蔗糖結(jié)晶圖像無線采集處理系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制糖工藝中的煮糖結(jié)晶自動控制系統(tǒng)中的圖像采集裝置，屬于制糖自動化控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]煮糖是蔗糖制煉工藝過程中關(guān)鍵的一環(huán)，煮糖過程是蔗糖結(jié)晶的生產(chǎn)過程，而這個過程伴隨著非常復(fù)雜的物理和化學(xué)變化。這個過程本身受干擾因素很多，非線性變化較強(qiáng)，其內(nèi)部機(jī)理難以用一個準(zhǔn)確模型來描述。因此，一般的控制方法很難奏效，必須研究新技術(shù)、新方法，盡可能通過保持過飽和度和晶體含量的穩(wěn)定來保證蔗糖結(jié)晶質(zhì)量。
[0003]蔗糖結(jié)晶過程控制是國內(nèi)糖廠生產(chǎn)過程中自動化程度較低的工序。蔗糖結(jié)晶過程控制都是由現(xiàn)場監(jiān)控人員通過特別裝置抽取煮糖罐中的樣品，利用手、眼等感官，參照以前的經(jīng)驗推測結(jié)晶程度來控制閥門開關(guān)度完成整個煮糖工序，人為因素對白砂糖質(zhì)量影響十分明顯。
[0004]在工業(yè)自動化煮糖系統(tǒng)中引入基于圖像處理控制技術(shù)，可以很好規(guī)避人工判斷存在的誤差，把人為因素降到最低，亦加快了信息處理速度，突出人們需要的有用信息，有利于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化。而在此控制過程中，圖像始終是設(shè)計面對的最重要對象，圖像包含所有要提取的控制參數(shù)，采集圖像質(zhì)量直接影響到后期的數(shù)學(xué)建模和圖像處理的效果，所以實現(xiàn)符合圖像要求的圖像采集裝置尤為重要。
[0005]隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展、成熟，嵌入式處理芯片性能得到了不斷的提高，加上數(shù)字圖像處理技術(shù)推波助瀾，使得基于嵌入式的圖像采集與處理技術(shù)充滿無限的發(fā)展前景。但是針對制糖工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中還有一些技術(shù)瓶頸尚待解決，在實現(xiàn)這個工業(yè)過程自動化設(shè)計的同時還要考慮在工廠復(fù)雜環(huán)境中保持信息的快速、安全、連續(xù)傳輸，保持系統(tǒng)控制的實時性。因此，在原有設(shè)備部分實現(xiàn)生產(chǎn)自動化的基礎(chǔ)上，建立一種基于蔗糖結(jié)晶過程的圖像采集處理系統(tǒng)有其現(xiàn)實意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出一種蔗糖結(jié)晶過程的圖像無線采集處理系統(tǒng)，用于對煮糖過程蔗糖結(jié)晶情況的實時監(jiān)測，及時調(diào)節(jié)閥門開度控制煮糖結(jié)晶過程；另一個方面是采集到的圖像為后期圖像處理提取控制參數(shù)實時在線實現(xiàn)整個過程的自動控制。
[0007]為解決上述問題，本發(fā)明通過以下方式實現(xiàn):
一種蔗糖結(jié)晶圖像無線采集處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括圖像數(shù)據(jù)前端采集存取器模塊、嵌入式處理平臺模塊、無線傳輸模塊和工控機(jī)接收處理模塊。圖像數(shù)據(jù)前端采集存取模塊通過焊接的支架固定在蔗糖結(jié)晶罐上，CMOS攝像頭對準(zhǔn)觀察窗，觀察窗和CMOS攝像頭通過安裝在蔗糖結(jié)晶罐的隔熱玻璃分隔兩邊，補光燈安裝在阻隔保護(hù)裝置上，方向?qū)?zhǔn)觀察窗，圖像數(shù)據(jù)前端采集存取模塊、補光燈和USB無線網(wǎng)卡封閉在阻隔保護(hù)裝置內(nèi)部；嵌入式處理平臺模塊封閉于圖像數(shù)據(jù)前端采集存取模塊內(nèi)部，兩個USB無線網(wǎng)卡分別安裝在嵌入式處理平臺和工控機(jī)上，無線路由器放置在嵌入式處理平臺和工控機(jī)之間，兩個USB無線網(wǎng)卡和無線路由器組成無線傳輸模塊，工控機(jī)和液晶顯示器放置封閉房間內(nèi)。
[0008]所述圖像數(shù)據(jù)前端采集存取模塊包括嵌入式處理平臺和CMOS攝像頭兩部分，USB無線網(wǎng)卡通過嵌入式處理平臺擴(kuò)展的USB接口直接相連，嵌入式處理平臺和USB無線網(wǎng)卡封裝在隔熱裝置內(nèi)；CM0S攝像頭包括L形電路板和安裝在電路板上CMOS圖像傳感器，嵌入式處理平臺與電路板通過擴(kuò)展接口排線相連接，圓柱形鍍膜鏡頭套在CMOS圖像傳感器前面，整個電路板和鍍膜鏡頭封裝在塑料模具內(nèi)部。
[0009]所述工控機(jī)為具有Windows操作系統(tǒng)的工業(yè)計算機(jī)，安裝有圖像處理軟件；嵌入式處理平臺為具有嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式硬件裝置，配備液晶屏顯示，使用觸摸筆控制，并且安裝有USB軟件驅(qū)動、圖像采集控制和圖像處理軟件。
[0010]在系統(tǒng)整體運行過程中，圖像采集存儲模塊先通過CMOS圖像傳感器實現(xiàn)對蔗糖結(jié)晶圖像的獲取并且送嵌入式系統(tǒng)存儲；嵌入式處理平臺模塊負(fù)責(zé)對采集到的圖像進(jìn)行編碼、壓縮處理，并把處理好的信息送無線傳輸模塊；無線傳輸模塊利用組建好的無線網(wǎng)絡(luò)把嵌入式系統(tǒng)處理好的圖像通過無線的方式傳輸出去；工控機(jī)接收處理模塊負(fù)責(zé)把前端采集到的圖像接收保存，并且進(jìn)行圖像處理提取控制特征參數(shù)為自動控制系統(tǒng)提供依據(jù)。
[0011]在蔗糖結(jié)晶工序中，鍋爐內(nèi)的晶體在不停攪拌作用下，不停的依附在鍋爐壁的透明玻璃片上，COMS圖像傳感器將現(xiàn)場環(huán)境的蔗糖圖像信號經(jīng)相位放大、同步信號分離、亮度/色度信號分離和A/D變換等處理，轉(zhuǎn)換成以二進(jìn)制的數(shù)字信號輸出。數(shù)字信號流直接輸入到嵌入式處理平臺的圖像數(shù)據(jù)采集單元中，單元內(nèi)部將捕獲的圖像數(shù)據(jù)以DMA直接存儲器訪問方式傳輸?shù)絻?nèi)存中，通過液晶屏在平臺接口送液晶屏LCD顯示。在整個過程中，硬件層工作方式由應(yīng)用層操作界面發(fā)出，嵌入式處理平臺通過系統(tǒng)內(nèi)核互通相應(yīng)模塊控制參量，嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核在整個系統(tǒng)中起到中樞的作用。
[0012]鍋爐周圍在生產(chǎn)過程中溫度較高，圖像采集儀器外圍加裝相應(yīng)的隔熱裝置。要采集到質(zhì)量高的圖片，還應(yīng)對光源加以限制，除了增加光的強(qiáng)度以外，采用鍍膜鏡頭減少光線反射，提高圖像的亮度和對比度；調(diào)節(jié)鏡頭焦距能夠增加圖像清晰度，消除圖像模糊的現(xiàn)象。煮糖罐內(nèi)的蔗糖晶體在不同階段依附在鍋爐壁狀況是不一樣的，包括流速，濃度、溫度、粘度、純度和雜質(zhì)都可通過圖像體現(xiàn)出來，因此對不同時間的蔗糖圖像進(jìn)行處理，提取圖像特征值就可以為后續(xù)的自動化控制提供參數(shù)依據(jù)。
[0013]經(jīng)過處理的圖像已經(jīng)存放在與嵌入式處理平臺的內(nèi)存單元中，采用的USB無線傳輸模塊與設(shè)計好USB Device從設(shè)備接口和嵌入式處理平臺擴(kuò)展其USB Host主設(shè)備接口相連接，針對此接口開發(fā)驅(qū)動軟件支持可完成圖像數(shù)據(jù)的交互。除此之外，系統(tǒng)還要建立一個小型局域網(wǎng)做支持，使用無線路由器節(jié)點作為中轉(zhuǎn)，無線路由器在沒有連接之前可以設(shè)計好密碼保護(hù)，并改進(jìn)數(shù)據(jù)無線傳輸算法，提高無線傳輸?shù)乃俣群桶踩?，工控機(jī)帶有無線接收的模塊，只要無線模塊連接到嵌入式處理平臺，無線路由信號就會自動搜索到設(shè)備的連接，根據(jù)傳輸協(xié)議編寫相關(guān)的軟件支持即可以實現(xiàn)圖像的傳輸并保存。
[0014]本系統(tǒng)使用的無線模塊是以整體形式提供的，外部設(shè)計成接口接入的方式。在數(shù)據(jù)采集與發(fā)送中首先對寄存器做初始化設(shè)置，控制接口的數(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(yīng)用管理程序操作和配置無線網(wǎng)卡編程接口。完成網(wǎng)絡(luò)的連接后，在工控機(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。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:
本系統(tǒng)實現(xiàn)了基于嵌入式設(shè)備和CMOS圖像傳感器的嵌入式操作系統(tǒng)下的蔗糖圖像采集系統(tǒng)設(shè)計，圖像采集速度高，方便、快捷，設(shè)計的嵌入式圖像采集系統(tǒng)具有體積小、功耗低、運行速度快、采集的圖像質(zhì)量較好等特點，設(shè)計具有友好的人機(jī)交互界面，實現(xiàn)實時監(jiān)控、拍照、存儲等功能。通過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(jié)果看來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，圖像傳輸?shù)乃俾?、范圍和質(zhì)量符合后期圖像處理要求，系統(tǒng)圖像采集方便、快捷。圖像的可靠傳輸為后期的圖像處理打下了堅實的基礎(chǔ)，為圖像特征提取后的系統(tǒng)自動控制提供了保障，具有很好的實用價值。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)整體架構(gòu)圖，
圖2為本系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)前端采集存取器模塊示意圖，
圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)實現(xiàn)整體框圖，
圖4為蔗糖結(jié)晶圖像采集流程圖，
圖5為圖像無線傳輸系統(tǒng)軟件流程圖，
圖6為蔗糖結(jié)晶圖像處理流程圖。
[0017]圖中標(biāo)號:1.蔗糖結(jié)晶罐，2.CMOS攝像頭，3.支架，4.隔熱裝置，5.USB無線網(wǎng)卡，6.阻隔保護(hù)裝置，7.補光燈，8.隔熱玻璃，9.觀察窗，10.嵌入式處理平臺，
11.擴(kuò)展接口排線，12.電路板，13.CMOS圖像傳感器，14.鏡頭，15.塑料模具，16.液晶屏。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0019]如圖1所示，本發(fā)明的蔗糖結(jié)晶圖像無線采集處理系統(tǒng)，圖像采集模塊通過焊接的支架3固定在蔗糖結(jié)晶罐I上，在嵌入式處理平臺10的控制下，CMOS攝像頭2通過觀察窗9獲取罐內(nèi)蔗糖結(jié)晶的圖像，當(dāng)光線不足時，調(diào)節(jié)補光燈7獲取合適光源，從CMOS圖像傳感器13采集到的信號通過擴(kuò)展接口排線11送嵌入式處理器進(jìn)行編碼壓縮，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)，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速度可以滿足圖像的傳輸要求。整個系統(tǒng)中，圖像采集模塊負(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5，然后通過TCP通信方式傳到位于相對封閉房間內(nèi)的工控機(jī)上，圖片即可為圖像處理模塊備用。因為煮糖生產(chǎn)線上高溫、潮濕、電磁干擾和硫化氣體共存的惡劣環(huán)境，需要加裝阻隔保護(hù)裝置6保護(hù)內(nèi)部電路。
[0020]如圖3所示，在此過程中，通信單元使用USB無線網(wǎng)卡5，當(dāng)系統(tǒng)啟動時就自動進(jìn)行信號搜索，建立一條TCP/IP通信管道，工控機(jī)作為客戶端，嵌入式處理平臺10作為服務(wù)器端，工控機(jī)和USB無線網(wǎng)卡5都自己的固定IP地址，它們之間通過無線路由器(AP