一种基于微型光谱仪的光谱检测系统的制作方法

本实用新型涉及光谱检测领域，更具体地说，涉及一种基于微型光谱仪的光谱检测系统。

背景技术：

在光谱检测领域，传统的光谱仪体积较大，不方便携带，只能在固定的场所使用，且多用于工业生产和实验数据检测，不能满足人们日常生活中生活用品、食品等检测。例如，在现在生活中，食品安全问题越来越严重，农药残留超标、染色剂、防腐剂等食品问题非常普遍，人们在日常购买过程中很难用肉眼和经验分别。而由于光谱检测的特殊性，缺少能用于日常生活用品检测的便携式光谱仪。

传统的光谱仪只能检测小范围内的样品，也即只能检测一个点的光谱信息，这种检测方法不能检测物体一个面，这显然不适合在日常生活中使用。例如，人们在检测苹果的农药残留时，如果只能检测一个点，显然不能满足用户的需求，应该检测苹果的一个较大面积，还需要定位农药残留的具体位置。

另外，目前的光谱仪还需要提供特殊的光照才能采集到物体的光谱，不能在自然光下采集物体的光谱信息，这给日常生活中使用带来不便。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述现有光谱仪体积大不方便携带、检测面积小缺陷，提供一种基于微型光谱仪的光谱检测系统。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于微型光谱仪的光谱检测系统，包括：

用于采集并发送待测物的二维图像信息和二维光谱信息的微型光谱仪；

用于接收所述微型光谱仪发送的所述待测物的二维图像信息和二维光谱信息的检测服务器，所述检测服务器处理所述二维图像信息和二维光谱信息得到所述待测物的检测结果；

用于接收所述待测物的检测结果的移动终端，所述检测结果在所述移动终端上显示。

进一步，本实用新型所述的基于微型光谱仪的光谱检测系统，所述检测服务器包括光谱模型层和光谱算法层，其中，

所述光谱模型层包括：模型存储单元、模型查找单元、模型转移单元；

所述光谱算法层包括：顶层模块和底层模块，所述顶层模块包括参数传递单元和算法调用单元；所述底层模块包括预处理单元、定量分析单元、定性分析单元；

所述检测服务器还包括用于存储程序和光谱数据的存储器。

进一步，本实用新型所述的基于微型光谱仪的光谱检测系统，所述移动终端包括用于上传样品光谱数据单元、上传已有光谱模型、返回分析结果单元、以及人机交互的客户端。

进一步，本实用新型所述的基于微型光谱仪的光谱检测系统，所述微型光谱仪包括：

用于接收所述待测物的光信号、并从所述光信号中获取所述待测物的二维图像信息和二维光谱信息的二维光谱传感器；

与所述二维光谱传感器连接、用于接收并处理所述二维图像信息和二维光谱信息的微处理电路，所述微处理电路发送控制信号至所述二维光谱传感器；

与所述微处理电路连接的传输模块，所述传输模块用于传输所述待测物的二维图像信息和二维光谱信息，或用于传输处理所述待测物的二维图像信息和二维光谱信息得到的检测结果，以及用于接收外来数据。

进一步，本实用新型所述的便携式微型光谱仪，所述传输模块为无线传输模块或有线传输模块；

所述无线传输模块包括：WIFI、蓝牙、2G网络、3G网络、4G网络中的一种或多种；

所述有线传输模块为网口或串口。

进一步，本实用新型所述的基于微型光谱仪的光谱检测系统，还包括：

与所述微处理电路连接、用于存储所述二维光谱传感器采集的所述待测物的二维图像信息和二维光谱信息以及处理所述待测物的二维图像信息和二维光谱信息得到的检测结果的存储模块。

进一步，本实用新型所述的基于微型光谱仪的光谱检测系统，还包括：DDR3存储模块、EMMC存储模块、EEPROM存储模块、NOR Flash存储模块，其中，

所述DDR3存储模块用于提供缓存空间，所述缓存空间用于存储所述二维光谱传感器采集的所述待测物的二维图像信息和二维光谱信息；

所述EMMC存储模块用于在传输环境不理想时临时存储所述二维光谱传感器采集的所述待测物的二维图像信息和二维光谱信息、以及处理所述待测物的二维图像信息和二维光谱信息得到的检测结果；

所述EEPROM存储模块用于存储所述便携式微型光谱仪的软件、硬件版本信息；

所述NOR Flash存储模块用于储存所述便携式微型光谱仪的裸机程序或系统程序。

另，本实用新型还公开一种基于微型光谱仪的光谱检测方法，用于上述的基于微型光谱仪的光谱检测系统，所述方法包括：

微型光谱仪采集并发送待测物的二维图像信息和二维光谱信息；

检测服务器接收并处理所述二维图像信息和二维光谱信息，得到所述待测物的检测结果，并将所述检测结果发送至移动终端；

所述移动终端接收所述待测物的检测结果，所述检测结果在所述移动终端上显示。

进一步，本实用新型所述的基于微型光谱仪的光谱检测方法，所述微型光谱仪采集并发送待测物的二维图像信息和二维光谱信息，包括：

所述微型光谱仪通过无线或有线方式发送所述待测物的二维图像信息和二维光谱信息。

进一步，本实用新型所述的基于微型光谱仪的光谱检测方法，所述检测服务器接收并处理所述二维图像信息和二维光谱信息，包括：

所述检测服务器通过光谱模型层的预设光谱检测模型建立所述待测物的二维图像信息和二维光谱信息的处理模型；

所述检测服务器根据所述处理模型，利用光谱算法层进行数据预处理、定量分析、定性分析、参数传递、算法调用，得到所述待测物的检测结果。

实施本实用新型的一种基于微型光谱仪的光谱检测系统，具有以下有益效果：该系统包括：用于采集并发送待测物的二维图像信息和二维光谱信息的微型光谱仪；用于接收所述微型光谱仪发送的所述待测物的二维图像信息和二维光谱信息的检测服务器，所述检测服务器处理所述二维图像信息和二维光谱信息得到所述待测物的检测结果；用于接收所述待测物的检测结果的移动终端，所述检测结果在所述移动终端上显示。通过实施本实用新型，，可对物品进行大面积检测；并且本实用新型的光谱仪小型化，便于携带，人们可在日常生活中对生活用品、食品等进行常规光谱检测，得到检测结果，方便人们生活。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型一种基于微型光谱仪的光谱检测系统的结构示意图；

图2是本实用新型检测服务器的结构示意图；

图3是本实用新型微型光谱仪的结构示意图；

图4是本实用新型基于微型光谱仪的光谱检测方法流程示意图；

图5是本实用新型基于微型光谱仪的光谱检测方法流程示意图；

图6是本实用新型基于微型光谱仪的光谱检测方法流程示意图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

图1是本实用新型一种基于微型光谱仪的光谱检测系统的结构示意图。

具体的，该基于微型光谱仪的光谱检测系统包括：微型光谱仪、检测服务器、移动终端，微型光谱仪通过无线方式连接检测服务器，检测服务器通过无线方式连接移动终端。无线传输模块包括但不限于WIFI、蓝牙、2G网络、3G网络、4G网络等。

微型光谱仪用于采集并发送待测物的二维图像信息和二维光谱信息；具体采集过程在下文微型光谱仪部分做详细说明，在此不在赘述。

检测服务器用于接收微型光谱仪发送的待测物的二维图像信息和二维光谱信息，检测服务器处理二维图像信息和二维光谱信息得到待测物的检测结果；检测服务器具体结构参见下文对检测服务器的说明。

移动终端用于接收待测物的检测结果，检测结果在移动终端上显示。移动终端包括用于上传样品光谱数据单元、上传已有光谱模型、返回分析结果单元、以及人机交互的客户端。移动终端与微型光谱仪配合使用，将在工作方式部分做说明。优选地，移动终端包括但不限于：智能手机、平板电脑、笔记本电脑等。

图2是本实用新型检测服务器的结构示意图。

具体的，检测服务器包括光谱模型层和光谱算法层，其中，

光谱模型层包括：模型存储单元、模型查找单元、模型转移单元；

光谱算法层包括：顶层模块和底层模块，顶层模块包括参数传递单元和算法调用单元；底层模块包括预处理单元、定量分析单元、定性分析单元；

检测服务器还包括用于存储程序和光谱数据的存储器。存储器存储接收到的待测物的二维图像信息和二维光谱信息、以及处理待测物的二维图像信息和二维光谱信息得到的检测结果。可以理解，上述光谱模型层和光谱算法层也在存储器内。

检测服务器通过光谱模型层的预设光谱检测模型建立待测物的二维图像信息和二维光谱信息的处理模型；

检测服务器根据处理模型，利用光谱算法层进行数据预处理、定量分析、定性分析、参数传递、算法调用，得到待测物的检测结果。

图3是本实用新型微型光谱仪的结构示意图。

本实用新型一种便携式微型光谱仪，包括：微处理电路、二维光谱传感器、存储模块、显示模块、电源模块、补光模块、传输模块，其中，

二维光谱传感器用于接收待测物的光信号、并从光信号中获取待测物的二维图像信息和二维光谱信息，即采集待测物的图像信息。

二维光谱传感器包含多个CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)，每个CMOS都可采集待测物的二维图像信息和二维光谱信息，多个CMOS采用马赛克阵列排列在平面上。

优选地，不同的待测物具有不同的光谱特性，也就是光谱范围不同，不同物质在不同的波段会有明显的吸收峰，通过吸收峰的位置来判断物质的成分。实用新型的便携式微型光谱仪具有高光谱特性，可测试波长范围十分宽，所以被测样品可以多种多样(瓜果蔬菜、水、酒类等)，多个领域(医学、生物学、化学等)。微型光谱仪若在某个特定的领域使用，可以更换高光谱图像传感器到适合的波段，以便更加精准的检测。优选地，可以根据需要选择光谱仪的开窗大小。

例如，在一种实施例中，光谱仪能够采集的光谱范围为470nm-1000nm，即可见光到近红外光。二维光谱传感器包括16-25个波段，每个波段的光谱带宽小于15nm。二维光谱传感器还包括光电转换电路和模数转换电路，光电转换电路将采集的待测物的光信号转换为电信号，模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，将转换后的信号传输至微处理电路。

二维光谱传感器采集的高光谱特性的图像具有待测物的图像信息和光谱信息，不仅在信息丰富程度方面有了极大的提高，在处理技术上，对该类光谱数据进行更为合理、有效的分析处理提供了可能。其最大特点是将成像技术与光谱探测技术结合，在对目标的空间特征成像的同时，对每个空间像元经过色散形成几十个乃至几百个窄波段以进行连续的光谱覆盖。图像信息可以反映待测物的大小、形状、缺陷等外部品质特征，由于不同成分对光谱吸收也不同，在某个特定波长下图像对某个缺陷会有较显著的反映，而光谱信息能充分反映样品内部的物理结构、化学成分的差异。例如，检测食品的农药残留，通过检测，不仅可以通过查看光谱来分析待测物的表面农药残留信息，而且可以定位农药残留区域，提高用户的使用体验。

微处理电路与二维光谱传感器连接，用于接收并处理待测物的二维图像信息和二维光谱信息的。微处理电路发送控制信号至二维光谱传感器，控制二维光谱传感器采集待测物。

优选地，本实用新型的便携式微型光谱仪，微处理电路可选ZYNQ-7000系列芯片，可以理解微处理电路还包括与ZYNQ-7000系列芯片匹配的外围电路。该ZYNQ-7000系列芯片分为PL、PS部分，其中PL部分等同于FPGA，PS部分包括2个ARM9的核。该芯片处理能力十分强大，处理速度十分迅速。与往常的FPGA+ARM架构相比，FPGA驱动传感器并将数据传输至ARM，该芯片采用PL驱动并将数据传输至PS部分。因为该芯片将FPGA、ARM集成到一块芯片中并使用AXI总线连接，不仅节省了很多空间，使光谱仪小型化。而且极大的提升了PL与DDR、ARM间的数据传输速度，为高光谱图像传感器高速连拍提供了物理条件。

显示模块与微处理电路连接，用于显示待测物的属性信息、处理待测物的二维图像信息和二维光谱信息得到的检测结果、电量信息检测结果图谱、以及其他系统信息。本实用新型将检测结果进行数据化或图形化处理，以图表形式进行展示，简单明了，方便用户查看。优选地，显示模块包括LED显示屏以及对应的显示驱动电路。

存储模块与微处理电路连接，用于存储二维光谱传感器采集的待测物的二维图像信息和二维光谱信息、以及处理待测物的二维图像信息和二维光谱信息得到的检测结果、系统程序、软件程序、光谱仪的软件、硬件版本信息等。

具体的，存储模块包括：DDR3存储模块、EMMC存储模块、EEPROM存储模块、NOR Flash存储模块，其中，

DDR3存储模块用于提供缓存空间，缓存空间用于存储二维光谱传感器采集的待测物的二维图像信息和二维光谱信息。优选地，DDR3存储模块可使用DDR4存储模块，所选容量为1GB，可以理解，该DDR3存储模块的容量大小可根据需要进行调整。选择大容量的存储模块，可为光谱仪提供大量的缓存空间，因为高光谱图像每一帧的数据量是很大的，加上高速连拍，使得数据量极大，DDR3大的存储空间为整个系统功能的实现提供了可能。

EMMC存储模块用于在传输环境不理想时临时存储二维光谱传感器采集的待测物的二维图像信息和二维光谱信息、以及处理待测物的二维图像信息和二维光谱信息得到的检测结果；优选地，EMMC存储模块的容量为4GB，可以理解，该EMMC存储模块的容量大小可根据需要进行调整。

EEPROM存储模块用于存储便携式微型光谱仪的软件、硬件版本信息；

NOR Flash存储模块用于储存便携式微型光谱仪的裸机程序或系统程序。

电源模块用于为便携式微型光谱仪供电。电源模块由电池供电，电池可选用锂电池、化学电池等；或电源模块由USB接口供电，USB接口外接电源适配器。该电源模块为光谱仪的各个模块提供需要的电能，包括：5V转3V模块、5V转3.3V模块、5V转1.8V模块、5V转1V模块、5V转1.35V模块、3.3V转2.5V模块、3.3V转2V模块等。

优选地，存储模块还存储有常见有毒物质或重金属的光谱样本、常用检测物品、以及常规检测项，例如食品、水果、蔬菜、衣物、玩具、家具等，将这些检测物品的常用检测项目的样本存储在存储模块中，光谱仪在检测过程中将采集的待测物的光谱与样本光谱进行比对，判断待测物中是否含有有害物质、以及有害物质的含量。

优选地，本实用新型的便携式微型光谱仪，还包括：

传输模块与微处理电路连接，传输模块用于传输待测物的二维图像信息和二维光谱信息、或用于传输处理待测物的二维图像信息和二维光谱信息得到的检测结果、以及用于接收外来数据。优选地，光谱仪通过传输模块连接至外部处理终端，外部处理终端包括但不限于移动终端、PC机、云端等。二维光谱传感器获取待测物的二维图像信息和二维光谱信息后，微处理电路并不做处理，而是将将待测物的二维图像信息和二维光谱信息传输至移动终端、PC机、云端等，外部处理器安装有用于处理待测物的二维图像信息和二维光谱信息的程序以及计算模型。外部处理器根据预设程序处理待测物的二维图像信息和二维光谱信息得到的检测结果，光谱仪接收检测结果并显示。例如，智能手机上安装APP(应用程序)，或云端安装应用程序，智能手机或云端按照预设的计算模型处理待测物的二维图像信息和二维光谱信息得到的检测结果，将通过传输模块传输至光谱仪，在光谱仪上显示。

优选地，光谱仪在使用过程中需要预先与外部处理终端进行配对(注册)，配对完成后，光谱仪或外部处理终端记录配对信息。在需要检测物品时，开启的光谱仪自动搜索可连接的外部处理终端，并与已配对的外部处理终端进行连接。

例如，该微型光谱仪可与智能手机配合使用，微型光谱仪通过蓝牙或WIFI连接至智能手机，并将待测物的二维图像信息和二维光谱信息传输至智能手机，智能手机上安装有用于测试的APP(应用程序)，APP处理待测物的二维图像信息和二维光谱信息得到检测结果。通过蓝牙或WIFI将检测结果回传至微型光谱仪，并在微型光谱仪的显示模块上显示。

优选地，传输模块为无线传输模块或有线传输模块，其中，

无线传输模块包括但不限于WIFI、蓝牙、2G网络、3G网络、4G网络等；优选地，光谱仪还包括网络检测模块，网络检测模块检测周围网络环境，在有WIFI时，优先连接WIFI，节省用户流量。或网络检测模块检测周围网络环境，选择传输速率最大的网络，以尽快完成数据传输。

有线传输模块为网口或串口。例如，光谱仪通过网口或串口连接至PC机。

补光模块与微处理电路连接，用于为二维光谱传感器采集待测物的二维图像信息和二维光谱信息提供光线的，补光模块根据微处理电路发送的控制信号开关补光灯。光谱仪在光线条件不好的情况下可以选择打开补光模块，为待测物提供充足光照。有光源的情况下，该光谱仪使用范围更为广泛不论晴天雨天、室内室外都可以使用。优选地，补光模块选用LED灯进行补光。

优选地，光谱仪设置有用于控制补光模块开关的物理开关，以及用于开关光谱仪的物理开关。

优选地，光谱仪还包括亮度检测装置，亮度检测装置与微处理电路连接，用于通过亮度检测装置获取待测物的亮度，并判断待测物的亮度是否达到光谱仪的亮度要求。如果待测物的亮度没有达到光谱仪的亮度要求，亮度检测装置同时微处理电路开启补光模块，并根据需要控制补光量。

优选地，补光模块根据需要补光量确定补光强度和时间。

通过上述选择高性能的处理器以及存储设备，使光谱仪可达到较小的尺寸。优选地，光谱仪呈立方体结构，长的取值范围为7cm-11cm，宽的取值范围为4cm-8cm，高的取值范围为4cm-8cm，例如长*宽*高为：9cm*6cm*6cm。以上尺寸为本实用新型的优选设计，说明本申实用新型的光谱仪体积交较小，便于携带，并不对光谱仪的外形和尺寸做具体限制。

图4-6为不同工作方式流程图。

以上描述的基于微型光谱仪的光谱检测系统具有以下几种不同的工作方式，下面分别做具体工作流程介绍，用户可根据需要进行选择。

图4是本实用新型一种基于微型光谱仪的光谱检测方法流程示意图。

该方法用于基于微型光谱仪的光谱检测系统，方法包括以下步骤：

微型光谱仪采集并发送待测物的二维图像信息和二维光谱信息。优选地，微型光谱仪通过无线或有线方式发送待测物的二维图像信息和二维光谱信息。光谱仪通过无线方式发送数据至检测服务器，例如通过WIFI连接至检测服务器；另外，作为一种实施方式，可将该光谱仪通过网线或串口等有线方式连接至PC机，光谱仪采集的数据通过网线发送至PC机。

检测服务器(云端)接收并处理二维图像信息和二维光谱信息，得到待测物的检测结果，并将检测结果发送至移动终端。具体的，检测服务器通过光谱模型层的预设光谱检测模型建立待测物的二维图像信息和二维光谱信息的处理模型；

检测服务器根据处理模型，利用光谱算法层进行数据预处理、定量分析、定性分析、参数传递、算法调用，得到待测物的检测结果。

移动终端通过无线方式接收待测物的检测结果，检测结果在移动终端上显示。

优选地，在检测过程中，为减小误差，可采用多次采样的方式进行多次检测，得到平均值。

采用该工作方式，将成熟的网络技术以及人们日常用的移动终端结合起来，充分利用检测服务器(云端)的强大数据分析处理能力，检测服务器处理二维图像信息和二维光谱信息，得到检测结果。这就降低了对光谱仪数据处理能力的要求，光谱仪仅需采集数据，并做初步处理即可。从而降低光谱仪的硬件配置，同时减小体积、降低成本、降低功耗。另外，将检测结果发送至移动终端进行显示，例如智能手机，方便用户查看检测结果。

图5是本实用新型一种基于微型光谱仪的光谱检测方法流程示意图；

该工作模式的工作流程为：

使用开关开启光谱仪，光谱仪初始化系统；

将二维光谱传感器对准待测物，获取待测物的二维图像信息和二维光谱信息，并将二维图像信息和二维光谱信息传输至微处理电路；具体的，光谱仪利用红外光谱原理和拉曼光谱原理进行无损光谱采样；

可选的，当外部光线不好时，开启补光模块进行补光；根据需要调节补光灯的亮度和补光时间。

微处理电路将二维图像信息和二维光谱信息存储至存储模块，并进行处理，得到检测结果；

微处理电路将检测结果在显示模块上显示，完成检测。

在光谱仪工作过程中，电源模块为整个光谱仪供电。

优选地，在检测过程中，为减小误差，可采用多次采样的方式进行多次检测，得到平均值。

采用该工作方式，数据的采集和处理都有光谱仪完成，这就需要光谱仪的微处理电路具有较强的数据处理能力，能够处理二维图像信息和二维光谱信息，并得到检测结果。采用该实施方式的好处是不需要其他外部器件，单个光谱仪即可完成光谱检测。

图6是本实用新型基于微型光谱仪的光谱检测方法流程示意图。

该工作模式的工作流程为：

使用开关开启光谱仪，光谱仪初始化系统；

将二维光谱传感器对准待测物，获取待测物的二维图像信息和二维光谱信息，并将二维图像信息和二维光谱信息传输至微处理电路；具体的，光谱仪利用红外光谱原理和拉曼光谱原理进行无损光谱采样；

可选的，当外部光线不好时，开启补光模块进行补光；根据需要调节补光灯的亮度和补光时间。

通过传出模块将待测物的二维图像信息和二维光谱信息传输至外部处理终端，外部处理终端包括但不限于移动终端、PC机等。例如，光谱仪通过蓝牙连接至移动终端，如智能手机，并将二维图像信息和二维光谱信息传输至智能手机，智能手机上安装有用于处理数据的APP(应用软件)，APP内预设数据处理模型、预设算法、以及样本数据，APP根据预设数据处理模型和预设算法处理二维图像信息和二维光谱信息，并与样本数据进行比对，得到检测结果。优选地，移动终端包括用于上传样品光谱数据单元、上传已有光谱模型、返回分析结果单元、以及人机交互的客户端。

外部处理终端处理待测物的二维图像信息和二维光谱信息，得到检测结果；

通过传输模块接收检测结果，并在显示模块上显示；或直接在外部处理终端上显示检测结果；或在云端形成检测结果，将检测结果发送至移动终端，在移动终端上显示。

优选地，在检测过程中，为减小误差，可采用多次采样的方式进行多次检测，得到平均值。

以上工作方式的可根据用户需要进行选择，或根据数据量的大小进行选择。例如，如果数据量过大，在光谱仪上处理比较慢，此时应利用云端高性能计算机进行快速处理，返回检测结果。

通过实施本实用新型，可对物品进行大面积检测；并且本实用新型的光谱仪小型化，便于携带，人们可在日常生活中对生活用品、食品等进行常规光谱检测，得到检测结果，方便人们生活。

以上实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据此实施，并不能限制本实用新型的保护范围。凡跟本实用新型权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本实用新型权利要求的涵盖范围。