基于ZigBee和TCS230的無線顏色檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐燕妮

TANG Yan-ni

（河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河源 517000）

0 引言

顏色檢測技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，其中較為典型的應(yīng)用有：回收塑料瓶的自動顏色分選[1]；蔬菜的識別和分類[2]；水果在線檢測和質(zhì)量控制[3]等等。此類顏色檢測是基于圖像處理技術(shù)，通過對被測物圖像的測定和還原來達(dá)到顏色識別的目的。該法通常采用彩色面陣CCD攝像機(jī)采集目標(biāo)圖像，把圖像像素的RGB分值作為識別依據(jù)，系統(tǒng)集成度高，處理數(shù)據(jù)量大，成本較高，價(jià)格較貴，很大程度限制了檢測的便捷性和低成本應(yīng)用[4]。工業(yè)現(xiàn)場中需要對某一個不規(guī)則外形的工件進(jìn)行多個位置的顏色檢測，用以判別該工件顏色值及均勻度等，則上述檢測方法存在其局限性。

本文針對上述顏色檢測系統(tǒng)的應(yīng)用不足，設(shè)計(jì)了一個基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和新型高分辨率TCS230顏色傳感技術(shù)的無線檢測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)低成本、分布式、低數(shù)據(jù)量、高檢測精度的顏色檢測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無線顏色檢測系統(tǒng)由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、TCS230顏色檢測節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)控制中心等構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)控制中心的上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲和人機(jī)交互，并通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)對多個顏色檢測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和管理，各個顏色檢測節(jié)點(diǎn)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互連互通和信息交換。當(dāng)ZigBee收發(fā)模塊接收到指令信息后送往節(jié)點(diǎn)微控制器，微控制器根據(jù)指令要求，啟動光源電路和顏色傳感器TCS230工作，獲取檢測目標(biāo)的RGB值，并將該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將傳送回上位機(jī)控制中心，完成顏色檢測。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用TI公司的無線SoC集成芯片CC2530以及TI2007版ZigBee協(xié)議棧，包含ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee收發(fā)模塊。

ZigBee協(xié)調(diào)器是整個無線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者和協(xié)調(diào)者，同時還是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部與外部通信的中樞，因此一直處于活躍狀態(tài)[5]。協(xié)調(diào)器由CC2530核心電路和擴(kuò)展電路組成。CC2530核心電路如圖2所示，包含了適應(yīng)2.4GHz的IEEE802.15.4優(yōu)良性能的RF收發(fā)器，以及業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。引出CC2530芯片主要I/O口構(gòu)建了包括電源和開關(guān)模塊、UART串口模塊及編程下載接口等擴(kuò)展電路。工作時，控制中心計(jì)算機(jī)通過串口向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送控制指令，協(xié)調(diào)器通過無線網(wǎng)絡(luò)將控制信息發(fā)送給顏色檢測節(jié)點(diǎn)的ZigBee收發(fā)模塊。

圖2 CC2530核心板原理圖

ZigBee收發(fā)模塊與ZigBee協(xié)調(diào)器電路基本相同，其中CC2530核心電路負(fù)責(zé)接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和將擴(kuò)展電路上的數(shù)據(jù)傳回至ZigBee網(wǎng)絡(luò)，部分I/O口擴(kuò)展用于TCS230芯片的控制接口。

擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)了5V和3.3V的雙電壓輸出電路。電路輸入220V交流電，經(jīng)過AC/DC電源模塊輸出5V直流電壓，再經(jīng)過SPX1117芯片產(chǎn)生穩(wěn)定的3.3V直流電壓。其中，5V為照明光源電路供電，3.3V為CC2530和TCS230芯片提供持續(xù)電源。

2.2 TCS230顏色檢測節(jié)點(diǎn)

TCS230是美國TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器，它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個單一的CMOS電路上，并且集成了紅、綠、藍(lán)（RGB）3種濾光器，具有數(shù)字兼容接口。該傳感器利用對反射光中三原色的吸收原理，將所檢測到的顏色轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻率[4]。TCS230的S0-S3四個編程引腳可與微控制器直接相連，其組合選項(xiàng)如表1所示。OUT為TCS230輸出端，輸出為占空比50%的方波，典型輸出頻率范圍從2Hz～500kHz，且輸出頻率與光強(qiáng)度成線性關(guān)系。

顏色檢測電路如圖5所示，包括CC2530片上的8051微控制器、TCS230顏色傳感器、LED照明光源電路。

表1 S0、S1和S2、S3組合選項(xiàng)

圖3 TCS230顏色檢測電路圖

電路中，TCS230芯片S2、S3分別接到CC2530微控制器P1.0和P1.1引腳，TCS230輸入4種不同邏輯電平，用于選擇紅、綠、藍(lán)、清除4種不同的光電二極管顏色類型；S0、S1分別接到CC2530微控制器P1.2和P1.3引腳，TCS230輸入4種不同組合邏輯電平，用于選擇輸出相應(yīng)分頻系數(shù)的占空比可變的方波。/OE為TCS230工作使能端，由P1.4輸出的低電平使能工作。使用CC2530定時器3的輸入捕獲中斷端口P1.7，采集OUT端輸出的方波。為減少檢測時外部光線強(qiáng)弱變化對電路的影響，在TCS230對角分布4個LED燈進(jìn)行光源補(bǔ)償，其光源的點(diǎn)亮和熄滅由P1.5輸出的邏輯電平控制。

2.3 上位機(jī)控制中心

上位機(jī)控制中心由工業(yè)PC機(jī)、ZigBee協(xié)調(diào)器和其他外部設(shè)備組成，負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與控制中心之間的相互通信，以及各顏色檢測節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)的實(shí)時控制、顯示和數(shù)據(jù)存儲。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)、顏色檢測程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)控制中心軟件設(shè)計(jì)三部分。

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序

ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序基于Z-Stack軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括協(xié)調(diào)器和收發(fā)模塊兩部分程序。兩者同樣采用了TI2007版ZigBee協(xié)議棧，該協(xié)議具備了網(wǎng)絡(luò)自組織和自愈合、高安全性、高可靠性、支持大網(wǎng)絡(luò)和分割傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。ZigBee協(xié)議棧輪流查詢各個網(wǎng)絡(luò)層任務(wù)，并按任務(wù)優(yōu)先級從高到底依次處理，其程序設(shè)計(jì)通過調(diào)用相應(yīng)驅(qū)動模塊完成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序?qū)崿F(xiàn)的功能包括：

1）協(xié)調(diào)器構(gòu)建一個低功耗、穩(wěn)定可靠的樹形無線網(wǎng)絡(luò)。

2）協(xié)調(diào)器接收控制中心上位機(jī)的指令信息，并過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給各個顏色檢測節(jié)點(diǎn)。

3）顏色檢測節(jié)點(diǎn)接收和解讀，執(zhí)行TCS230對檢測目標(biāo)的操作，獲得RGB值。

4）顏色檢測節(jié)點(diǎn)將RGB數(shù)值經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送回控制中心上位機(jī)。

3.2 顏色檢測程序設(shè)計(jì)

TCS230顏色檢測流程如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位以后，CC2530以自組網(wǎng)方式加入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)并等待指令，CC2530微控制器接收指令后啟動TCS230顏色檢測電路工作并回傳數(shù)據(jù)。在沒有指令的情況下，光源電路一致處于關(guān)閉狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)報(bào)告當(dāng)前休眠信息。

軟件使用P1.7外中斷計(jì)數(shù)和T0定時函數(shù)中斷計(jì)時相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對TCS230輸出OUT方波的頻率計(jì)數(shù)，兩個中斷函數(shù)代碼如下：

圖4 TCS230顏色檢測流程圖

軟件需要對紅、綠、藍(lán)三個濾波器逐個進(jìn)行頻率輸出的計(jì)數(shù)，得到的頻率值與光強(qiáng)度成線性關(guān)系，數(shù)值越大，則說明測得的RGB色值越大。如紅色濾光器R值計(jì)數(shù)代碼如下：

3.3 上位機(jī)控制中心軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)軟件基于Visual Studio2010集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)，采用C#語言編程。軟件主要功能是對各個顏色檢測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行執(zhí)行控制和狀態(tài)監(jiān)測，將各個節(jié)點(diǎn)采集到的RGB數(shù)據(jù)實(shí)時顯示出來，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析，并以多種圖表方式輸出。

4 系統(tǒng)測試

4.1 ZigBee通信測試

ZigBee技術(shù)主要用于短距離、低功耗、低速率的數(shù)據(jù)傳輸，為了驗(yàn)證其網(wǎng)絡(luò)通信的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)行了通信測試。由控制中心計(jì)算機(jī)串口調(diào)試窗口向串口發(fā)送一組數(shù)據(jù)，經(jīng)協(xié)調(diào)器發(fā)送ZigBee網(wǎng)絡(luò)。一個顏色檢測節(jié)點(diǎn)的接收模塊收到指令后，立刻回傳同一組數(shù)據(jù)至控制中心。經(jīng)過多次通信測試，結(jié)果如表2所示，表明系統(tǒng)ZigBee協(xié)調(diào)器與各個節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行穩(wěn)定[6]。

表2 ZigBee通信測試結(jié)果

4.2 TCS230顏色檢測測試

選用3cm×3cm標(biāo)準(zhǔn)色卡紙張，在室內(nèi)黑暗環(huán)境下對某一顏色檢測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作測試。測試時，調(diào)節(jié)四個高亮LED燈的位置使得光心匯聚于TCS230芯片的周圍。將TCS230隨意放置在色卡某一單色上，將檢測到的RGB值經(jīng)過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳到上位機(jī)軟件顯示出來。TCS230顏色檢測實(shí)驗(yàn)及結(jié)果如圖5所示。

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，TCS230顏色檢測的最佳距離為1cm，顏色檢測速度＜1S，RGB值準(zhǔn)確度高。但在室內(nèi)日光燈照射條件下進(jìn)行測試時，電路受光線影響大，檢測值偏差較大；芯片與檢測目標(biāo)之間的距離遠(yuǎn)近，也直接影響顏色數(shù)值的準(zhǔn)確性。后期改進(jìn)的舉措有：改進(jìn)TCS230芯片的電路封裝，在芯片前端安裝一個5.6mm的鏡頭，通過微調(diào)聚焦點(diǎn)提高TCS230對光線的抗干擾能力和增加檢測距離；同時在TCS230顏色檢測電路板前面安裝四顆M3×25+6限高尼龍柱，用以保持芯片與檢測目標(biāo)之間距離恒定。

5 結(jié)論

圖5 TCS230顏色檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)了一個低成本、高精度的無線顏色檢測系統(tǒng)。采用新型高分辨率TCS230顏色傳感器檢測各個目標(biāo)顏色，快速、準(zhǔn)確地獲取目標(biāo)的RGB值，有效減少了采集源頭的數(shù)據(jù)量，為無線傳輸?shù)退俾?、低功耗的?yīng)用要求提供了保證；利用ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多個檢測節(jié)點(diǎn)與控制中心便捷、穩(wěn)定的通信。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的顏色節(jié)點(diǎn)充分利用了CC2530的片上資源，電路簡潔，布置靈活，可滿足對多個檢測工件、或一個工件多個位置的RGB顏色值檢測和數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)用前景廣泛。

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