CN109270024A - 一种基于NB-IoT的近红外光谱仪无线数据采集*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于NB‑IoT的近红外光谱仪无线数据采集***,本发明包括光谱仪模块、主控模块、NB‑IoT无线通信模块、运营商数据传输网络、物联网云服务器和移动端模块。光谱仪模块、主控模块和NB‑IoT无线通信模块组成***,完成近红外光谱数据采集、模块定位和数据上传,物联网云服务器完成数据解析、存储和发布,通过移动端模块向用户提供查询服务。本发明将NB‑IoT技术与云服务器技术相结合,具有低功耗、广覆盖和低成本的优点,在低功耗的前提下,打破了近红外光谱数据的采集、传输距离限制,更符合物联网领域的应用需求,可以为近红外光谱技术在物联网领域的应用提供进一步的技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及物联网技术和近红外光谱技术的学科交叉,是物联网领域中一种基于NB-IoT技术的近红外光谱仪无线数据采集***。
背景技术
近年来,随着智慧农业的推广,近红外光谱分析技术已经在物联网中取得应用。近红外光谱通常分为两段:0.7-1.1μm的短波近红外光谱区域和1.1-2.5μm的长波近红外光谱区域。目前,物联网领域现有的近红外光谱分析多采用CMOS近红外光传感器,受限于硅器件的材料性质,其响应范围仅覆盖到1.1μm以下的短波近红外区域。铟镓砷探测器在常温下的响应波长可达1.7μm,可探测含有更丰富特征信息的长波近红外波段,在物联网的光谱传感领域具有广阔的应用前景。
基于铟镓砷探测器的常规近红外光谱设备,数据采集***多采用USB接口与控制主机通信,完成控制和数据传输功能。这种光谱数据采集***体积较大,移动性差,很难直接在物联网中进行应用。随着近年来微型光谱仪技术的不断发展,基于WiFi、蓝牙、GPRS等无线通信接口的光谱数据采集***已经问世。WiFi和蓝牙等通信技术传输距离仅有几十米到上百米,GPRS通讯模块解决了距离限制,但瞬时工作电流可达2A,不能完全满足物联网感知层中功耗和传输距离兼顾的应用需求。
NB-IoT是物联网领域的新兴技术,支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接,仅消耗约180KHz的带宽。相比于目前广泛商用的GSM/GPRS/3G/4G及其他近距离无线通信技术,具有覆盖广、连接多、成本低、功耗少的优点,是未来万物互联技术的重要选择。
发明内容
本发明的目的是设计一种基于NB-IoT技术的近红外光谱仪无线数据采集***,配合基于铟镓砷探测器的近红外光谱仪模块,将近红外光谱数据上传云端,并通过移动端模块向用户提供查询服务。
本发明的技术方案如下:
一种基于NB-IoT的近红外光谱仪无线数据采集***,其特征在于,包括光谱仪模块、主控模块、NB-IoT无线通信模块、运营商数据传输网络、物联网云服务器和移动端模块。
所述光谱仪模块为900-1700nm波段的近红外微型化铟镓砷阵列光谱仪,能够对被研究样品进行透射或漫反射光谱测量,获取光谱数据。
所述主控模块用于控制光谱仪模块的工作状态,并将光谱仪模块的编号、工作参数、采集的光谱数据通过NB-IoT无线通信模块和运营商数据传输网络上传至物联网云服务器。光谱仪模块的工作状态控制包括暗电流采集、积分时间优化调整、漫反射白板数据测定、样品光谱采集和存储;工作参数包括波长范围、积分时间、光谱分辨率、光谱通道数和各光谱通道中心波长。
所述NB-IoT无线通信模块利用内置GNSS功能进行卫星定位,并通过运营商NB-IoT数据传输网络与物联网云服务器建立TCP/IP协议连接或UDP协议连接,上传光谱仪模块的编号、工作参数、位置信息和近红外光谱数据到物联网云服务器的指定端口。
所述物联网云服务器作为数据平台,向NB-IoT无线通信模块提供TCP/IP协议连接和UDP协议连接,将上传的参数信息、位置信息和光谱数据分类解析后存储于数据库,并发布外部接口供移动端模块调用查询。
所述移动端模块提供给用户使用,包括移动设备和应用程序,基于物联网云服务器发布的外部查询接口,提供光谱数据下载、光谱曲线绘制、光谱仪模块工作参数和定位查询功能。
所述***的具体工作步骤为:
步骤1,光谱仪模块上电工作,在主控模块的控制下完成暗电流采集,并根据环境光强完成积分时间优化调整;
步骤2,主控模块读取光谱仪模块的编号和工作参数,利用NB-IoT无线通信模块完成卫星定位,获取位置信息;
步骤3,主控模块控制光谱仪模块进行漫反射白板和样品的光谱测量,获取光谱数据;
步骤4,光谱数据采集完成后,主控模块通过NB-IoT无线通信模块和运营商数据传输网络连接物联网云服务器,分类上传光谱仪模块的编号、工作参数、位置信息和采集的光谱数据;
步骤5,物联网云服务器接收各类上传信息,分类解析后存储于数据库,并通过外部接口进行发布;
步骤6,用户使用账号和密码登录移动端模块的应用程序,选择特定编号和位置的光谱仪模块,查询并下载其特定时间的光谱数据,完成光谱数据的曲线图绘制。
本发明的有益效果是:
采用NB-IoT技术将近红外光谱数据直接上传云服务器,相比于传统近红外光谱仪的数据采集、传输***,兼顾了功耗和传输距离限制两个应用需求;增加了光谱仪模块的工作状态控制、工作参数获取、GNSS卫星定位功能,并向用户提供移动端模块的应用程序,提高了近红外光谱仪在物联网中的实用性。
附图说明
图1是一种基于NB-IoT的近红外光谱仪无线数据采集***的架构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施进行更加详细的阐述。
如图1所示,一种基于NB-IoT的近红外光谱仪无线数据采集***,包括光谱仪模块、主控模块、NB-IoT无线通信模块、运营商数据传输网络、物联网云服务器和移动端模块。
光谱仪模块为900-1700nm波段的近红外微型化铟镓砷阵列光谱仪。探测器为256元线列铟镓砷焦平面组件,通过与线性渐变滤光片耦合,得到紧凑的微型化分光结构;通过FPGA驱动组件内部的读出电路,完成光谱数据的采集和积分时间调整。
主控模块采用MSP430F149单片机实现。利用指令和数字脉冲控制光谱仪模块内的FPGA芯片完成积分时间自调整,暗电流、白板、待测样品的光谱数据采集功能;通过中断完成光谱仪模块编号、工作参数和光谱数据的获取,并控制NB-IoT无线通信模块上传数据至云服务器。
NB-IoT无线通信模块采用芯讯通SIM7000C型号的NB-IoT模组,通过串口接收MSP430F149单片机的AT指令和数据交互,配合中国电信的NB-IoT物联网专用卡,完成基于NB-IoT的蜂窝网络注册和基于TCP/IP协议连接的数据上传;SIM7000C内置GNSS卫星定位功能模块,可配合MSP430F149单片机进一步完成卫星定位和位置信息上传。
光谱仪模块、主控模块和NB-IoT无线通信模块组成***,采用18650型锂电池供电,供电电压3.7V。其中,锂电池提供的电压经过滤波直接提供给NB-IoT无线通信模块,经过线性稳压器得到3.3V电压提供给光谱仪模块和主控模块。
物联网云服务器选用“阿里云”ECS云服务器作为数据平台,配置为2核4G内存,1Mbps带宽,享有独立公网IP。在云服务器内开发NB-IoT接口的TCP/IP数据解析软件、基于Microsoft SQL Server 2008的光谱数据库和Web Service发布接口。数据解析软件使用C#语言开发,将位置信息和光谱数据分类解析后,与光谱仪编号相对应,存储于SQL Server光谱数据库,并利用JAVA开发Web Service发布接口完成数据发布。
移动端模块基于手机和安卓操作***实现,应用程序利用物联网云服务器发布的外部查询接口,提供光谱数据下载、光谱曲线绘制、光谱仪模块工作参数和定位查询功能。
具体操作步骤为:
步骤1,光谱仪模块上电工作,MSP430F149单片机向光谱仪内的FPGA发送指令完成暗电流采集,并控制FPGA根据环境光强完成积分时间优化调整;
步骤2,MSP430F149单片机读取光谱仪模块的编号和工作参数,利用AT指令控制NB-IoT无线通信模块完成卫星定位,获取位置信息;
步骤3,MSP430F149单片机控制光谱仪模块进行漫反射白板和样品的光谱测量,获取相应的光谱数据;
步骤4,光谱数据采集完成后,MSP430F149单片机通过NB-IoT无线通信模块和运营商数据传输网络连接“阿里云”ECS云服务器,分类上传光谱仪模块的编号、工作参数、位置信息和采集的光谱数据;
步骤5,物联网云服务器内的数据解析软件接收各类上传信息,分类解析后存储于SQL数据库,并通过Web Service接口完成数据发布;
步骤6,用户使用账号和密码登录手机上的移动端模块的应用程序,选择特定编号和位置的光谱仪模块,查询并下载其特定时间的光谱数据,完成光谱数据的曲线图绘制。
Claims (7)
1.一种基于NB-IoT的近红外光谱仪无线数据采集***,包括光谱仪模块、主控模块、NB-IoT无线通信模块、运营商数据传输网络、物联网云服务器和移动端模块,其特征在于,
所述的光谱仪模块用于测试被研究样品的近红外光谱特性,获取光谱数据;
所述的主控模块用于控制光谱仪模块的工作状态,并将光谱仪模块的编号、工作参数、采集的光谱数据通过NB-IoT无线通信模块和运营商数据传输网络上传至物联网云服务器;
所述的物联网云服务器作为数据平台,用于上传数据的接收、解析、存储、处理和外部查询接口发布;
所述的移动端模块提供给用户使用,包括移动设备和应用程序,基于物联网云服务器发布的外部查询接口,提供光谱数据下载、光谱曲线绘制、光谱仪模块工作参数和定位查询功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的近红外光谱仪无线数据采集***,其特征在于,所述的光谱仪模块为900-1700nm波段的近红外微型化铟镓砷阵列光谱仪,能够对被研究样品进行透射或漫反射光谱测量。
3.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的近红外光谱仪无线数据采集***,其特征在于,所述的主控模块对光谱仪模块的工作状态控制包括暗电流采集、积分时间优化调整、漫反射白板数据测定、样品光谱采集和存储;获取光谱仪模块的工作参数包括波长范围、积分时间、光谱分辨率、光谱通道数和各光谱通道中心波长。
4.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的近红外光谱仪无线数据采集***,其特征在于,所述的NB-IoT无线通信模块利用内置GNSS功能进行卫星定位,并通过运营商NB-IoT数据传输网络与物联网云服务器建立TCP/IP协议连接或UDP协议连接,上传光谱仪模块的编号、工作参数、位置信息和近红外光谱数据到物联网云服务器的指定端口。
5.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的近红外光谱仪无线数据采集***,其特征在于,所述的物联网云服务器向NB-IoT无线通信模块提供TCP/IP协议连接和UDP协议连接,将上传的参数信息、位置信息和光谱数据分类解析后存储于数据库,并发布外部接口供移动端模块调用查询。
6.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的近红外光谱仪无线数据采集***,其特征在于,所述的移动端模块包含如下功能:
光谱仪模块参数和位置查询:获取某一编号光谱仪模块的工作参数,定位当前位置;
光谱数据的查询和下载:查询某一时间或时间段内的光谱数据,以帧为单位下载到移动端本地存储;
光谱曲线绘制:以波长或波数为横坐标,光谱反射率或吸光度为纵坐标,绘制光谱数据的曲线图并显示。
7.根据权利要求1所述的一种基于NB-IoT的近红外光谱仪无线数据采集***,其特征在于,所述***具体工作步骤为:
步骤1,光谱仪模块上电工作,在主控模块的控制下完成暗电流采集,并根据环境光强完成积分时间优化调整;
步骤2,主控模块读取光谱仪模块的编号和工作参数,利用NB-IoT无线通信模块完成卫星定位,获取位置信息;
步骤3,主控模块控制光谱仪模块进行漫反射白板和样品的光谱测量,获取光谱数据;
步骤4,光谱数据采集完成后,主控模块通过NB-IoT无线通信模块和运营商数据传输网络连接物联网云服务器,分类上传光谱仪模块的编号、工作参数、位置信息和采集的光谱数据;
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190125 |
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