谱曲线B_N，B_P；
步骤3.3)、选取特征位置，确定特征光谱；
将总氮吸收光谱曲线B_N特征峰的初始像元点位置作为总氮特征位置的初始点，记为Start_N，终止像元点位置作为总氮特征位置的终止点，记为End_N；在总氮吸收光谱曲线B_N上截取从Start_N到End_N之间的光谱曲线作为总氮的特征光谱D_N；D_N＝{A1，A2，...，AEnd}，其中，A1为Start_N对应的吸光度，A2为Start_N+1对应的吸光度，AEnd为End_N对应的吸光度；
将总磷吸收光谱曲线B_P特征峰的初始像元点位置作为总磷特征位置的初始点，记为Start_P，终止像元点位置作为总磷特征位置的终止点，记为End_P；在总磷吸收光谱曲线B_P上截取从Start_P到End_P之间的光谱曲线作为总磷的特征光谱D_P；D_P＝{A1′，A2′，...，AEnd′}，其中，A1′为Start_P对应的吸光度，A2′为Start_P+1对应的吸光度，AEnd′为End_P对应的吸光度；
步骤3.4)、特征峰面积计算；
按照下式计算特征峰面积S_N、S_P：
其中，C_N＝{Start_N，Start_N+1，...，End_N；
C_P＝{Start_P，Start_P+1...，End_P}；函数f(x)为一种排序函数，把输入列向量x中的第一个元素放到最后一位，得到其输出；
步骤4)、回归模型，获得海水中总氮浓度N与总磷浓度P；
N＝8.9023*S_N+0.4902 (公式5-1)
P＝2.6589*S_P-52.6337 (公式5-2)
步骤5)、核心处理单元通过USB接口电路将总氮浓度N与总磷浓度P保存或输出。
优选的，步骤1)中所述预处理还包括温度采集步骤：
1.1)模数转换器将采集芯片MAX31865所用铂电阻与参考电阻RREF之比转换成数字量并输送至电阻寄存器中；
1.2)通过读取电阻寄存器求得RTD实时电阻值；
1.3)根据铂电阻与温度的关系—Callendar-van-Dusen方程可间接计算出实时温度。
优选的，步骤2)还包括恒流源调节步骤：
在线性稳压芯片LM7805的输出端与公共端接入电位器，构成固定恒流源，调节此电位器位置改变线性稳压芯片LM7805输出端电流；当负载变化时，LM7805在内部改变自身的压差来维持恒定的电流。
优选的，步骤1)预处理过程还包括温度采集步骤之前的加热步骤：
在进入到消解过程中，需要开启加热丝进行加热，实时测量温度，使温度保持在126℃附近，加热20分钟后关闭加热丝停止加热，并冷却至80℃进入下一流程。所以在采集温度数据的同时，应该进行计时，两者互不影响，至20分钟加热完毕后，此时停止加热，继续采集温度，并将实时温度数据与80℃进行比较，若温度未降至80℃则进入循环等待，一旦温度降至80℃，继续执行后续的流程。
由于在终端进行程序调试时，经常需要按下ctrl+c键终止进程，然而直接终止进程可能会导致系统中某些硬件模块未关闭，如加热丝还处于加热状态、LED光源未关闭，或是注射泵正在吸取样品过程中便退出程序等，这些问题可能会对设备造成损害或导致流程紊乱，尤其是加热丝，若正在加热过程中人为终止程序，并忘记断电，加热丝会一直加热，最终导致消解管炸裂，这是十分危险的事情。因此当按下ctrl+c键时，函数signal会捕捉进程终止信号，进而转入进程终止处理函数，并在此函数中关闭继电器各路硬件模块，并使注射泵初始化，使进程能够安全地退出。
Claims (10)
1.基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理系统，其特征在于：
包括DC/DC供电电路、样品处理模块、光谱探测模块、基于嵌入式ARM处理器的核心处理单元；
所述DC/DC供电电路向核心处理单元供电；
所述样品处理模块的输出端接光谱探测模块的输入端，所述样品处理模块用于测量前对海水样品进行预处理；
所述光谱探测模块对预处理后的待测样品进行光谱检测，获取总氮总磷原始光谱数据，其输出端接核心处理单元的输入接口；
所述核心处理单元对总氮总磷原始光谱数据进行处理，该核心处理单元设有多个数据接口；
多个所述数据接口均通过线缆与外部PC机通信。
2.根据权利要求1所述的基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理系统，其特征在于：还包括底板；
所述核心处理单元设置于底板上；
所述底板上还设置有继电器驱动电路以及与样品处理模块的电热丝连接的温度采集电路；
所述光谱探测模块包括恒流源电路、均与恒流源电路连接且波长不同的两个LED光源，两个LED光源通过双光路模块与光谱仪输入端连接，所述光谱仪输出端与核心处理单元连接；
所述继电器驱动电路包括多路继电器，分别用于控制样品处理模块、恒流源电路以及光谱仪。
3.根据权利要求2所述的基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理系统，其特征在于：
所述核心处理单元包括ARM cotex-A8处理器、内存芯片以及存储芯片。
4.根据权利要求3所述的基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理系统，其特征在于：
所述继电器采用光耦隔离继电器。
5.根据权利要求4所述的基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理系统，其特征在于：
所述温度采集电路包括带线性补偿的温度采集芯片MAX31865以及设置在温度采集芯片MAX31865外部的参考电阻RREF、模数转换器以及电阻寄存器。
6.根据权利要求4所述的基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理系统，其特征在于：
所述恒流源电路设置于底板上，恒流源电路包括线性稳压芯片LM7805以及接在线性稳压芯片LM7805输出端与公共端的电位器。
7.基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1)参照国标法GB11894-89和GB11893-89，在总氮总磷进行测量前对海水样品进行预处理；
步骤2)核心处理单元向光谱仪发送采集指令，分别获取预处理后待测样品的多帧光谱数据及空白液的多帧光谱数据；
步骤3)对获取的两组多帧光谱数据，分别求其平均值；
步骤4)根据两组平均值求得待测样品的吸光度；
步骤5)对吸光度依次进行平滑滤波处理、散射校正、特征提取以及积分运算得到待测样品的吸收峰面积，建立吸收峰面积与总磷总氮浓度之间的关系模型；
步骤6)根据建立的关系模型将吸收峰面积转化为浓度数据并输出。
8.根据权利要求7所述的基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理方法，其特征在于：
步骤1)中所述预处理还包括温度采集步骤：
1.1)模数转换器将采集芯片MAX31865所用铂电阻与参考电阻RREF之比转换成数字量并输送至电阻寄存器中；
1.2)通过读取电阻寄存器求得RTD实时电阻值；
1.3)根据铂电阻与温度的关系—Callendar-van-Dusen方程可间接计算出实时温度。
9.根据权利要求8所述的基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理方法，其特征在于：
步骤2)还包括恒流源调节步骤：
在线性稳压芯片LM7805的输出端与公共端接入电位器，构成固定恒流源，调节此电位器位置改变线性稳压芯片LM7805输出端电流；当负载变化时，LM7805在内部改变自身的压差来维持恒定的电流。
10.根据权利要求9所述的基于嵌入式ARM平台的海水总氮总磷数据处理方法，其特征在于，步骤1)预处理过程还包括温度采集步骤之前的加热步骤：
1.1)在进入到消解过程中，开启加热丝进行加热，实时测量温度，使温度保持在126℃附近；
1.2)加热20分钟后关闭加热丝停止加热；
1.3)冷却至80℃。
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|---|---|---|---|
| CN202010592078.2A CN111751308A (zh) | 2020-06-24 | 2020-06-24 | 基于嵌入式arm平台的海水总氮总磷数据处理系统及方法 |
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| CN111751308A true CN111751308A (zh) | 2020-10-09 |
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