基于物联网的原子吸收分光光度计控制系统设计

王志文，王庆辉

（沈阳化工大学，辽宁沈阳，110142）

1 物联网云平台仪器系统

1.1 系统总设计方案

系统整体分为云端服务器和在线分析仪器。其中云端服务器包括B/S架构模式设计的信息在线监测平台和可实现消息订阅机制的MQTT Broker云服务器，分析仪器包括控制系统、无线通信模块、元素灯模块、气控模块、石墨炉模块、光能检测模块等，其中控制系统为嵌入式系统。

系统具体实现的过程为：用户从客户端操作界面选择采集某重金属元素含量，云服务器后台收到前台采集指令进行逻辑运算生成采集数据帧，数据帧通过Paho MQTT Python Client模块传送到MQTT（TCP服务端），MQTT Broker通过网络透传的方式将数据帧传输给无线通信模块，无线通信模块通过串口通信将数据帧发送给原子吸收分光光度计。原子吸收分光光度计从数据帧中得到采集水中重金属含量指令，驱动自动进样器将待测样本注入石墨炉中，并通过气控模块控制可燃气体注入石墨炉中燃烧，样本在高温环境下原子化，同时从空心阴极灯发出特征光被基态原子蒸汽吸收，单色仪将特征光由复合光变为单色平行光，光电倍增管将光信号转换成采集数据，在线仪器将采集数据发送给云端服务器，用户在客户端得到重金属含量浓度。

1.2 控制系统硬件设计

本课题选择了LPC54114微处理器作为硬件系统的控制核心，异构双ARM核处理器能显著提升系统性能。硬件系统整体设计如图1所示。

图1 硬件系统设计

控制系统硬件电路按功能可分为五个模块：

元素灯箱模块包括D/A转换电路、元素灯和氘灯控制电路。实现灯的电流驱动和开关时序控制。

气控模块包括电磁阀控制电路、流量控制电路、气压监测电路。通过电磁阀，控制惰性保护气体的流量和气压保护检测。

石墨炉模块包括选择反馈电路、温度控制电路、冷却液测温电路。通过光电两种反馈方式完成石墨炉的快速精确升温控制及水冷系统的温度检测。

光能检测模块包括增益调节电路、光能采集电路、信号放大电路、AD采样电路。将通过光电倍增管获得的微弱能量电信号进行放大，并通过A/D采样电路将获得数据交给控制器进行滤波处理。

无线网络电路模块，完成基于公共4G移动网络的数据传输及远程控制。

1.3 系统软件设计

1.3.1 主控系统设计

主控程序流程主要包括配置初始化、查询远程控制指令、解析数据指令、查询工作状态、样品检测、工作急停和回传采集数据等。具体实现步骤如下：首先对配置好的定时器、时钟、函数进行初始化，然后进入程序主循环，查询是否有远程控制指令，若未收到远程控制指令，则循环查询是否收到远程控制指令，若收到远程控制指令则对控制指令进行解析，得到对应功能码并执行。最终将执行对应功能码得到的采集数据回传，并继续判断是否有远程控制指令，若收到工作急停功能码则程序终止。主控程序流程图如图2所示。

图2 主控程序流程图

1.3.2 通信系统软件设计

通信系统分为云服务器与通信模块通信，通信模块与M0+核通信，M0+核与M4核通信三部分。

云服务器与通信模块通过MQTT订阅协议接收对方发布消息，每台仪器通信模块有不同的Client-ID，云服务器根据Client-ID进行数据传输。

通信模块与M0+核通过串口进行数据通信。

M0+核与M4核通信通过邮箱进行数据交互，并使用环形缓冲区实现多任务处理机制。图3（a）为M0+核与通信模块和M4核通信流程，图3（b）为M4核与M0+核通信流程。通信流程如图3所示。

图3 通信流程图

2 测试及实验结果

选择铜空心阴极灯，测试电流为10mA，利用泰克示波器，分别对PGA281可编程运算放大器的输入端及A/D输入端进行测量。由测试结果可知，输出信号波形较好，信号平稳，噪声较低。放大器能量输出波形如图4（a）所示。

图4 能量波形图

元素灯每10ms点亮一次，当元素灯处于工作时序且元素灯点亮时，光能检测模块进行采样。图4（b）中蓝色的能量波形每10ms可以被采集一次，其波形稳定利于A/D的采集，符合仪器的检测标准[4]。

3 结论

本课题分析了原子吸收分光光度计的发展背景和趋势，通过将物联网技术、嵌入式技术、信号处理技术和采集技术结合，设计了基于物联网的原子分光光度计控制系统的硬件和软件，并完成了对仪器测试。从整体上来说，使传统分析仪器走向物联网分析仪器方向，并使用稳定性、资源分配和性价比较高的双核微控制器，使仪器精度和可靠性有了较大的提升，具有一定的实际应用意义。