專利名稱：可構成傳感網(wǎng)絡節(jié)點的便攜式光譜儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可構成傳感網(wǎng)絡節(jié)點的便攜式光譜儀，該光譜儀可以與其他節(jié)點構成傳感網(wǎng)絡，適合于農田管理，環(huán)境監(jiān)測。
背景技術：
目前，各種儀器設備都向著小型化、智能化的方向發(fā)展，數(shù)字化集成度很高，而大部分光譜儀產品卻都是實時傳輸數(shù)據(jù)，即光譜儀通過數(shù)據(jù)傳輸接口直接與PC機連接，由PC機來控制光譜儀的使用，借助PC機的強大功能來完成數(shù)據(jù)存儲和處理分析，這樣雖然在應用軟件上有很大的靈活性，只需要在PC機上更新升級相應軟件就可以滿足需要，但是卻極大的影響了儀器的便攜式操作使用。所以開發(fā)支持離線操作，并且能在儀器終端進行光譜采集、數(shù)據(jù)存儲和處理的便攜式光譜儀有一定的實際意義。同時，目前在PC機環(huán)境開發(fā)了不同的應用軟件對光譜進行農學參數(shù)分析，處理研究，因此為了將光譜數(shù)據(jù)導入到PC機，便攜式光譜儀設計了 MMC卡，USB接口，以太網(wǎng)對光譜數(shù)據(jù)進行存儲和傳輸，使光譜儀的使用更加靈活。另外，為了光譜分析的準確性，本便攜式光譜儀可以與其他節(jié)點(定位，溫度，濕度等)構成傳感網(wǎng)絡，獲取環(huán)境信息。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于使光譜儀脫離PC機的控制，用戶直接操作該儀器就可以完成光譜信號采集，并進行初步的光譜分析；另外，本光譜儀可與其他節(jié)點構成傳感網(wǎng)絡，獲得光譜采集時的環(huán)境信息(位置信息，濕度，溫度等)；采集的光譜數(shù)據(jù)和傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)可以保存到MMC卡，U盤，或者通過藍牙和以太網(wǎng)傳到上層節(jié)點，以便匯集各光譜儀節(jié)點上的作物信息，掌握地區(qū)的作物生長狀況，方便決策管理。另外，儀器的應用軟件開發(fā)可以在PC機上完成，而不用受到儀器軟件的約束，使儀器的軟件開發(fā)變得簡單。一種可構成傳感網(wǎng)絡節(jié)點的便攜式光譜儀，其特征在于包括光譜光電測量模塊、傳感器網(wǎng)絡模塊、數(shù)據(jù)處理傳輸發(fā)布模塊、人機交互操作模塊；其中光譜光電測量模塊包括光學系統(tǒng)、光電探測器和ADC模數(shù)轉換器；所述的光學系統(tǒng)包括沿光的傳播方向依次設置的狹縫耦合器件、狹縫、反光片和光柵。光電探測器、ADC模數(shù)轉換器的工作時序由微處理器提供；傳感器網(wǎng)絡模塊包括GPS定位系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)和濕度采集系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理傳輸發(fā)布模塊包括MMC接口、USB接口、以太網(wǎng)，藍牙一種或者幾種，以上各模塊均與微處理器相連；人機交互操作模塊包括液晶屏和觸摸屏，也直接與微處理器相連。被測光經過光學系統(tǒng)由光電探測器轉換為模擬信號，運放電路將光電探測器轉換的電信號進行放大后，又經過模數(shù)轉換器轉換成數(shù)字信號傳送給微處理器，并在液晶屏上顯示光譜數(shù)據(jù)，用戶可以通過觸摸屏操作光譜儀，獲取位置信息，濕度和溫度，處理光譜數(shù)據(jù)，保存光譜數(shù)據(jù)到MMC卡或U盤中，通過以太網(wǎng)，藍牙傳送光譜數(shù)據(jù)和傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)到上層節(jié)點。本光譜儀移植了嵌入式Linux操作系統(tǒng)，設計了嵌入式Linux系統(tǒng)下的光譜采集設備驅動、液晶屏驅動、觸摸屏驅動、USB驅動、MMC卡，以太網(wǎng)，傳感網(wǎng)絡節(jié)點驅動等。Linux設備驅動程序負責將應用程序的讀寫等操作正確無誤的傳遞給相關的硬件，并使硬件能夠做出正確的反應，設備驅動隱藏了硬件的工作細節(jié)，應用程序只需要通過一組標準化的接口就可以實現(xiàn)對硬件的操作。有了 Linux系統(tǒng)下的光譜采集設備驅動的支持，光譜儀的應用程序就可以像操作普通文件一樣來進行光譜的采集，這樣使得儀器的應用軟件開發(fā)完全可以忽略底層的光譜采集的具體實現(xiàn)細節(jié)，軟件升級更加靈活。其他設備的驅動程序也類似。另外，Linux操作系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)中還移植了 QT_embedded圖形庫,使得在儀器上開發(fā)圖形界面應用程序更加方便，只需在PC機上利用QT軟件開發(fā)相應的圖形界面應用程序，然后交叉編譯后下載到儀器上即可使用。光電探測器和ADC模數(shù)轉換器由處理器控制，反射光通過光學系統(tǒng)后，由處理器控制光電探測器進行光電轉換，將光信號轉換為電信號，得到的模擬電壓信號經ADC模數(shù)轉換器轉換為數(shù)字信號，并傳送給處理器，進行處理分析，顯示在液晶屏上，此過程用戶可以通過觸摸屏來對儀器進行操作。為了對光譜進行準確的分析，有必要獲取光譜采集時的環(huán)境信息，因此系統(tǒng)中包含了傳感器網(wǎng)絡(GPS定位系統(tǒng)，溫度采集系統(tǒng)，濕度采集系統(tǒng)等)。光數(shù)據(jù)除了可以存放在Flash存儲器中，還可以存儲在擴展的MMC卡或U盤中，解決了光譜儀的光譜數(shù)據(jù)海量存儲的問題。用戶還可以通過以太網(wǎng)，藍牙將光譜數(shù)據(jù)和傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳遞到上層節(jié)點，對光譜數(shù)據(jù)進行進一步分析處理研究。本發(fā)明能夠完成光譜信號采集、存儲、顯示和數(shù)據(jù)處理，傳輸?shù)裙δ埽趶姶蟮挠布脚_和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的支持下，使儀器終端可以脫離PC機控制而獨立使用，并且光譜儀可以與其他節(jié)點構成傳感網(wǎng)絡，獲取環(huán)境信息(位置，溫度，濕度等)。


圖I本發(fā)明的系統(tǒng)結構2光學系統(tǒng)結構中I.光纖/狹縫耦合部件(透鏡焦距10mm，口徑6mm)2.狹縫3.線陣 CCD圖3Linux字符設備驅動結構圖
圖4光譜采集設備驅動流程5 (a)處理器與ADC的接口示意5(b)處理器與線陣CXD的接口示意5 (C)線陣CXD與ADC的接口原理6傳感器網(wǎng)絡結構圖
圖7 (a) USB接口電路7 (b) MMC卡接口電路7 (C)藍牙接口電路圖
圖7(d)以太網(wǎng)接口電路圖
圖8 (a) IXD控制器與液晶屏接口電路示意圖
圖8 (b)液晶屏驅動電路結構9觸摸屏電路原理10儀器光譜采集界面圖
具體實施例方式下面結合圖I 10對本發(fā)明作進一步說明如圖I所示，本實施例包括光譜光電測量模塊(光學系統(tǒng)、光電探測器、運放電路、ADC模數(shù)轉換器)、傳感器網(wǎng)絡模塊(GPS定位，溫度采集，濕度采集)、數(shù)據(jù)處理傳輸發(fā)布模塊(MMC，USB,以太網(wǎng)，藍牙)、人機交互操作模塊(液晶屏、觸摸屏)等，而微處理器負責控制和調度四個模塊。被測光經過光學系統(tǒng)由光電探測器轉換為模擬信號，ADC將模擬信號轉換成數(shù)字信號，并在液晶屏上顯示光譜數(shù)據(jù)，用戶可以通過觸摸屏操作光譜儀，獲取傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)(位置信息，濕度，溫度等)，處理光譜數(shù)據(jù)，保存光譜數(shù)據(jù)到MMC卡或U盤中，通過以太網(wǎng)，藍牙傳送光譜數(shù)據(jù)和傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)到上層節(jié)點。接下來分別對各模塊進行詳細的介紹。其中光譜光電測量模塊包括圖2-圖5 ;傳感器網(wǎng)絡模塊為圖6 ;數(shù)據(jù)處理傳輸發(fā)布模塊為圖7 ;人機交互操作模塊包括圖8-圖10。光柵是光譜儀光學系統(tǒng)設計中最為重要的光學器件。本系統(tǒng)采用的是平場凹面光柵，如圖2所示，它既可作為色散系統(tǒng)同時又可兼作成像系統(tǒng)，使用其構成的光學系統(tǒng)結構最為簡單，所需要的元件最少；而且平場凹面光柵是像差校正光柵，不需要進行復雜的結構設計和像差修正。系統(tǒng)工作時，光柵把光譜圖像匯聚到一個線平面上，通過線陣CXD能同時探測到各光譜的強度信號。選用的平場凹面光柵的參數(shù)如下
刻線密度(//層7) 217. 15 波長范圍(腫) 400 950 光譜長度Um) 20.15 刻劃面積00 光柵中心厚度 IOww入射角Ge -2.5°
入射臂La(mm) 84. 90
對于短波A1 = AOOnm的出射臂Lb'(mm) 95. 67對于長波毛=95O腫的出射臂Z62(WW) 111. 55垂直于光譜面的出射臂Aj(WW) 64.00對于4的衍射角爲 7.50。
對于A2的衍射角P1 14. 48 °
對應&的衍射角八 -40.51°如圖3所示，本實施例采用了嵌入式Linux操作系統(tǒng)，在Linux系統(tǒng)里，設備驅動程序隱藏了設備的具體操作細節(jié)，對各種不同的設備提供了一致的接口，把每個設備映射為一個特殊的設備文件，用戶程序可以像對其它文件操作那樣對此設備文件進行操作，驅動程序則正確無誤的將這些操作傳遞給相關的硬件，并使硬件能夠做出正確的反應。Linux系統(tǒng)的設備分為字符設備、塊設備和網(wǎng)絡設備三種。字符設備是指在讀寫時沒有緩存的設備，顯然實施例中的光譜采集設備屬于字符設備。字符設備驅動由如下幾個部分組成I.字符設備驅動模塊加載和卸載函數(shù)在字符設備驅動模塊加載函數(shù)中應該完成設備驅動的初始化(比如寄存器置位、結構體賦值等)和向內核注冊設備，而在卸載函數(shù)中應回收相應的資源，從系統(tǒng)中注銷該設備。2.字符設備驅動的file_operations結構體中的成員函數(shù)file_operations結構體中成員函數(shù)是字符驅動與內核的接口，是用戶空間對Linux進行系統(tǒng)調用最終的落實者。大多數(shù)字符設備驅動會實現(xiàn)read()、write ()和ioctl ()函數(shù),這些函數(shù)實際會在應用程序進行Linux的open() >write ()、read()、close()等系統(tǒng)調用時最終被調用。本實施例的光譜采集設備采用了線陣CCD作為光電探測器，并將其和ADC數(shù)模轉換器作為一個設備來進行驅動設計。Linux系統(tǒng)下光譜采集設備驅動設計主要是完成設備的初始化和file_operations結構體中的函數(shù)定義和實現(xiàn)。對于(XD的操作主要是通過處理器的IO 口產生驅動時序信號，使其按序輸出像素信號，處理器的IO 口完成對ADC的工作時序產生控制，令其完成CCD輸出的每個像素信號的模數(shù)轉換，所以可以在file_operations結構體中定義open、release、read函數(shù)，open函數(shù)主要完成設備的初始化和注冊，release函數(shù)主要完成設備的注銷和資源的釋放，read函數(shù)讀取光譜信號，并完成模數(shù)轉換。如圖4所示，通過分析線陣CCD和ADC的工作時序，采集設備的光譜信號讀取過程為先給C⑶的ROG—個低電平(長度為5000ns)，在ROG重新變高后，C⑶就在CLK信號同步下輸出信號。CCD每次輸出的2087個像素模擬信號，分別為33個首部偽數(shù)據(jù)字段、2048個有效數(shù)據(jù)和6個尾部偽數(shù)據(jù)字段組成。其中的2048個有效數(shù)據(jù)和首部偽數(shù)據(jù)字段的后20個數(shù)據(jù)是我們需要得到的，所以從第14個數(shù)據(jù)到第2087個數(shù)據(jù)中的每個模擬信號都通過SHP，SHD, DATACLK來啟動ADC完成模數(shù)轉換。C⑶的所有像素模擬信號輸出完成后，一次光譜采集結束。光譜信號采集設備驅動的read函數(shù)可以按照此流程來進行設計。可以通過調整ROG高電平持續(xù)時間來調節(jié)積分時間。該光譜儀的硬件平臺需要能夠移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)，需要采用功能強大的處理器來支持，所以本 實施例中的微處理器采用了 TI公司的AM3517處理器，該處理器內部集成眾多外設，如USB控制器、以太網(wǎng)控制器，MMC卡控制器、LCD控制器、實時時鐘等。圍繞AM3517處理器，建立整個儀器的硬件平臺，除了處理器內部集成的控制器之外，我們還需要擴展觸摸屏控制器、液晶屏驅動電路、電源、以及光譜采集所需要的器件等。光電探測器采用了 SONY公司的光譜測量范圍為200nm IlOOnm的2048個有效像素的線陣CXD (型號為ILX554B)。如圖5所示，本實施例的線陣CXD(型號為ILX554B)和ADC模數(shù)轉換器(型號為AD9945)分別與處理器AM3517相連，AM3517通過ROG和CLK信號線產生CCD的工作時序，CCD輸出的模擬電壓信號通過運放電路由ADC轉換為數(shù)字信號。如圖6所示，本實施例包含了傳感器網(wǎng)絡，可以完成GPS系統(tǒng)定位，溫度和濕度采集，從而獲取光譜采集的環(huán)境信息，有助于光譜分析。如圖7所示，本實施例使用了處理器內部的MMC(MultiMediaCard)控制器和USB控制器，設計了 MMC接口和USB接口，以供儀器擴展MMC卡和U盤，方便數(shù)據(jù)存儲。另外，利用處理器內部的以太網(wǎng)控制器和藍牙控制器，設計了網(wǎng)口和藍牙接口，方便與PC機的數(shù)據(jù)交互。在嵌入式Linux操作系統(tǒng)的驅動中，已經有許多相關驅動，如IXD驅動、觸摸屏驅動、MMC卡驅動和USB設備驅動等，在上述硬件設備的支持下，只需要按照本系統(tǒng)的硬件資源，修改相應的驅動，并將這些驅動加入到操作系統(tǒng)內核中，每次開機系統(tǒng)啟動后，就可以被應用程序使用。另外，本實施例在嵌入式Linux根文件系統(tǒng)中移植了 QT-embedded圖形庫，這樣我們就可以更方便開發(fā)出圖形界面應用程序，方便用戶操作使用，借助QT軟件，我們可以在PC機上開發(fā)好界面，交叉編譯后就可以在光譜儀上使用，不用受到光譜儀本身的約束。如圖8所示，本實施例中的液晶平選用了 SHARP公司的3. 5寸TFT液晶屏LQ035Q7DH06,它帶有四線電阻式觸摸屏，如圖5所示，微處理器通過其IXD控制器驅動液晶屏，液晶屏與LCD控制器之間需要設計驅動電路，驅動電路主要提供包括多路電壓源，控制時序和像素信號的電路，背光源電路以及公共電極電壓電路。如圖9所示，本實施例通過擴展觸摸屏控制來實現(xiàn)儀器的觸摸屏功能，觸摸屏控制器提供了四個信號線接口(left、upper、right、down)連接觸摸屏,它與處理器通過SPI總線相連，當觸摸屏被按下，觸摸屏控制器進行AD轉換，并產生中斷時，通過GPIO來通知處理器中斷，處理器轉換后的信號經過坐標換算得到觸點的坐標。如圖10所示，該界面是一個光譜采集界面實例，界面上設計了幾個功能按鈕，用戶可以通過觸摸屏點擊按鈕，實現(xiàn)相應的功能。本實施例的使用方法為開機，等待系統(tǒng)啟動后，液晶屏上顯示光譜采集界面，界面上面集成有按鈕控件，可以使用觸摸筆點擊液晶屏上的按鈕控件，然后調用相應的驅動程序，實現(xiàn)相應的功能。例如通過切換Start和Stop按鈕實現(xiàn)光譜的采集與終止；通過切換Show和Hide按鈕能實現(xiàn)光譜的顯示和隱藏；Save按鈕用于光譜數(shù)據(jù)的保存；Para用于光譜數(shù)據(jù)的預處理；Func按鈕中包含了積分時間設置，光譜收縮，光譜尋峰，傳感器網(wǎng)絡參數(shù)(GPS定位，溫度采集，濕度采集)以及農學參數(shù)測量等；Trans按鈕用于實現(xiàn)光譜儀向上層節(jié)點傳送光譜數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)。本實施例中的光譜儀的主要技術參數(shù)為光譜儀光學系統(tǒng)尺寸160*90*65mm光譜儀體積160*90*11Omm光譜測量范圍300nm 1OOnm光譜分辨率< 3nm光譜最快掃描時間20ms存儲方式MMC卡，U盤通訊方式藍牙，以太網(wǎng)。
權利要求
1.一種可構成傳感網(wǎng)絡節(jié)點的便攜式光譜儀，其特征在于包括光譜光電測量模塊、傳感器網(wǎng)絡模塊、數(shù)據(jù)處理傳輸發(fā)布模塊、人機交互操作模塊；其中光譜光電測量模塊包括光學系統(tǒng)、光電探測器和ADC模數(shù)轉換器；所述的光學系統(tǒng)包括沿光的傳播方向依次設置的狹縫耦合器件、狹縫、反光片和光柵；光電探測器、ADC模數(shù)轉換器的工作時序由微處理器提供；傳感器網(wǎng)絡模塊包括GPS定位系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)和濕度采集系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理傳輸發(fā)布模塊包括MMC接口、USB接口、以太網(wǎng)，藍牙一種或者幾種，以上各模塊均與微處理器相連；人機交互操作模塊包括液晶屏和觸摸屏，也直接與微處理器相連； 所述的光學系統(tǒng)中的光柵為平場凹面光柵，且平場凹面光柵的參數(shù)為 刻線密度(//層0 217. 15波長范圍(腫) 400 950光譜長度Um) 20.15 刻劃面積00 光柵中心厚度 IOww 入射角a -2.5° 入射臂La(mm) 84. 90 對于短波A1 = AOOnm的出射臂Lb'(mm) 95. 67 對于長波毛=95O腫的出射臂Z62(WW) 111. 55 垂直于光譜面的出射臂Aj(WW) 64.00 對于4的衍射角爲 7.50。
對于A2的衍射角P1 14. 48 °對應&的衍射角A -40.51°。
全文摘要
一種可構成傳感網(wǎng)絡節(jié)點的便攜式光譜儀，其特征在于包括光譜光電測量模塊、傳感器網(wǎng)絡模塊、數(shù)據(jù)處理傳輸發(fā)布模塊、人機交互操作模塊；其中光譜光電測量模塊包括光學系統(tǒng)、光電探測器和ADC模數(shù)轉換器；所述的光學系統(tǒng)包括沿光的傳播方向依次設置的狹縫耦合器件、狹縫、反光片和光柵；傳感器網(wǎng)絡模塊包括GPS定位系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)和濕度采集系統(tǒng)；所述的光學系統(tǒng)中的光柵為平場凹面光柵。本光譜儀的優(yōu)點在于不用PC機進行控制而獨立完成光譜采集、分析處理的功能，更加便于操作和攜帶，同時通過MMC，USB多種存儲方式進行數(shù)據(jù)存儲，另外可以通過以太網(wǎng)和藍牙與上層節(jié)點進行光譜數(shù)據(jù)傳輸，還可以獲取光譜的采集環(huán)境信息。
文檔編號G01J3/02GK102620823SQ201210080878
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權日2012年3月23日
發(fā)明者張娣, 徐喆, 李洪森, 李濤, 楊娜 申請人:北京工業(yè)大學