蔗糖结晶过程的图像无线采集系统设计

潘泽锴，卢勇威

（广西职业技术学院 制糖过程控制技术实训中心，广西　南宁　530226）

蔗糖结晶过程的图像无线采集系统设计

潘泽锴，卢勇威

（广西职业技术学院 制糖过程控制技术实训中心，广西南宁530226）

针对人们提出的以图像处理为核心的蔗糖结晶过程工业自动化控制理论，为克服蔗糖制炼生产线上高温、潮湿、电磁干扰和硫化气体共存的恶劣环境，设计基于嵌入式系统的蔗糖结晶过程图像无线采集系统，通过测试表明图像无线采集系统运行稳定、可靠，图像传输的速率、范围和质量基本符合系统要求。

蔗糖结晶；图像处理；无线传输；嵌入式系统

0　前言

从国内外的煮糖控制现状来看，整个煮糖过程基本上都实现自动化，但是在其中一个重要的环节—煮糖结晶过程却还是采用人工控制［1］，现场监控人员用采样器抽出煮糖罐内的糖膏样本放在玻璃片上，利用手、眼等感官，通过个人经验推测结晶程度控制阀门开关度来完成整个煮糖工序［2-3］。为了实现这一过程的自动化，设计运用一种视觉传感方式［4］，用图像处理技术的方法来提取蔗糖结晶过程图像的颗粒个数、面积、周长、形状指数、长、宽等控制参数特征值，再与原来锤度、温度和流量等参数以数据融合的方式建立一个煮糖过程自动控制系统［5］。同时考虑工业现场环境，兼顾系统运行的可靠性、实时性的问题。

在蔗糖结晶过程中，图像的质量直接关系到后期图像处理的特征参数提取［6］；在煮糖车间内的环境十分恶劣，机器轰鸣声大、硫化气体浓度大、现场人员频繁走动、电磁波相互干扰。这样的环境下，图像的传输受影响尤为突出［7］，所以对传输系统要求安全可靠，抗干扰能力强［8］。结合工业现场环境，设计基于嵌入式系统的无线采集系统，整个系统具有体积小、功耗低、运行速度快的特点。

1　蔗糖结晶过程图像无线传输系统设计

在煮糖车间中的环境十分的恶劣，噪声大、多粉尘、现场人员走动频繁、电磁干扰严重，使在现场铺设有线通信设备难度增大，纵使铺设成功，线路和接口也容易受到腐蚀而产生通信故障，成本增加，使用时间反而缩短。采用基于IEEE802.11a/b/g协议族的无线WI-FI模块传输组网，具有速度快、部署方便、安全性好、成本低等特点。

在实现无线传输的基础上，还要考虑传输的可靠性问题。合理的硬件电路设计可以消弱或抑制绝大部分干扰，主要包括滤波技术、去耦电路、屏蔽技术、隔离技术、接地技术等。共同使用图像采集中的嵌入式处理平台，以此基础组建无线局域网可以规避有线通信的诸多缺陷。此外，设计为非接触式检测，不受污垢变化影响。除了在硬件上实现之外，在软件上采取相应的措施提高传输的可靠性，包括在使用的传输协议中加入差错控制、CRC （Cyclic Redundancy Check）校验技术等［9］。

综合考虑实际因素取其最优，本文设计的蔗糖结晶过程图像传输系统如图1所示，包括图像数据存取器模块、嵌入式平台处理模块、WI-FI无线传输模块和工控机接收模块。

图1　图像无线传输基本架构

在嵌入式平台的控制下，从图像传感器采集到的信号经过编码压缩，DMA方式送内存缓冲区中。通信采用传统的C/S模式，服务器端和客户端通过无线路由器组成小型局域网，基于IEEE802.11a/b/g协议族传输速率最大可以达到54 Mb/s，完全可以满足图像的传输要求。整个系统中，图像采集系统负责图像信息的压缩，并把图像以IP包的形式送USB无线网卡，然后通过TCP通信方式传到工控机上，图片即可为图像处理模块备用。在此过程中，通信单元使用WI-FI无线传输模块，当系统启动时就自动进行信号搜索，建立一条TCP/IP通信管道，工控机作为客户端，嵌入式平台作为服务器端，工控机和USB无线网卡都自己的固定IP地址，它们之间通过无线路由器（AP）相连，任何一个服务器端都可以连接到工控机上，工控机上可以设置参数获取图像［10］。

图2　无线传输模块结构图

2　蔗糖结晶过程图像无线传输部分硬件设计

嵌入式系统平台已经扩展了 USB接口的基础上，系统采用的VIA VT6656无线模块也设计成USB接口接入的方式，这样硬件系统可以最大程度的简化。对于系统中接入的USB无线网卡模块，从CPU的角度首先看到的是 USB总线，然后才是网卡芯片。以网卡芯片为中心设计外围电路即可以实现信号的封装发送。系统电路中主要由无线网卡芯片、存储器、射频芯片和滤波器组成，如图2无线传输模块结构图。

系统设计的USB接口符合USB1.1/2.0标准，完全能够满足开发板要求，无线网卡USB接口与开发板的USB Host相连接实现数据的交互。无线基带芯片VT6656集成BBP和MAC模块，BaseBand模块完全支持DBPSK、DQPSK、CCK和OFDM调制方式，能够完成协议规定的1～54 Mb/s的全部传输速率，MAC模块能完成媒体接入成的所有协议，其中包括安全和加密算法协议，与之相连的EEPROM在数据传输时作为缓冲存储单元。射频芯片除了可以将从天线接收并经过滤波处理的信息转换后送VT6656单元处理以外，还可以将USB接口进来的图像数据通过射频功放（PA）增强处理后送 Balun转换器，Balun转换是双向式的平衡至非平衡转换器，可用于信号的非平衡输出，转换到专业及厮播级的平衡输入，亦可反过来实现，同时可以将信息按照Balun的形式、结构转换，使信息流的方向一致，提高数据传输速度。这里低通和高通滤波器都是对发送或是接收的数据进行毛刺和噪音的过滤处理，降低干扰。天线是以PCB形式设计，可以通过天线转换装置变换发送和接收［11］。

本系统使用的无线模块是以整体形式提供的，外部设计成USB接口接入的方式。在数据采集与发送中首先对寄存器做初始化设置，控制USB接口的数据接收和传送，配合固件完成对数据收发以及信息帧的处理，向上提供应用管理程序操作和配置无线网卡编程接口。

3　蔗糖结晶过程图像无线传输系统软件实现

图像无线传输系统软件实现主要是在系统应用层完成应用程序实现图像数据获取。其中上层应用程序包括连接到嵌入式平台无线网卡驱动开发与配置，对完成协议包数据的接收和发送，采用Window Sockets方式实现无线通信模块上层应用程序编写［12］。

传输系统应用程序开发包括对传输协议的选择和程序实现。对比UDP协议传输丢包严重的特性，设计中选择TCP传输协议方式，协议传输的可靠性较高。嵌入式系统与工控主机之间是一个服务与被服务的关系，符合Client/Service工作模式，据此本系统软件由服务器端和客户端两个部分组成，服TCP务器和客户端的流程如图3所示［13］。

图3　无线传输系统软件流程图

从流程图看来，对于TCP客户端来说，编程相对服务前端要简单很多。首先客户端调用 socket（）函数建立流式套接字连接，并且返回套接字，接着调用connect（）函数，请求与客户端连接，如果客户端应答后调用rev（）和send（）接收和发送数据，收据接送完毕，调用closesocket（）关闭套接字库。

TCP服务器端的相对UDP实现、客户端编程都要复杂，步骤都比较繁琐，这个也是由于协议本身所决定的。它的工作流程由上图也大体可知：服务器端口调用socket（）函数建立流式套接字连接，调用bind（）将套接字与本地IP地址绑定，再调用listen（）监听客户端请求，客户端向服务器端发送请求以后，调用 Accept（）接收客户端请求等待传输，在这个传输过程中，服务器端还会多增加一个套接字与客户端进行交互，通信方式和客户端通信类似，和客户端的通信完毕之后，调用closesocket（）先关闭内部套接字，再跳出关闭外部套接字，结束整个通信过程。在TCP进行通信时候，源主机和目标机之间是一种虚拟的连接，建立连接以后，它们之间就可以看作是一个双向字节流进行交换。

4　系统测试

USB无线网卡连接到网络之后，只要工控机上也配置有无线接收模块，通过TCP协议即可完成数据的传输。在无线传输模块系统配置以后，客户端和服务器端已经可以完成连接，实现小型无线局域网的接入。嵌入式平台运行时采集的图像数据以IP包的形式存储等待发送，使用Window Sockets编程实现，在工控机可以 ActiveX控件方式实现图像接收。采集到的图像可以保存在本地磁盘中供图像处理模块使用，对比于在嵌入式平台前端采集的图像与传输后保存在工控机效果如图4所示。

对于不同传输距离实际的传输效果不一样，这里仅取10 m作为试验测试距离，图像分辨率设定为320×240。对比图像前端采集与无线传输效果可知，图像传输前后的效果变化不大，失帧率在可以接受的范围之内，基本满足了图像处理的需求。具体的测试参数如表1所示。

图4　图像前端采集与无线传输效果对比

表1　图像传输前后效果对比

从上表的测试参数看来，在10 m的测试距离之内，图像的显示效果基本没有太大的变化，图像在传输终端显示也较为清晰。但是在传输过程还是存在一定失帧现象，失帧率约为15%，这是由于在传输过程电磁干扰产生丢包造成，这也是保持传输的连续性不可避免的。

除了对图像的传输效果进行测试之外，试验还对图像的传输性能进行测试，传输性能指标主要包括传输距离和传输速率。测试中的图像仍然取以上设置的分辨率320×240，图像约为200 KB大小，在数据传输测试中，分别选取距结点（AP）10、15、20、25、35 m距离传输图像数据，不同的距离数据传输率的测试结果如表2所示。

从测试效果看来，在距离1～10 m的范围内信号非常稳定，传输速率也比较快；在10～20 m之间，网络信号也比较稳定，不过传输速率有所下降；在20～30 m之间出现了信号不稳定，而且出现传输过程偶尔中断的现象，传输速率大幅下降，图像失帧严重。在35 m以外的距离，检测不到信号，或是偶尔检测到信号，图像数据传输基本处于中断状态。从整个图像采集传输的测试效果看来，在有限的范围之内，图像数据的采集与传输是可以实现的，速率也基本达到系统要求。

表2　图像传输性能测试

5　结束语

在以图像处理为核心的蔗糖结晶过程控制系统理论中，构建基于嵌入式的图像无线采集系统，该系统包括硬件和软件实现2个部分，通过系统测试的方式对比图像前端采集与无线传输效果，检测图像受传输距离的影响发生传输丢包和图像失帧的情况，从整个测试的结果看来，系统整体运行稳定、可靠，图像传输的速度、范围和质量基本满足要求。图像的可靠传输为后期的图像处理打下了坚实的基础，为图像特征提取后的系统自动控制提供了保障。

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（本篇责任编校：邓丹丹）

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

广西区教育厅自然科学资金资助项目（YB2014488、KY2015YB384）

潘泽锴（1984-），男，讲师，主要从事自动化煮糖、智能信息处理研究工作

引文格式：潘泽锴，卢勇威. 蔗糖结晶过程的图像无线采集系统设计［J］. 甘蔗糖业，2016（5）：24-28.