本发明涉及物联网应用技术和长波近红外光谱信息获取，通过利用线性渐变滤光片替代光栅作为分光元件简化光学系统，设计微型化电子学系统，在物联网节点内实现0.9-1.7μm波段光谱数据的无线采集，是长波近红外光谱分析技术在物联网领域应用的技术基础。
背景技术：
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。物联网早期的红外应用是采用红外光电二极管的红外通信，不属于光谱分析领域，如专利cn102214391a中提及的红外线光谱分析学习模块。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。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，如专利cn103731440a中的农作物生长状态与病虫草信息实时监测节点，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，无法探测到含有更丰富特征信息的长波近红外波段。铟镓砷探测器在常温下的响应波长可达1.7μm，通过调节铟的组分可以将截止波长扩展到2.5μm，被广泛应用于长波近红外光谱分析设备。现有的铟镓砷长波近红外光谱设备，不同程度的受到光学系统体积、光纤探头、数据线和电源线限制，如专利cn103731440a中的农作物生长营养与生理生态信息实时监测节点，测量也必须要借助近红外光线漫反射探头，给物联网应用增加了不便。这种设备体积较大，价格昂贵，虽然一直有向微型化发展的趋势，但是直接作为物联网节点应用，仍存在移动性差、成本高等诸多问题，迫切需要一种具有微型化特征的长波近红外物联网节点，来促进近红外光谱分析技术在物联网领域的推广应用。
技术实现要素：
本发明的目的是设计微型化特点的长波近红外物联网节点，将长波近红外光谱分析应用于物联网领域。通过将线性渐变滤光片与铟镓砷焦平面的光敏芯片相耦合，作为分光元件替代光栅结构，简化光学系统体积，配合光谱数据采集电路、无线通信模块和锂电池，在物联网节点内实现长波近红外光谱数据的无线采集。
本发明的技术方案如下：基于线性渐变滤光片的微型长波近红外物联网节点包括线性渐变滤光片1、线列铟镓砷焦平面探测器2、探测器驱动电路3、光谱数据采集电路4、无线通信模块5和锂电池6，可以无线采集0.9-1.7μm长波近红外波段的光谱数据且具有微型化特点；通过将0.9-1.7μm波段的线性渐变滤光片1与线列铟镓砷焦平面探测器2的光敏芯片耦合，封装在线列铟镓砷焦平面探测器2的真空管壳内部，利用线性渐变滤光片1替代传统长波近红外波段光谱仪的光栅分光结构，省去入射光纤，简化光学系统；线列铟镓砷焦平面探测器2在探测器驱动电路3的驱动下完成0.9-1.7μm长波近红外波段的光电转换，借助光谱数据采集电路4和无线通信模块5在节点内部完成长波近红外光谱数据的无线采集；物联网节点采用锂电池6供电。
本发明中的线列铟镓砷焦平面探测器2工作于非制冷模式，响应波长范围0.9-1.7μm，光敏芯片尺寸与线性渐变滤光片1相匹配；探测器驱动电路3基于fpga芯片设计实现，用来产生线列铟镓砷焦平面探测器2所需的多路驱动脉冲以及系统的多路控制信号；无线通信模块5分为收发一对，可以利用单片机控制通用无线射频芯片进行实现，接收端通过串口将光谱数据送入电脑上位机，利用预建立的长波近红外光谱分析模型和算法进行数据分析和谱线绘制。
相比与现有的近红外物联网节点，本发明的最大优点在于：
①线列铟镓砷焦平面探测器可以获取0.9-1.7μm的长波近红外光谱数据，相比cmos近红外传感器的短波近红外区域，含有更丰富的特征信息，有更高的研究和应用价值。
②将线性渐变滤光片与线列铟镓砷焦平面探测器的光敏芯片耦合，作为分光部件替代光栅，省去入射光纤，简化光学系统结构，实现长波近红外物联网节点的微型化；
③采用无线通信模块完成光谱数据传输，节点采用锂电池供电，避免数据线和电源线带来的使用不便。
附图说明
图1为一种基于线性渐变滤光片的微型长波近红外物联网节点的结构图。
其中：
1——线性渐变滤光片；
2——线列铟镓砷焦平面探测器；
3——探测器驱动电路；
4——光谱数据采集电路；
5——无线通信模块；
6——锂电池。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施作进一步的描述。
如图1所示，基于线性渐变滤光片的微型长波近红外物联网节点包括线性渐变滤光片1、线列铟镓砷焦平面探测器2、探测器驱动电路3、光谱数据采集电路4、无线通信模块5和锂电池6。其中，线列铟镓砷焦平面探测器2选用256元线列铟镓砷焦平面组件，其像元尺寸50μm×500μm，像元中心距50μm，光谱响应范围0.9-1.7μm；将0.9-1.7μm波长规格的线性渐变滤光片1作为分光元件耦合在探测器的光敏芯片表面，封装在线列铟镓砷焦平面探测器2的真空管壳内部，线性渐变滤光片1分辨率约12nm，可满足多数长波近红外光谱分析应用；探测器驱动电路3采用xilinx公司的spartan-6系列fpga实现，用来产生线列铟镓砷焦平面探测器2所需的多路驱动脉冲以及系统的控制信号，其具体芯片型号为xc6slx9-tqg144，fpga的配置芯片为一款平台flashprom，型号为xcf04s，配置方式为主动串行配置；光谱数据采集电路4包括低噪声双路运算放大器opa2140、14位双通道模数转换器ads7946和外围滤波电路，用来进行光谱数据的放大、滤波和模数转换；无线通信模块5分为收发两套，利用msp430f149型低功耗单片机通过spi接口控制nordic公司的nrf905芯片实现，工作频段为433mhz，接收端通过串口将光谱数据送入电脑上位机，利用预建立的长波近红外光谱分析模型和算法进行数据分析和谱线绘制；节点采用锂电池6供电，利用adp151型ldo转换产生3.3v工作电压，利用tps74012芯片为spartan-6系列fpga芯片产生专用的1.2v内核电压；为了实现节点的微型化，将探测器驱动电路3、光谱数据采集电路4和无线通信模块5分为三块印制电路板设计，电路板之间使用0.5mm间距的板对板连接器完成信号互联。
下面对本发明的工作流程进行详细说明。
(1)物联网节点上电，首先进行fpga的自动配置，输出线列铟镓砷焦平面探测器的多路驱动脉冲及多路控制信号；
(2)入射光经线性渐变滤光片分光后投射在线列铟镓砷焦平面探测器的像元阵列，完成光电转换后由焦平面探测器的读出电路读出；
(3)光谱数据采集电路在fpga的控制下完成光谱数据的放大、滤波和模数转换；
(4)一帧光谱数据转换完成后，启动msp430f149型单片机的发送程序，光谱数据经由nrf905芯片完成发送；
(5)光谱数据在接收端通过单片机的串口送入电脑上位机，完成数据解析和存储，利用预建立的长波近红外光谱分析模型和算法进行数据分析和谱线绘制。