潘澤鍇，盧勇威

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 制糖過程控制技術(shù)實(shí)訓(xùn)中心，廣西　南寧　530226）

蔗糖結(jié)晶過程的圖像無線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘澤鍇，盧勇威

（廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 制糖過程控制技術(shù)實(shí)訓(xùn)中心，廣西南寧530226）

針對(duì)人們提出的以圖像處理為核心的蔗糖結(jié)晶過程工業(yè)自動(dòng)化控制理論，為克服蔗糖制煉生產(chǎn)線上高溫、潮濕、電磁干擾和硫化氣體共存的惡劣環(huán)境，設(shè)計(jì)基于嵌入式系統(tǒng)的蔗糖結(jié)晶過程圖像無線采集系統(tǒng)，通過測(cè)試表明圖像無線采集系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，圖像傳輸?shù)乃俾?、范圍和質(zhì)量基本符合系統(tǒng)要求。

蔗糖結(jié)晶；圖像處理；無線傳輸；嵌入式系統(tǒng)

0　前言

從國內(nèi)外的煮糖控制現(xiàn)狀來看，整個(gè)煮糖過程基本上都實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但是在其中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)—煮糖結(jié)晶過程卻還是采用人工控制［1］，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控人員用采樣器抽出煮糖罐內(nèi)的糖膏樣本放在玻璃片上，利用手、眼等感官，通過個(gè)人經(jīng)驗(yàn)推測(cè)結(jié)晶程度控制閥門開關(guān)度來完成整個(gè)煮糖工序［2-3］。為了實(shí)現(xiàn)這一過程的自動(dòng)化，設(shè)計(jì)運(yùn)用一種視覺傳感方式［4］，用圖像處理技術(shù)的方法來提取蔗糖結(jié)晶過程圖像的顆粒個(gè)數(shù)、面積、周長、形狀指數(shù)、長、寬等控制參數(shù)特征值，再與原來錘度、溫度和流量等參數(shù)以數(shù)據(jù)融合的方式建立一個(gè)煮糖過程自動(dòng)控制系統(tǒng)［5］。同時(shí)考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，兼顧系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、實(shí)時(shí)性的問題。

在蔗糖結(jié)晶過程中，圖像的質(zhì)量直接關(guān)系到后期圖像處理的特征參數(shù)提?。?］；在煮糖車間內(nèi)的環(huán)境十分惡劣，機(jī)器轟鳴聲大、硫化氣體濃度大、現(xiàn)場(chǎng)人員頻繁走動(dòng)、電磁波相互干擾。這樣的環(huán)境下，圖像的傳輸受影響尤為突出［7］，所以對(duì)傳輸系統(tǒng)要求安全可靠，抗干擾能力強(qiáng)［8］。結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，設(shè)計(jì)基于嵌入式系統(tǒng)的無線采集系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)具有體積小、功耗低、運(yùn)行速度快的特點(diǎn)。

1　蔗糖結(jié)晶過程圖像無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在煮糖車間中的環(huán)境十分的惡劣，噪聲大、多粉塵、現(xiàn)場(chǎng)人員走動(dòng)頻繁、電磁干擾嚴(yán)重，使在現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)有線通信設(shè)備難度增大，縱使鋪設(shè)成功，線路和接口也容易受到腐蝕而產(chǎn)生通信故障，成本增加，使用時(shí)間反而縮短。采用基于IEEE802.11a/b/g協(xié)議族的無線WI-FI模塊傳輸組網(wǎng)，具有速度快、部署方便、安全性好、成本低等特點(diǎn)。

在實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)幕A(chǔ)上，還要考慮傳輸?shù)目煽啃詥栴}。合理的硬件電路設(shè)計(jì)可以消弱或抑制絕大部分干擾，主要包括濾波技術(shù)、去耦電路、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)、接地技術(shù)等。共同使用圖像采集中的嵌入式處理平臺(tái)，以此基礎(chǔ)組建無線局域網(wǎng)可以規(guī)避有線通信的諸多缺陷。此外，設(shè)計(jì)為非接觸式檢測(cè)，不受污垢變化影響。除了在硬件上實(shí)現(xiàn)之外，在軟件上采取相應(yīng)的措施提高傳輸?shù)目煽啃?，包括在使用的傳輸協(xié)議中加入差錯(cuò)控制、CRC （Cyclic Redundancy Check）校驗(yàn)技術(shù)等［9］。

綜合考慮實(shí)際因素取其最優(yōu)，本文設(shè)計(jì)的蔗糖結(jié)晶過程圖像傳輸系統(tǒng)如圖1所示，包括圖像數(shù)據(jù)存取器模塊、嵌入式平臺(tái)處理模塊、WI-FI無線傳輸模塊和工控機(jī)接收模塊。

圖1　圖像無線傳輸基本架構(gòu)

在嵌入式平臺(tái)的控制下，從圖像傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過編碼壓縮，DMA方式送內(nèi)存緩沖區(qū)中。通信采用傳統(tǒng)的C/S模式，服務(wù)器端和客戶端通過無線路由器組成小型局域網(wǎng)，基于IEEE802.11a/b/g協(xié)議族傳輸速率最大可以達(dá)到54 Mb/s，完全可以滿足圖像的傳輸要求。整個(gè)系統(tǒng)中，圖像采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)圖像信息的壓縮，并把圖像以IP包的形式送USB無線網(wǎng)卡，然后通過TCP通信方式傳到工控機(jī)上，圖片即可為圖像處理模塊備用。在此過程中，通信單元使用WI-FI無線傳輸模塊，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)就自動(dòng)進(jìn)行信號(hào)搜索，建立一條TCP/IP通信管道，工控機(jī)作為客戶端，嵌入式平臺(tái)作為服務(wù)器端，工控機(jī)和USB無線網(wǎng)卡都自己的固定IP地址，它們之間通過無線路由器（AP）相連，任何一個(gè)服務(wù)器端都可以連接到工控機(jī)上，工控機(jī)上可以設(shè)置參數(shù)獲取圖像［10］。

圖2　無線傳輸模塊結(jié)構(gòu)圖

2　蔗糖結(jié)晶過程圖像無線傳輸部分硬件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)已經(jīng)擴(kuò)展了 USB接口的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)采用的VIA VT6656無線模塊也設(shè)計(jì)成USB接口接入的方式，這樣硬件系統(tǒng)可以最大程度的簡化。對(duì)于系統(tǒng)中接入的USB無線網(wǎng)卡模塊，從CPU的角度首先看到的是 USB總線，然后才是網(wǎng)卡芯片。以網(wǎng)卡芯片為中心設(shè)計(jì)外圍電路即可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的封裝發(fā)送。系統(tǒng)電路中主要由無線網(wǎng)卡芯片、存儲(chǔ)器、射頻芯片和濾波器組成，如圖2無線傳輸模塊結(jié)構(gòu)圖。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的USB接口符合USB1.1/2.0標(biāo)準(zhǔn)，完全能夠滿足開發(fā)板要求，無線網(wǎng)卡USB接口與開發(fā)板的USB Host相連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。無線基帶芯片VT6656集成BBP和MAC模塊，BaseBand模塊完全支持DBPSK、DQPSK、CCK和OFDM調(diào)制方式，能夠完成協(xié)議規(guī)定的1～54 Mb/s的全部傳輸速率，MAC模塊能完成媒體接入成的所有協(xié)議，其中包括安全和加密算法協(xié)議，與之相連的EEPROM在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)作為緩沖存儲(chǔ)單元。射頻芯片除了可以將從天線接收并經(jīng)過濾波處理的信息轉(zhuǎn)換后送VT6656單元處理以外，還可以將USB接口進(jìn)來的圖像數(shù)據(jù)通過射頻功放（PA）增強(qiáng)處理后送 Balun轉(zhuǎn)換器，Balun轉(zhuǎn)換是雙向式的平衡至非平衡轉(zhuǎn)換器，可用于信號(hào)的非平衡輸出，轉(zhuǎn)換到專業(yè)及廝播級(jí)的平衡輸入，亦可反過來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可以將信息按照Balun的形式、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，使信息流的方向一致，提高數(shù)據(jù)傳輸速度。這里低通和高通濾波器都是對(duì)發(fā)送或是接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行毛刺和噪音的過濾處理，降低干擾。天線是以PCB形式設(shè)計(jì)，可以通過天線轉(zhuǎn)換裝置變換發(fā)送和接收［11］。

本系統(tǒng)使用的無線模塊是以整體形式提供的，外部設(shè)計(jì)成USB接口接入的方式。在數(shù)據(jù)采集與發(fā)送中首先對(duì)寄存器做初始化設(shè)置，控制USB接口的數(shù)據(jù)接收和傳送，配合固件完成對(duì)數(shù)據(jù)收發(fā)以及信息幀的處理，向上提供應(yīng)用管理程序操作和配置無線網(wǎng)卡編程接口。

3　蔗糖結(jié)晶過程圖像無線傳輸系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

圖像無線傳輸系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)主要是在系統(tǒng)應(yīng)用層完成應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)圖像數(shù)據(jù)獲取。其中上層應(yīng)用程序包括連接到嵌入式平臺(tái)無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)開發(fā)與配置，對(duì)完成協(xié)議包數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，采用Window Sockets方式實(shí)現(xiàn)無線通信模塊上層應(yīng)用程序編寫［12］。

傳輸系統(tǒng)應(yīng)用程序開發(fā)包括對(duì)傳輸協(xié)議的選擇和程序?qū)崿F(xiàn)。對(duì)比UDP協(xié)議傳輸丟包嚴(yán)重的特性，設(shè)計(jì)中選擇TCP傳輸協(xié)議方式，協(xié)議傳輸?shù)目煽啃暂^高。嵌入式系統(tǒng)與工控主機(jī)之間是一個(gè)服務(wù)與被服務(wù)的關(guān)系，符合Client/Service工作模式，據(jù)此本系統(tǒng)軟件由服務(wù)器端和客戶端兩個(gè)部分組成，服TCP務(wù)器和客戶端的流程如圖3所示［13］。

圖3　無線傳輸系統(tǒng)軟件流程圖

從流程圖看來，對(duì)于TCP客戶端來說，編程相對(duì)服務(wù)前端要簡單很多。首先客戶端調(diào)用 socket（）函數(shù)建立流式套接字連接，并且返回套接字，接著調(diào)用connect（）函數(shù)，請(qǐng)求與客戶端連接，如果客戶端應(yīng)答后調(diào)用rev（）和send（）接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，收據(jù)接送完畢，調(diào)用closesocket（）關(guān)閉套接字庫。

TCP服務(wù)器端的相對(duì)UDP實(shí)現(xiàn)、客戶端編程都要復(fù)雜，步驟都比較繁瑣，這個(gè)也是由于協(xié)議本身所決定的。它的工作流程由上圖也大體可知：服務(wù)器端口調(diào)用socket（）函數(shù)建立流式套接字連接，調(diào)用bind（）將套接字與本地IP地址綁定，再調(diào)用listen（）監(jiān)聽客戶端請(qǐng)求，客戶端向服務(wù)器端發(fā)送請(qǐng)求以后，調(diào)用 Accept（）接收客戶端請(qǐng)求等待傳輸，在這個(gè)傳輸過程中，服務(wù)器端還會(huì)多增加一個(gè)套接字與客戶端進(jìn)行交互，通信方式和客戶端通信類似，和客戶端的通信完畢之后，調(diào)用closesocket（）先關(guān)閉內(nèi)部套接字，再跳出關(guān)閉外部套接字，結(jié)束整個(gè)通信過程。在TCP進(jìn)行通信時(shí)候，源主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間是一種虛擬的連接，建立連接以后，它們之間就可以看作是一個(gè)雙向字節(jié)流進(jìn)行交換。

4　系統(tǒng)測(cè)試

USB無線網(wǎng)卡連接到網(wǎng)絡(luò)之后，只要工控機(jī)上也配置有無線接收模塊，通過TCP協(xié)議即可完成數(shù)據(jù)的傳輸。在無線傳輸模塊系統(tǒng)配置以后，客戶端和服務(wù)器端已經(jīng)可以完成連接，實(shí)現(xiàn)小型無線局域網(wǎng)的接入。嵌入式平臺(tái)運(yùn)行時(shí)采集的圖像數(shù)據(jù)以IP包的形式存儲(chǔ)等待發(fā)送，使用Window Sockets編程實(shí)現(xiàn)，在工控機(jī)可以 ActiveX控件方式實(shí)現(xiàn)圖像接收。采集到的圖像可以保存在本地磁盤中供圖像處理模塊使用，對(duì)比于在嵌入式平臺(tái)前端采集的圖像與傳輸后保存在工控機(jī)效果如圖4所示。

對(duì)于不同傳輸距離實(shí)際的傳輸效果不一樣，這里僅取10 m作為試驗(yàn)測(cè)試距離，圖像分辨率設(shè)定為320×240。對(duì)比圖像前端采集與無線傳輸效果可知，圖像傳輸前后的效果變化不大，失幀率在可以接受的范圍之內(nèi)，基本滿足了圖像處理的需求。具體的測(cè)試參數(shù)如表1所示。

圖4　圖像前端采集與無線傳輸效果對(duì)比

表1　圖像傳輸前后效果對(duì)比

從上表的測(cè)試參數(shù)看來，在10 m的測(cè)試距離之內(nèi)，圖像的顯示效果基本沒有太大的變化，圖像在傳輸終端顯示也較為清晰。但是在傳輸過程還是存在一定失幀現(xiàn)象，失幀率約為15%，這是由于在傳輸過程電磁干擾產(chǎn)生丟包造成，這也是保持傳輸?shù)倪B續(xù)性不可避免的。

除了對(duì)圖像的傳輸效果進(jìn)行測(cè)試之外，試驗(yàn)還對(duì)圖像的傳輸性能進(jìn)行測(cè)試，傳輸性能指標(biāo)主要包括傳輸距離和傳輸速率。測(cè)試中的圖像仍然取以上設(shè)置的分辨率320×240，圖像約為200 KB大小，在數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試中，分別選取距結(jié)點(diǎn)（AP）10、15、20、25、35 m距離傳輸圖像數(shù)據(jù)，不同的距離數(shù)據(jù)傳輸率的測(cè)試結(jié)果如表2所示。

從測(cè)試效果看來，在距離1～10 m的范圍內(nèi)信號(hào)非常穩(wěn)定，傳輸速率也比較快；在10～20 m之間，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)也比較穩(wěn)定，不過傳輸速率有所下降；在20～30 m之間出現(xiàn)了信號(hào)不穩(wěn)定，而且出現(xiàn)傳輸過程偶爾中斷的現(xiàn)象，傳輸速率大幅下降，圖像失幀嚴(yán)重。在35 m以外的距離，檢測(cè)不到信號(hào)，或是偶爾檢測(cè)到信號(hào)，圖像數(shù)據(jù)傳輸基本處于中斷狀態(tài)。從整個(gè)圖像采集傳輸?shù)臏y(cè)試效果看來，在有限的范圍之內(nèi)，圖像數(shù)據(jù)的采集與傳輸是可以實(shí)現(xiàn)的，速率也基本達(dá)到系統(tǒng)要求。

表2　圖像傳輸性能測(cè)試

5　結(jié)束語

在以圖像處理為核心的蔗糖結(jié)晶過程控制系統(tǒng)理論中，構(gòu)建基于嵌入式的圖像無線采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括硬件和軟件實(shí)現(xiàn)2個(gè)部分，通過系統(tǒng)測(cè)試的方式對(duì)比圖像前端采集與無線傳輸效果，檢測(cè)圖像受傳輸距離的影響發(fā)生傳輸丟包和圖像失幀的情況，從整個(gè)測(cè)試的結(jié)果看來，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，圖像傳輸?shù)乃俣?、范圍和質(zhì)量基本滿足要求。圖像的可靠傳輸為后期的圖像處理打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為圖像特征提取后的系統(tǒng)自動(dòng)控制提供了保障。

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（本篇責(zé)任編校：鄧丹丹）

Design Sucrose Crystallization Process of Wireless Image Acquisition System

PAN Ze-kai， LU Yong-wei
（Technology Training Center of Sugar Process Control， Guangxi Polytechnic， Nanning 530226）

Concerning the proposed industrial automation control theory for sucrose crystallization process centered on image processing， in order to overcome the adverse circumstances of coexistence of high temperature， humidity， electromagnetic interference and vulcanized gases， the design is based on the wireless image collection system of the sucrose crystallization process in the embedded system and proves after test that the wireless image collection system is stable and reliable in operation and the speed， range and quality of the image transfer are basically in accordance with the requirements of the system.

Sucrose crystallization；Image processed；Wireless transmission；Embedded system

TS243+.8

A

1005-9695（2016）05-0024-05

2016-09-07；

2016-10-19

廣西區(qū)教育廳自然科學(xué)資金資助項(xiàng)目（YB2014488、KY2015YB384）

潘澤鍇（1984-），男，講師，主要從事自動(dòng)化煮糖、智能信息處理研究工作

引文格式：潘澤鍇，盧勇威. 蔗糖結(jié)晶過程的圖像無線采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 甘蔗糖業(yè)，2016（5）：24-28.