一种基于高光谱微型光谱仪的光谱检测系统及方法

摘要

本发明涉及一种基于高光谱微型光谱仪的光谱检测系统及方法。包括：微型光谱仪、网页控制端、光谱处理云端，网页控制端接收微型光谱仪的采集参数，并传输至微型光谱仪；微型光谱仪根据采集参数进行参数设置，设置完成后采集待测物的光谱数据；光谱处理云端接收光谱数据，并按照预设算法处理光谱数据，得到光谱检测结果；网页控制端访问光谱处理云端，获取并显示光谱检测结果。通过实施本发明，将处理光谱数据的过程迁移到处理能力更强的云端，加快处理速度，同时大大减小光谱仪的体积和成本，并可通过网页控制微型光谱仪以及获取检测结果，提高用户体验。

说明书

技术领域

本发明涉及光谱检测领域，更具体地说，涉及一种基于高光谱微型光谱仪的光谱检测系统及方法。

背景技术

因光谱检测需要处理的信息量比较大，传统光谱仪一般将处理和控制设备放置在光谱仪内，导致光谱仪体积大；同时，每台光谱仪都配置强大的处理设备，导致成本过高，同时也造成资源的浪费。另外，现有的光谱检测结果只能存储在本地，不能在远端随时随地查看和分享。

在现代网络设备，网络传输已经非常稳定，且速度快，配合强大的云端处理器，可迅速完成大数据处理，并及时得到处理结果。如何将传统光谱仪的数据处理和控制部分利用云端来代替，实现资源共享，并可远程查看和分享，具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述传统光谱仪体积大、成本高、查看检测结果不方便的缺陷，提供一种基于高光谱微型光谱仪的光谱检测系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于高光谱微型光谱仪的光谱检测系统，包括：微型光谱仪、网页控制端、光谱处理云端，其中，

所述微型光谱仪包括：第一传输模块、第二传输模块、光谱预处理模块、高光谱图像传感器、控制模块、嵌入式WEB服务器、光谱数据存储模块、电源模块、光源模块；所述第一传输模块将经所述光谱预处理模块处理后的光谱数据发送至所述光谱处理云端；所述第二传输模块用于将所述微型光谱仪采集的光谱数据发送至所述网页控制端、以及接收所述网页控制端下发的采集参数和控制指令；所述嵌入式WEB服务器用于用户身份验证、以及将第二传输模块接收的采集参数和控制指令传输至所述控制模块，对所述微型光谱仪进行参数设置；所述高光谱图像传感器用于采集待测物的光谱数据，所述光源模块用于提供光照；所述光谱数据存储模块用于存储所述待测物的光谱数据；

所述网页控制端包括：光谱数据显示区、触发光谱采集模块、光谱参数设置模块、光谱通道选择模块、光谱检测结果显示区、光谱传输控制模块、显示界面设置模块；所述光谱数据显示区用于调焦预览、查看光谱数据和处理结果；所述触发光谱采集模块用于发送光谱数据采集指令，并将采集的光谱数据在所述光谱数据显示区显示；所述光谱参数设置模块用于接收所述微型光谱仪的采集参数；所述光谱通道选择模块用于以通道分割光谱数据，并在所述光谱数据显示区分别显示不同通道的光谱数据；所述光谱检测结果显示区用于显示所述光谱处理云端处理后的光谱检测结果；所述光谱传输控制模块用于将采集的光谱数据上传至所述光谱处理云端，并反馈提示信息；所述显示界面设置模块用于设置所述网页控制端的显示参数；

所述光谱处理云端包括：光谱模型数据库、光谱数据处理模块、云端接口模块、模型传输模块、光谱结果存储模块；所述光谱模型数据库预存光谱数据处理模型，所述模型传输模块将光谱数据处理模型传输至光谱数据处理模块，处理所述光谱数据，得到光谱检测结果，并将光谱检测结果存储到所述光谱结果存储模块；所述云端接口模块用于接收所述第一传输模块上传的所述光谱数据。

优选地，本发明所述的基于高光谱微型光谱仪的光谱检测系统，所述光谱数据处理模块包括：定性分析模块和定量分析模块，所述定性分析模块根据所述光谱数据处理模型对光谱数据进行定性分析；所述定量分析模块根据所述光谱数据处理模型对光谱数据进行定量分析。

优选地，本发明所述的基于高光谱微型光谱仪的光谱检测系统，所述第一传输模块和第二传输模块为：以太网传输模块、3G无线传输模块、4G无线传输模块、5G无线传输模块、WIFI传输模块中的至少一种。

优选地，本发明所述的基于高光谱微型光谱仪的光谱检测系统，所述采集参数包括：曝光量、光源强度、焦距、光圈、采集时间。

优选地，本发明所述的基于高光谱微型光谱仪的光谱检测系统，所述网页控制端还包括：用于接收用户身份信息的用户身份信息采集模块，并将接收的用户身份信息传输至所述嵌入式WEB服务器进行身份验证；

所述网页控制端为计算机、或平板电脑、或智能手机的浏览器。

另，本发明还构造一种基于高光谱微型光谱仪的光谱检测方法，应用于上述的基于高光谱微型光谱仪的光谱检测系统中，包括：

S1：网页控制端接收微型光谱仪的采集参数，并传输至所述微型光谱仪；

所述步骤S1包括：

S11：光谱参数设置模块接收用户输入的微型光谱仪的采集参数，并发送至所述微型光谱仪；

S12：所述微型光谱仪参数设置完成后，触发光谱采集模块发送光谱数据采集指令至所述微型光谱仪；

S2：所述微型光谱仪根据所述采集参数进行参数设置，设置完成后采集待测物的光谱数据；

所述步骤S2包括：

S21：第二传输模块接收所述采集参数，通过嵌入式WEB服务器传输至控制模块，所述控制模块根据所述采集参数对微型光谱仪进行参数设置；

S22：所述控制模块根据所述光谱数据采集指令驱动高光谱图像传感器采集待测物的光谱数据；

S23：所述光谱数据经过光谱预处理模块处理后，由第一传输模块发送至光谱处理云端；

S3：所述光谱处理云端接收所述光谱数据，并按照预设算法处理光谱数据，得到光谱检测结果；

所述步骤S3包括：

S31：根据所述光谱数据获取待测物的高光谱图像；同时获取待测物的测量值参考数值，所述测量值参考数值包括校正集和预测集；

S32：对所述高光谱图像进行校准，校准后提取预设图像区域；

S33：对选取的光谱数据进行降维处理，选取特征波长；

S34：结合所述校正集对所述特征波长进行预测模型校准，校准后依据所述预测集进行模型验证；

S35：模型验证通过后，进一步判断精度是否达标；

S36：若未达标，则执行所述步骤S34；若达标，则输出所述光谱检测结果；

S37：将所述光谱检测结果存储在预设存储位置；

S4：所述网页控制端访问所述光谱处理云端，获取并显示所述光谱检测结果；

所述步骤S4包括：

S41：所述网页控制端发送查看请求至所述光谱处理云端；

S42：所述光谱处理云端根据所述查看请求返回对应的光谱检测结果至所述网页控制端；

S43：在光谱检测结果显示区显示所述光谱检测结果。

优选地，本发明所述的基于高光谱微型光谱仪的光谱检测方法，所述步骤S1还包括：

S13：显示界面设置模块设置所述网页控制端的显示参数；

S14：光谱传输控制模块发送采集数据上传指令至所述微型光谱仪，指示所述微型光谱仪将采集的光谱数据上传至所述光谱处理云端。

优选地，本发明所述的基于高光谱微型光谱仪的光谱检测方法，所述步骤S1还包括：

S15：在启用所述网页控制端时，接收用户输入的账号和密码，并传输至所述嵌入式WEB服务器；

S16：所述嵌入式WEB服务器验证所述账号和密码是否为预设账号和密码，若是，则允许登陆所述网页控制端。

优选地，本发明所述的基于高光谱微型光谱仪的光谱检测方法，所述步骤S22还包括：所述控制模块控制光源模块的开关、亮度和发光时间；

所述步骤S2还包括：

S24：将采集的所述待测物的光谱数据存储在光谱数据存储模块。

优选地，本发明所述的基于高光谱微型光谱仪的光谱检测方法，所述步骤S22还包括：

S221：在光谱数据显示区预览所述高光谱图像传感器采集的待测物的光谱数据；

S222：光谱通道选择模块用于以通道分割所述光谱数据，在所述光谱数据显示区分别显示不同通道的光谱数据。

实施本发明的基于高光谱微型光谱仪的光谱检测系统及方法，具有以下有益效果：该系统包括：微型光谱仪、网页控制端、光谱处理云端，网页控制端接收微型光谱仪的采集参数，并传输至微型光谱仪；微型光谱仪根据采集参数进行参数设置，设置完成后采集待测物的光谱数据；光谱处理云端接收光谱数据，并按照预设算法处理光谱数据，得到光谱检测结果；网页控制端访问光谱处理云端，获取并显示光谱检测结果。通过实施本发明，将处理光谱数据的过程迁移到处理能力更强的云端，加快处理速度，同时大大减小光谱仪的体积和成本，并可通过网页控制微型光谱仪以及获取检测结果，提高用户体验。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一种基于高光谱微型光谱仪的光谱检测系统的结构示意图；

图2是本发明一种基于高光谱微型光谱仪的光谱检测方法的流程示意图；

图3是本发明步骤S1的具体流程示意图；

图4是本发明步骤S2的具体流程示意图；

图5是本发明步骤S3的具体流程示意图；

图6是本发明步骤S4的具体流程示意图；

图7和图8是微型光谱仪30向光谱处理云端10上传数据流程图。

具体实施方式

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

图1是本发明一种基于高光谱微型光谱仪的光谱检测系统的结构示意图。

具体的，该基于高光谱微型光谱仪的光谱检测系统包括：微型光谱仪30、网页控制端20、光谱处理云端10，其中，

微型光谱仪30包括：第一传输模块301、第二传输模块302、光谱预处理模块303、高光谱图像传感器304、控制模块305、嵌入式WEB服务器306、光谱数据存储模块307、电源模块308、光源模块309。其中，控制模块305分别连接并控制光谱预处理模块303、高光谱图像传感器304、嵌入式WEB服务器306、光谱数据存储模块307、电源模块308、以及光源模块309。该微型光谱仪提交小，可随身携带，可应用于蔬菜、水果的农药残留检测、衣物的成分检测等。

第一传输模块301将经光谱预处理模块303处理后的光谱数据发送至光谱处理云端10；第二传输模块302用于将微型光谱仪采集的光谱数据发送至网页控制端20、以及接收网页控制端20下发的采集参数和控制指令；嵌入式WEB服务器306用于用户身份验证、以及将第二传输模块302接收的采集参数和控制指令传输至控制模块305，对微型光谱仪进行参数设置；高光谱图像传感器304用于采集待测物的光谱数据，优选地，高光谱图像传感器304为二维图像传感器；光源模块309用于提供光照，控制模块可控制光源模块309的开关、光照强度、发光时间等，为高光谱图像传感器304获取待测物的光谱数据提供光照；优选地，光源模块309可为LED灯，且能发出预设波长光。光谱数据存储模块307用于存储待测物的光谱数据，因高光谱图像传感器304采集的光谱数据较大，光谱数据存储模块307应选择读写速度快、存储容量大的存储介质。

优选地，第一传输模块301和第二传输模块302包括但不限于：以太网传输模块、3G无线传输模块、4G无线传输模块、5G无线传输模块、WIFI传输模块、蓝牙传输模块等。例如，第一传输模块301和第二传输模块302都使用4G无线传输模块，微型光谱仪通过4G无线传输模块连接至光谱处理云端10和网页控制端20，进行数据交互。

网页控制端20包括：光谱数据显示区201、触发光谱采集模块202、光谱参数设置模块203、光谱通道选择模块204、光谱检测结果显示区205、光谱传输控制模块206、显示界面设置模块207。网页控制端20为计算机、或平板电脑、或智能手机的浏览器。通常，计算机和智能手机中都有浏览器，通过使用浏览器登陆即可实现对微型光谱仪的管理，不需要用户安装应用程序(APP)，节省用户手机资源。

光谱数据显示区201用于调焦预览、查看光谱数据和处理结果，在采集光谱数据过程中，将光谱数据视频信息在光谱数据显示区201，并可根据需求进行手动调节，获取最佳焦距；触发光谱采集模块202用于发送光谱数据采集指令，并将采集的光谱数据在光谱数据显示区201显示；光谱参数设置模块203用于接收微型光谱仪的采集参数，采集参数包括但不限于：曝光量、光源强度、焦距、光圈、采集时间等；光谱通道选择模块204用于以通道分割光谱数据，并在光谱数据显示区201分别显示不同通道的光谱数据；光谱检测结果显示区205用于显示光谱处理云端10处理后的光谱检测结果；光谱传输控制模块206用于将采集的光谱数据上传至光谱处理云端10，并反馈提示信息；显示界面设置模块207用于设置网页控制端20的显示参数。

优选地，本发明的基于高光谱微型光谱仪的光谱检测系统，网页控制端20还包括：用于接收用户身份信息的用户身份信息采集模块，并将接收的用户身份信息传输至嵌入式WEB服务器306进行身份验证。例如，利用HTML中FORM标签向高光谱微型光谱仪提交账户和密码信息，由嵌入式WEB服务器306进行解析，启动身份验证的CGI程序login.cgi。打开浏览器登录高光谱微型光谱仪系统登录界面，输入正确的账户号和密码，进入系统操作界面。

光谱处理云端10包括：光谱模型数据库101、光谱数据处理模块102、云端接口模块103、模型传输模块104、光谱结果存储模块105；光谱模型数据库101预存光谱数据处理模型，模型传输模块104将光谱数据处理模型传输至光谱数据处理模块102，处理光谱数据，得到光谱检测结果，并将光谱检测结果存储到光谱结果存储模块105；云端接口模块103用于接收第一传输模块301上传的光谱数据。

优选地，光谱数据处理模块102包括：定性分析模块1021和定量分析模块1022，定性分析模块1021根据光谱数据处理模型对光谱数据进行定性分析；定量分析模块1022根据光谱数据处理模型对光谱数据进行定量分析。

光谱处理云端10作为云端，可连接多个微型光谱仪，从而实现资源共享，提高资源利用效率，同时也减小了光谱仪的体积和成本；并且光谱数据和光谱检测结果都存储在云端，可随时随地查看和分享，提高用于体验。光谱处理云端10的实现方式有多种，可自行搭建云平台，也可租借第三方服务供应商的云平台。

图2是本发明一种基于高光谱微型光谱仪的光谱检测方法的流程示意图。

具体的，基于高光谱微型光谱仪的光谱检测方法包括：

S1：网页控制端20接收微型光谱仪的采集参数，并传输至微型光谱仪。

具体的，参考图3，图3是本发明步骤S1的具体流程示意图，步骤S1包括：

S11：光谱参数设置模块203接收用户输入的微型光谱仪的采集参数，并发送至微型光谱仪；

S12：微型光谱仪参数设置完成后，触发光谱采集模块202发送光谱数据采集指令至微型光谱仪；

S13：显示界面设置模块207设置网页控制端20的显示参数；

S14：光谱传输控制模块206发送采集数据上传指令至微型光谱仪，指示微型光谱仪将采集的光谱数据上传至光谱处理云端10。

S15：在启用网页控制端20时，接收用户输入的账号和密码，并传输至嵌入式WEB服务器306；

S16：嵌入式WEB服务器306验证账号和密码是否为预设账号和密码，若是，则允许登陆网页控制端20。

S2：微型光谱仪根据采集参数进行参数设置，设置完成后采集待测物的光谱数据。

具体的，参考图4，图4是本发明步骤S2的具体流程示意图，步骤S2包括：

S21：第二传输模块302接收采集参数，通过嵌入式WEB服务器306传输至控制模块305，控制模块305根据采集参数对微型光谱仪进行参数设置；

S22：控制模块305根据光谱数据采集指令驱动高光谱图像传感器304采集待测物的光谱数据；

S23：光谱数据经过光谱预处理模块303处理后，由第一传输模块301发送至光谱处理云端10。微型光谱仪30和光谱处理云端10之间通信方式采集SOCKET套接字的通信方式，是对TCP/IP协议的封装和应用，光谱处理云端10服务器开启Server程序，微型光谱仪向光谱处理云端10提交光谱数据，云端获取光谱数据和存储。

参考图7和图8，图7和图8是微型光谱仪30向光谱处理云端10上传数据流程图。

流程如图7所示，是微型光谱仪30发送光谱数据的流程图，包括：

CGI初始化；CGI(Common Gateway Interface)即通用网关接口是外部应用程序与WEB服务器之间的桥梁，允许WEB服务器调用执行外部应用程序，并且将处理结果以HTTP协议报文格式返回WEB服务器，最后显示给用户，使得一组静态超媒体文档变成一个完整的交互式媒体。

连接光谱处理云端10；

判断是否连接成功；

若连接成功，则获取光谱数据；若连接失败，则提示连接失败，并重新连接；

分段发送光谱数据；

等待光谱处理云端10反馈；

判断是否发送成功；

若发送成功，则断开连接，并释放资源；

若发送失败，则提示发送失败，并重新发送。

如图8所示，是光谱处理云端10接收光谱数据的流程图，包括：

系统资源初始化；

开启应用服务；

监听端口号；

判断是否连接成功；

若成功，则新建线程处理请求；若失败，则反馈连接失败信号；

保存光谱数据；

判断是否保存成功；

若成功，则反馈上传成功信号；若失败，则反馈保存失败信号；

断开该请求，并监听端口号。

S24：将采集的待测物的光谱数据存储在光谱数据存储模块307。

优选地，本发明的基于高光谱微型光谱仪的光谱检测方法，步骤S22还包括：

S221：在光谱数据显示区201预览高光谱图像传感器304采集的待测物的光谱数据；

S222：光谱通道选择模块204用于以通道分割光谱数据，在光谱数据显示区201分别显示不同通道的光谱数据。

S3：光谱处理云端10接收光谱数据，并按照预设算法处理光谱数据，得到光谱检测结果。

具体的，参考图5，图5是本发明步骤S3的具体流程示意图，步骤S3包括：

S31：根据光谱数据获取待测物的高光谱图像；同时获取待测物的测量值参考数值，测量值参考数值包括校正集和预测集；

S32：对高光谱图像进行校准，校准后提取预设图像区域；

S33：对选取的光谱数据进行降维处理，选取特征波长；

S34：结合校正集对特征波长进行预测模型校准，校准后依据预测集进行模型验证；

S35：模型验证通过后，进一步判断精度是否达标；

S36：若未达标，则执行步骤S34；若达标，则输出光谱检测结果；

S37：将光谱检测结果存储在预设存储位置；

S4：网页控制端20访问光谱处理云端10，获取并显示光谱检测结果。

具体的，参考图6，图6是本发明步骤S4的具体流程示意图，步骤S4包括：

S41：网页控制端20发送查看请求至光谱处理云端10；

S42：光谱处理云端10根据查看请求返回对应的光谱检测结果至网页控制端20；

S43：在光谱检测结果显示区205显示光谱检测结果。

优选地，本发明的基于高光谱微型光谱仪的光谱检测方法，步骤S22还包括：控制模块305控制光源模块309的开关、亮度和发光时间；

通过实施本发明，将处理光谱数据的过程迁移到处理能力更强的云端，加快处理速度，同时大大减小光谱仪的体积和成本，并可通过网页控制微型光谱仪以及获取检测结果，提高用户体验。

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