《電子技術(shù)應(yīng)用》
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智能旋光檢測及遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
張子豪1，楊 虹2，陳 丹2
1.北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京100101；2.北京信息科技大學(xué) 理學(xué)院，北京100101
摘要： 依據(jù)物理光學(xué)方法原理，設(shè)計了一款智能旋光檢測及遠程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用單片機控制檢偏振片運動，用光敏傳感器件探測光強，可以準(zhǔn)確檢測出不同物質(zhì)的旋光特性。針對目前市場常見的蜂蜜摻假情況，應(yīng)用本系統(tǒng)進行了實際檢測，檢測結(jié)果可以判斷蜂蜜是否摻假及摻假類型。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一套基于Android和PHP的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對樣本檢測數(shù)據(jù)進行遠程管理和實時監(jiān)控。
中圖分類號： TP216
文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.173158
中文引用格式： 張子豪，楊虹，陳丹. 智能旋光檢測及遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(2)：55-58.
英文引用格式： Zhang Zihao，Yang Hong，Chen Dan. Design and application of intelligent optical rotation detection and remote monitoring system[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(2)：55-58.

Design and application of intelligent optical rotation detection and remote monitoring system
Zhang Zihao1，Yang Hong2，Chen Dan2
1.School of Information and Communication Engineering，Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100101，China； 2.School of Applied Science，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101，China
Abstract： An intelligent optical detection and remote monitoring system is designed based on the principle of physical optics. The system uses a microcontroller unit to control the polarizer movement, and uses the photosensitive sensor to detect the light intensity. It can detect the optical characteristics of different substances accurately. Furthermore the system is used for the actual detection on common situation of honey adulteration, the results can tell whether the honey is adulterated and determine the type of adulteration. Meanwhile it designs a remote monitoring system which is based on Android and PHP in order to support an effective remote supervision on the quality of samples.
Key words : optical rotation；photosensitive sensor；MCU(Microcontroller Unit) control；intelligent detection；remote monitoring

0 引言

    許多物質(zhì)具有旋光特性，對物質(zhì)的旋光特性進行準(zhǔn)確地測量可以幫助分析該物質(zhì)的組成成分。蜂蜜是一類具有旋光特性的物質(zhì)，也是人們常用的營養(yǎng)保健品，但市場上蜂蜜摻假情況很多。如能對蜂蜜摻假進行檢測，則可以對大眾生活增加品質(zhì)保障。

    為此，本文設(shè)計了一套智能旋光檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)由光源、起偏/檢偏、光敏傳感器、步進電機、藍牙、液晶顯示屏、遠程監(jiān)控等部分組成，可以實現(xiàn)對不同物質(zhì)旋光特性的測量及測量數(shù)據(jù)的遠程管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計

    檢測監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由光學(xué)部分、控制電路部分以及遠程監(jiān)控等模塊組成。光學(xué)部分包括激光光源、光敏傳感器、起偏器和檢偏器。光源產(chǎn)生一束單色光，先經(jīng)由起偏器變?yōu)榫€偏振光，再經(jīng)樣品管出射，并透過檢偏器，最后到達光敏傳感器?？刂齐娐凡糠植捎肧TM32單片機作為控制核心，外圍有光敏A/D采樣電路、ULN2003步進電機驅(qū)動電路、藍牙串口電路和LCD顯示屏控制電路。單片機控制步進電機帶動檢偏器旋轉(zhuǎn)，光敏電阻接收的光強不同，其輸出電壓發(fā)生變化，根據(jù)馬呂斯定律，可以計算得出待測樣品的旋光度，并在LCD顯示屏上顯示測量數(shù)據(jù)。單片機通過藍牙將測量結(jié)果發(fā)送到手機，并用手機上的APP將測量數(shù)據(jù)上傳到Web服務(wù)器，這樣即可在任意地點管理測量的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)檢測和遠程監(jiān)控。

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2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊

2.1 主控制器

    為了使測量準(zhǔn)確，同時降低成本，本系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機作為主控制器，該芯片最高工作頻率可達到72 MHz，具有512 KB的閃存以及64 KB的SRAM，豐富的片上資源大大簡化了系統(tǒng)硬件，同時大大降低了系統(tǒng)功耗[1]，所有外設(shè)處于工作狀態(tài)時，系統(tǒng)消耗18 mA，待機時僅有2 μA[2]。該單片機集成了12位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器[3]，轉(zhuǎn)換時間最小可達1 μs，轉(zhuǎn)換速度非?？?。本系統(tǒng)配置ADC1工作在連續(xù)工作模式，采樣次數(shù)取100。即步進電機每走一步，ADC采樣100次進行平滑處理獲得該處采樣值，這增強了光強數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，提高了本系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性。同時該單片機擁有5 路USART(通用同步異步收發(fā)機)接口[4]，可以很方便地和外設(shè)進行數(shù)據(jù)傳送。在本系統(tǒng)中將USART1和USART2均配置為UART（通用異步收發(fā)）模式，波特率為9 600 b/s，可以方便可靠地與顯示屏和藍牙模塊進行通信。 

2.2 光敏傳感器及光源

    采用光敏電阻作為光敏傳感器。光強采樣電路如圖2所示。圖中R為光敏電阻，R1為分壓用電阻，阻值為1 kΩ。將R與R1的中點接入單片機的ADC引腳進行測量。當(dāng)光敏電阻受到的光照強度不同時，其阻值不同，使得電阻R1上的壓降改變，這樣就可以通過單片機的ADC讀取到此時光強的變化。為使得在測試中光強最大時光敏電阻阻值仍可以線性變化，本系統(tǒng)選用的是環(huán)氧樹脂封裝硫化鎘(CdS)制成的可見光光敏電阻GL12528，直徑為12 mm，亮電阻約為560 kΩ，暗電阻約為2 MΩ。

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    為保證光在低透光率物質(zhì)中的穿透性，同時又保證光源長期工作時的穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用激光器作為系統(tǒng)光源。激光器直徑為12 mm，在外加電壓3 V時，功率約為5 mW。使用時需要保證激光器水平以及各光學(xué)元件共軸。

2.3 檢偏器-步進電機組合模塊

    起偏器與檢偏器均選用φ20 mm的石英材質(zhì)圓形偏振片，以保證偏振效果。將檢偏器嵌入到一齒輪正中央，與起偏器共軸。設(shè)計制作時要確保檢偏器與所嵌套的齒輪共面，使檢偏器旋轉(zhuǎn)時始終與光路垂直，以保證測量精度。

    為了能準(zhǔn)確地控制檢偏器旋轉(zhuǎn)的角度，本系統(tǒng)選用28BYJ型步進電機來帶動檢偏器旋轉(zhuǎn)。步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度[5]。28BYJ型步進電機其是四相八拍電機[6]，最小步進角度為0.087 9°，驅(qū)動電壓為12 V。由于單片機引腳輸出電流小，不足以驅(qū)動電動機，因此本文通過ULN2003A驅(qū)動芯片來驅(qū)動步進電機[7]。需要注意的是，當(dāng)使電機停止旋轉(zhuǎn)時，應(yīng)拉低驅(qū)動端的4個引腳，而不是保持。

2.4 顯示屏

    本系統(tǒng)采用USART HMI串口觸摸顯示屏進行數(shù)據(jù)輸出以及觸摸輸入，這樣既保證了數(shù)據(jù)顯示的直觀性，又提供了方便的操控性。該顯示屏通過串口收到單片機的指令后進行顯示，同時可以把觸摸操作發(fā)送至單片機，以便單片機進行處理。

2.5 遠程監(jiān)控模塊

    遠程監(jiān)控模塊主要包含兩個部分：Web管理系統(tǒng) 和Android客戶端。

2.5.1 Web管理系統(tǒng)

    Web管理系統(tǒng)使用PHP語言開發(fā)，圖3為系統(tǒng)架構(gòu)，圖4為系統(tǒng)界面。

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    Web管理系統(tǒng)由首頁、在線設(shè)備管理和數(shù)據(jù)管理三大部分組成。各部分的主要功能如下。

    (1)首頁展示了部分檢測設(shè)備的實時檢測數(shù)據(jù)，以供大眾進行查看、監(jiān)督。同時首頁提供了管理人員登錄通道，登錄到管理系統(tǒng)后可以對設(shè)備進行更高級的操作。

    (2)在線設(shè)備頁面顯示了當(dāng)前在線設(shè)備的列表，支持遠程對設(shè)備進行測量操作，以及遠程對設(shè)備的檢測參數(shù)進行配置。

    (3)數(shù)據(jù)管理頁面可供查看所有檢測的數(shù)據(jù)。支持按設(shè)備查看、按樣品查看和按地點查看的方式，方便管理人員對數(shù)據(jù)進行批量查看和操作。同時支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel工作表以便對數(shù)據(jù)進行進一步分析。

2.5.2 Android程序

    Android程序界面如圖5所示。使用Java語言開發(fā)，支持Android 4.0以上版本的手機，支持通過藍牙連接到檢測儀，連接成功后可以獲取檢測儀的狀態(tài)信息以及檢測結(jié)果數(shù)據(jù)，并支持通過按鈕控制單片機進行檢測，以及通過JSON上傳檢測數(shù)據(jù)到云端數(shù)據(jù)庫、從云端數(shù)據(jù)庫下載檢測數(shù)據(jù)到手機。

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3 系統(tǒng)工作流程

    本旋光檢測系統(tǒng)的工作流程如圖6所示。

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    開機后，第一步，系統(tǒng)對各模塊進行初始化。先在樣品管中放入清水，對儀器進行調(diào)零。此時單片機控制步進電機帶動檢偏器不斷左旋，旋轉(zhuǎn)至光強最小處，表示此時起偏器與檢偏器處于垂直狀態(tài)，調(diào)零完成。第二步，在樣品管中放入待測物質(zhì)溶液，然后可以按照觸摸屏上的提示，設(shè)置當(dāng)前樣品編號并選擇開始測量。此時步進電機帶動檢偏器進行左旋掃描，如果單片機發(fā)現(xiàn)測得的光強逐漸減小，則當(dāng)前旋轉(zhuǎn)的方向就是物質(zhì)的旋光方向；如果發(fā)現(xiàn)光強逐漸增加，則當(dāng)前旋轉(zhuǎn)的方向不是物質(zhì)的旋光方向，再控制步進電機進行右旋掃描。掃描至光強最小處，記錄此時旋轉(zhuǎn)過的角度即為旋光度。第三步，測量完成后，顯示屏顯示旋光度，然后可以按照屏幕指示通過藍牙將旋光度等數(shù)據(jù)發(fā)至手機。在手機上執(zhí)行數(shù)據(jù)上傳操作，此時數(shù)據(jù)將會通過Web寫入到云端的數(shù)據(jù)庫中，通過計算機等瀏覽器訪問Web網(wǎng)站可以查看到測量結(jié)果。

4 系統(tǒng)測試

4.1 馬呂斯定律驗證

    馬呂斯定律是定量描述光偏振現(xiàn)象的重要定律。當(dāng)一束自然光通過偏振片A和B，設(shè)偏振片間的透振方向夾角為θ，經(jīng)過起偏器A形成的線偏振光強度為I0，則通過檢偏器B的透射光強(相對光強)I將滿足如下關(guān)系(馬呂斯定律)[8]：

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    在樣品管中放入清水，然后點擊屏幕進入測試模式，此時步進電機會帶動檢偏器旋轉(zhuǎn)360°，同時保存旋轉(zhuǎn)過程中的角度和對應(yīng)的光強值，并繪制出夾角θ在0～180°時與光強的關(guān)系曲線，如圖7所示。

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    由圖7曲線可知測量結(jié)果與理論相符，說明系統(tǒng)測量可靠。

4.2 蜂蜜摻假檢測

    經(jīng)深入調(diào)研，市面上蜂蜜摻假較常用的手段有摻入果葡糖漿[9]、摻入蔗糖或果糖，或者使用糖類與明礬混合后經(jīng)過加熱勾兌成假蜂蜜等幾種方式。這些摻入的物質(zhì)和蜂蜜的旋光特性是存在差異的。本文利用設(shè)計的智能檢測系統(tǒng)對蜂蜜及摻假蜂蜜樣品進行了實際檢測。

    圖8是蜂蜜及蜂蜜摻入蔗糖、果糖的檢測結(jié)果。從圖8中可以看出，原蜜的旋光特性與摻入蔗糖、果糖的旋光特性存在明顯差異，其左旋、右旋性質(zhì)及旋光度大小都不相同。由此可以對蜂蜜是否摻假及摻假類型進行有效判定。對于蜂蜜摻入果葡糖漿的情形，也應(yīng)用本系統(tǒng)進行了實際檢測，可以進行有效判定。

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5 結(jié)論

    本文基于物理光學(xué)原理，設(shè)計研制了一款利用單片機進行智能控制的旋光檢測及遠程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)包括光源、起偏/檢偏元件、光敏傳感器、步進電機、LCD觸摸顯示模塊、不同規(guī)格的樣品測試管等控制測量元件，實現(xiàn)了對不同物質(zhì)旋光特性的準(zhǔn)確測量?；贏ndroid和PHP的遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對樣品檢測數(shù)據(jù)的遠程管理和監(jiān)控，數(shù)據(jù)查詢速度快，管理方便。

    將設(shè)計研制的系統(tǒng)用于蜂蜜檢測，針對市場上常見的蜂蜜摻假類型，如在原蜜中摻入蔗糖、果糖、果葡糖漿以及明礬勾兌等，實際檢測結(jié)果表明系統(tǒng)可以有效檢測 蜂蜜是否摻假并判定摻假類型。

    與傳統(tǒng)手動旋光儀相比，本智能旋光檢測系統(tǒng)克服了采用半波片產(chǎn)生三分視界方法存在的人為經(jīng)驗誤差大、測試時間長的弊端[10]。與傳統(tǒng)的蜂蜜檢測采用的高效液相色譜示差折光法、碳穩(wěn)定同位素分析法、核磁共振法等[11-14]相比，本智能旋光檢測系統(tǒng)操作便捷，結(jié)果可靠。此外，遠程監(jiān)控管理功能可為食品安全部門對蜂蜜質(zhì)量的監(jiān)測提供有效幫助。

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