基于NB-IoT的近红外光谱仪无线数据采集系统的制作方法

本专利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系统。

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，数据采集系统多采用USB接口与控制主机通信，完成控制和数据传输功能。这种光谱数据采集系统体积较大，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系统已经问世。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。

技术实现要素：

本专利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系统，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。

本专利的技术方案如下：

一种基于NB-IoT的近红外光谱仪无线数据采集系统，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。

所述系统的具体工作步骤为：

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。

本专利的有益效果是：

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、传输系统，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系统的架构图。

具体实施方式

以下结合附图对本专利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系统，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无线通信模块组成系统，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系统实现，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。