关于智能旋光检测及远程监控系统设计及应用

0 引言

许多物质具有旋光特性，对物质的旋光特性进行准确地测量可以帮助分析该物质的组成成分。蜂蜜是一类具有旋光特性的物质，也是人们常用的营养保健品，但市场上蜂蜜掺假情况很多。如能对蜂蜜掺假进行检测，则可以对大众生活增加品质保障。

为此，本文设计了一套智能旋光检测系统。系统由光源、起偏/检偏、光敏传感器、步进电机、蓝牙、液晶显示屏、远程监控等部分组成，可以实现对不同物质旋光特性的测量及测量数据的远程管理。

1 系统设计

检测监控系统结构如图1所示。系统由光学部分、控制电路部分以及远程监控等模块组成。光学部分包括激光光源、光敏传感器、起偏器和检偏器。光源产生一束单色光，先经由起偏器变为线偏振光，再经样品管出射，并透过检偏器，最后到达光敏传感器。控制电路部分采用STM32单片机作为控制核心，外围有光敏A/D采样电路、ULN2003步进电机驱动电路、蓝牙串口电路和LCD显示屏控制电路。单片机控制步进电机带动检偏器旋转，光敏电阻接收的光强不同，其输出电压发生变化，根据马吕斯定律，可以计算得出待测样品的旋光度，并在LCD显示屏上显示测量数据。单片机通过蓝牙将测量结果发送到手机，并用手机上的APP将测量数据上传到Web服务器，这样即可在任意地点管理测量的数据，实现检测和远程监控。

2 系统关键模块

2.1 主控制器

为了使测量准确，同时降低成本，本系统采用STM32F103C8T6单片机作为主控制器，该芯片最高工作频率可达到72 MHz，具有512 KB的闪存以及64 KB的SRAM，丰富的片上资源大大简化了系统硬件，同时大大降低了系统功耗[1]，所有外设处于工作状态时，系统消耗18 mA，待机时仅有2 μA[2]。该单片机集成了12位ADC模数转换器[3]，转换时间最小可达1 μs，转换速度非常快。本系统配置ADC1工作在连续工作模式，采样次数取100。即步进电机每走一步，ADC采样100次进行平滑处理获得该处采样值，这增强了光强数据的稳定性，提高了本系统测量的准确性。同时该单片机拥有5 路USART(通用同步异步收发机)接口[4]，可以很方便地和外设进行数据传送。在本系统中将USART1和USART2均配置为UART（通用异步收发）模式，波特率为9 600 b/s，可以方便可靠地与显示屏和蓝牙模块进行通信。 

2.2 光敏传感器及光源

采用光敏电阻作为光敏传感器。光强采样电路如图2所示。图中R为光敏电阻，R1为分压用电阻，阻值为1 kΩ。将R与R1的中点接入单片机的ADC引脚进行测量。当光敏电阻受到的光照强度不同时，其阻值不同，使得电阻R1上的压降改变，这样就可以通过单片机的ADC读取到此时光强的变化。为使得在测试中光强最大时光敏电阻阻值仍可以线性变化，本系统选用的是环氧树脂封装硫化镉(CdS)制成的可见光光敏电阻GL12528，直径为12 mm，亮电阻约为560 kΩ，暗电阻约为2 MΩ。

为保证光在低透光率物质中的穿透性，同时又保证光源长期工作时的稳定性，系统采用激光器作为系统光源。激光器直径为12 mm，在外加电压3 V时，功率约为5 mW。使用时需要保证激光器水平以及各光学元件共轴。

2.3 检偏器-步进电机组合模块

起偏器与检偏器均选用φ20 mm的石英材质圆形偏振片，以保证偏振效果。将检偏器嵌入到一齿轮正中央，与起偏器共轴。设计制作时要确保检偏器与所嵌套的齿轮共面，使检偏器旋转时始终与光路垂直，以保证测量精度。

为了能准确地控制检偏器旋转的角度，本系统选用28BYJ型步进电机来带动检偏器旋转。步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度[5]。28BYJ型步进电机其是四相八拍电机[6]，最小步进角度为0.087 9°，驱动电压为12 V。由于单片机引脚输出电流小，不足以驱动电动机，因此本文通过ULN2003A驱动芯片来驱动步进电机[7]。需要注意的是，当使电机停止旋转时，应拉低驱动端的4个引脚，而不是保持。

2.4 显示屏

本系统采用USART HMI串口触摸显示屏进行数据输出以及触摸输入，这样既保证了数据显示的直观性，又提供了方便的操控性。该显示屏通过串口收到单片机的指令后进行显示，同时可以把触摸操作发送至单片机，以便单片机进行处理。

2.5 远程监控模块

远程监控模块主要包含两个部分：Web管理系统 和Android客户端。

2.5.1 Web管理系统

Web管理系统使用PHP语言开发，图3为系统架构，图4为系统界面。

Web管理系统由首页、在线设备管理和数据管理三大部分组成。各部分的主要功能如下。

(1)首页展示了部分检测设备的实时检测数据，以供大众进行查看、监督。同时首页提供了管理人员登录通道，登录到管理系统后可以对设备进行更高级的操作。

(2)在线设备页面显示了当前在线设备的列表，支持远程对设备进行测量操作，以及远程对设备的检测参数进行配置。

(3)数据管理页面可供查看所有检测的数据。支持按设备查看、按样品查看和按地点查看的方式，方便管理人员对数据进行批量查看和操作。同时支持数据导出为Excel工作表以便对数据进行进一步分析。

2.5.2 Android程序

Android程序界面如图5所示。使用Java语言开发，支持Android 4.0以上版本的手机，支持通过蓝牙连接到检测仪，连接成功后可以获取检测仪的状态信息以及检测结果数据，并支持通过按钮控制单片机进行检测，以及通过JSON上传检测数据到云端数据库、从云端数据库下载检测数据到手机。

3 系统工作流程

本旋光检测系统的工作流程如图6所示。

开机后，第一步，系统对各模块进行初始化。先在样品管中放入清水，对仪器进行调零。此时单片机控制步进电机带动检偏器不断左旋，旋转至光强最小处，表示此时起偏器与检偏器处于垂直状态，调零完成。第二步，在样品管中放入待测物质溶液，然后可以按照触摸屏上的提示，设置当前样品编号并选择开始测量。此时步进电机带动检偏器进行左旋扫描，如果单片机发现测得的光强逐渐减小，则当前旋转的方向就是物质的旋光方向；如果发现光强逐渐增加，则当前旋转的方向不是物质的旋光方向，再控制步进电机进行右旋扫描。扫描至光强最小处，记录此时旋转过的角度即为旋光度。第三步，测量完成后，显示屏显示旋光度，然后可以按照屏幕指示通过蓝牙将旋光度等数据发至手机。在手机上执行数据上传操作，此时数据将会通过Web写入到云端的数据库中，通过计算机等浏览器访问Web网站可以查看到测量结果。

4 系统测试

4.1 马吕斯定律验证

马吕斯定律是定量描述光偏振现象的重要定律。当一束自然光通过偏振片A和B，设偏振片间的透振方向夹角为θ，经过起偏器A形成的线偏振光强度为I0，则通过检偏器B的透射光强(相对光强)I将满足如下关系(马吕斯定律)[8]：

在样品管中放入清水，然后点击屏幕进入测试模式，此时步进电机会带动检偏器旋转360°，同时保存旋转过程中的角度和对应的光强值，并绘制出夹角θ在0～180°时与光强的关系曲线，如图7所示。

由图7曲线可知测量结果与理论相符，说明系统测量可靠。

4.2 蜂蜜掺假检测

经深入调研，市面上蜂蜜掺假较常用的手段有掺入果葡糖浆[9]、掺入蔗糖或果糖，或者使用糖类与明矾混合后经过加热勾兑成假蜂蜜等几种方式。这些掺入的物质和蜂蜜的旋光特性是存在差异的。本文利用设计的智能检测系统对蜂蜜及掺假蜂蜜样品进行了实际检测。

图8是蜂蜜及蜂蜜掺入蔗糖、果糖的检测结果。从图8中可以看出，原蜜的旋光特性与掺入蔗糖、果糖的旋光特性存在明显差异，其左旋、右旋性质及旋光度大小都不相同。由此可以对蜂蜜是否掺假及掺假类型进行有效判定。对于蜂蜜掺入果葡糖浆的情形，也应用本系统进行了实际检测，可以进行有效判定。

5 结论

本文基于物理光学原理，设计研制了一款利用单片机进行智能控制的旋光检测及远程监控系统。系统包括光源、起偏/检偏元件、光敏传感器、步进电机、LCD触摸显示模块、不同规格的样品测试管等控制测量元件，实现了对不同物质旋光特性的准确测量。基于Android和PHP的远程监控系统实现了对样品检测数据的远程管理和监控，数据查询速度快，管理方便。

将设计研制的系统用于蜂蜜检测，针对市场上常见的蜂蜜掺假类型，如在原蜜中掺入蔗糖、果糖、果葡糖浆以及明矾勾兑等，实际检测结果表明系统可以有效检测 蜂蜜是否掺假并判定掺假类型。

与传统手动旋光仪相比，本智能旋光检测系统克服了采用半波片产生三分视界方法存在的人为经验误差大、测试时间长的弊端[10]。与传统的蜂蜜检测采用的高效液相色谱示差折光法、碳稳定同位素分析法、核磁共振法等[11-14]相比，本智能旋光检测系统操作便捷，结果可靠。此外，远程监控管理功能可为食品安全部门对蜂蜜质量的监测提供有效帮助。