蔗糖結晶過程的圖像無線采集系統(tǒng)設計

潘澤鍇，盧勇威

（廣西職業(yè)技術學院 制糖過程控制技術實訓中心，廣西　南寧　530226）

蔗糖結晶過程的圖像無線采集系統(tǒng)設計

潘澤鍇，盧勇威

（廣西職業(yè)技術學院 制糖過程控制技術實訓中心，廣西南寧530226）

針對人們提出的以圖像處理為核心的蔗糖結晶過程工業(yè)自動化控制理論，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，設計基于嵌入式系統(tǒng)的蔗糖結晶過程圖像無線采集系統(tǒng)，通過測試表明圖像無線采集系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，圖像傳輸?shù)乃俾?、范圍和質量基本符合系統(tǒng)要求。

蔗糖結晶；圖像處理；無線傳輸；嵌入式系統(tǒng)

0　前言

從國內外的煮糖控制現(xiàn)狀來看，整個煮糖過程基本上都實現(xiàn)自動化，但是在其中一個重要的環(huán)節(jié)—煮糖結晶過程卻還是采用人工控制［1］，現(xiàn)場監(jiān)控人員用采樣器抽出煮糖罐內的糖膏樣本放在玻璃片上，利用手、眼等感官，通過個人經(jīng)驗推測結晶程度控制閥門開關度來完成整個煮糖工序［2-3］。為了實現(xiàn)這一過程的自動化，設計運用一種視覺傳感方式［4］，用圖像處理技術的方法來提取蔗糖結晶過程圖像的顆粒個數(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煮糖過程自動控制系統(tǒng)［5］。同時考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，兼顧系統(tǒng)運行的可靠性、實時性的問題。

在蔗糖結晶過程中，圖像的質量直接關系到后期圖像處理的特征參數(shù)提?。?］；在煮糖車間內的環(huán)境十分惡劣，機器轟鳴聲大、硫化氣體濃度大、現(xiàn)場人員頻繁走動、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］，所以對傳輸系統(tǒng)要求安全可靠，抗干擾能力強［8］。結合工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，設計基于嵌入式系統(tǒng)的無線采集系統(tǒng)，整個系統(tǒng)具有體積小、功耗低、運行速度快的特點。

1　蔗糖結晶過程圖像無線傳輸系統(tǒng)設計

在煮糖車間中的環(huán)境十分的惡劣，噪聲大、多粉塵、現(xiàn)場人員走動頻繁、電磁干擾嚴重，使在現(xiàn)場鋪設有線通信設備難度增大，縱使鋪設成功，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。

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

綜合考慮實際因素取其最優(yōu)，本文設計的蔗糖結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、嵌入式平臺處理模塊、WI-FI無線傳輸模塊和工控機接收模塊。

圖1　圖像無線傳輸基本架構

在嵌入式平臺的控制下，從圖像傳感器采集到的信號經(jīng)過編碼壓縮，DMA方式送內存緩沖區(qū)中。通信采用傳統(tǒng)的C/S模式，服務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到54 Mb/s，完全可以滿足圖像的傳輸要求。整個系統(tǒng)中，圖像采集系統(tǒng)負責圖像信息的壓縮，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，當系統(tǒng)啟動時就自動進行信號搜索，建立一條TCP/IP通信管道，工控機作為客戶端，嵌入式平臺作為服務器端，工控機和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，任何一個服務器端都可以連接到工控機上，工控機上可以設置參數(shù)獲取圖像［10］。

圖2　無線傳輸模塊結構圖

2　蔗糖結晶過程圖像無線傳輸部分硬件設計

嵌入式系統(tǒng)平臺已經(jīng)擴展了 USB接口的基礎上，系統(tǒng)采用的VIA VT6656無線模塊也設計成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)卡芯片為中心設計外圍電路即可以實現(xiàn)信號的封裝發(fā)送。系統(tǒng)電路中主要由無線網(wǎng)卡芯片、存儲器、射頻芯片和濾波器組成，如圖2無線傳輸模塊結構圖。

系統(tǒng)設計的USB接口符合USB1.1/2.0標準，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)傳輸時作為緩沖存儲單元。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換后送VT6656單元處理以外，還可以將USB接口進來的圖像數(shù)據(jù)通過射頻功放（PA）增強處理后送 Balun轉換器，Balun轉換是雙向式的平衡至非平衡轉換器，可用于信號的非平衡輸出，轉換到專業(yè)及廝播級的平衡輸入，亦可反過來實現(xiàn)，同時可以將信息按照Balun的形式、結構轉換，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發(fā)送或是接收的數(shù)據(jù)進行毛刺和噪音的過濾處理，降低干擾。天線是以PCB形式設計，可以通過天線轉換裝置變換發(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，外部設計成USB接口接入的方式。在數(shù)據(jù)采集與發(fā)送中首先對寄存器做初始化設置，控制USB接口的數(shù)據(jù)接收和傳送，配合固件完成對數(shù)據(jù)收發(fā)以及信息幀的處理，向上提供應用管理程序操作和配置無線網(wǎng)卡編程接口。

3　蔗糖結晶過程圖像無線傳輸系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

圖像無線傳輸系統(tǒng)軟件實現(xiàn)主要是在系統(tǒng)應用層完成應用程序實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)獲取。其中上層應用程序包括連接到嵌入式平臺無線網(wǎng)卡驅動開發(fā)與配置，對完成協(xié)議包數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，采用Window Sockets方式實現(xiàn)無線通信模塊上層應用程序編寫［12］。

傳輸系統(tǒng)應用程序開發(fā)包括對傳輸協(xié)議的選擇和程序實現(xiàn)。對比UDP協(xié)議傳輸丟包嚴重的特性，設計中選擇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)與工控主機之間是一個服務與被服務的關系，符合Client/Service工作模式，據(jù)此本系統(tǒng)軟件由服務器端和客戶端兩個部分組成，服TCP務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，對于TCP客戶端來說，編程相對服務前端要簡單很多。首先客戶端調用 socket（）函數(shù)建立流式套接字連接，并且返回套接字，接著調用connect（）函數(shù)，請求與客戶端連接，如果客戶端應答后調用rev（）和send（）接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，收據(jù)接送完畢，調用closesocket（）關閉套接字庫。

TCP服務器端的相對UDP實現(xiàn)、客戶端編程都要復雜，步驟都比較繁瑣，這個也是由于協(xié)議本身所決定的。它的工作流程由上圖也大體可知：服務器端口調用socket（）函數(shù)建立流式套接字連接，調用bind（）將套接字與本地IP地址綁定，再調用listen（）監(jiān)聽客戶端請求，客戶端向服務器端發(fā)送請求以后，調用 Accept（）接收客戶端請求等待傳輸，在這個傳輸過程中，服務器端還會多增加一個套接字與客戶端進行交互，通信方式和客戶端通信類似，和客戶端的通信完畢之后，調用closesocket（）先關閉內部套接字，再跳出關閉外部套接字，結束整個通信過程。在TCP進行通信時候，源主機和目標機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雙向字節(jié)流進行交換。

4　系統(tǒng)測試

USB無線網(wǎng)卡連接到網(wǎng)絡之后，只要工控機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，客戶端和服務器端已經(jīng)可以完成連接，實現(xiàn)小型無線局域網(wǎng)的接入。嵌入式平臺運行時采集的圖像數(shù)據(jù)以IP包的形式存儲等待發(fā)送，使用Window Sockets編程實現(xiàn)，在工控機可以 ActiveX控件方式實現(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，對比于在嵌入式平臺前端采集的圖像與傳輸后保存在工控機效果如圖4所示。

對于不同傳輸距離實際的傳輸效果不一樣，這里僅取10 m作為試驗測試距離，圖像分辨率設定為320×240。對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，基本滿足了圖像處理的需求。具體的測試參數(shù)如表1所示。

圖4　圖像前端采集與無線傳輸效果對比

表1　圖像傳輸前后效果對比

從上表的測試參數(shù)看來，在10 m的測試距離之內，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。

除了對圖像的傳輸效果進行測試之外，試驗還對圖像的傳輸性能進行測試，傳輸性能指標主要包括傳輸距離和傳輸速率。測試中的圖像仍然取以上設置的分辨率320×240，圖像約為200 KB大小，在數(shù)據(jù)傳輸測試中，分別選取距結點（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)傳輸率的測試結果如表2所示。

從測試效果看來，在距離1～10 m的范圍內信號非常穩(wěn)定，傳輸速率也比較快；在10～20 m之間，網(wǎng)絡信號也比較穩(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，圖像失幀嚴重。在35 m以外的距離，檢測不到信號，或是偶爾檢測到信號，圖像數(shù)據(jù)傳輸基本處于中斷狀態(tài)。從整個圖像采集傳輸?shù)臏y試效果看來，在有限的范圍之內，圖像數(shù)據(jù)的采集與傳輸是可以實現(xiàn)的，速率也基本達到系統(tǒng)要求。

表2　圖像傳輸性能測試

5　結束語

在以圖像處理為核心的蔗糖結晶過程控制系統(tǒng)理論中，構建基于嵌入式的圖像無線采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括硬件和軟件實現(xiàn)2個部分，通過系統(tǒng)測試的方式對比圖像前端采集與無線傳輸效果，檢測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，從整個測試的結果看來，系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定、可靠，圖像傳輸?shù)乃俣取⒎秶唾|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實的基礎，為圖像特征提取后的系統(tǒng)自動控制提供了保障。

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（本篇責任編校：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)教育廳自然科學資金資助項目（YB2014488、KY2015YB384）

潘澤鍇（1984-），男，講師，主要從事自動化煮糖、智能信息處理研究工作

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