无线图像采集系统（精选十篇）
无线图像采集系统 篇1
关键词：AVS协议,无线图像采集系统,工作效率
无线图像采集系统设计是一个整体性的集成式设计。通常一个完善的无线图像采集系统包括信息的协议标准、图像采集系统、视频采集技术、视频压缩算法等几部分组成。无线图像采集需要一个性能较好的图像采集系统, 还要采用较为先进的标准和科学的压缩算法, 最后还需要一系列的数字处理技术。通过不同环节的软硬件的支撑来对大量视频数据进行采集、处理、传输和控制。因此, 还要配置先进、适当的支持技术。
1 图像采集系统
一般现场图像采集系统的主要的运行程序包括采集现场的图像并数字化的传输到图像处理平台、储存这些数字化的图像数据以及后期对图像数据的修改、处理等。这个过程并不是一步一步的开始的, 有可能是同时在进行的。一般图像采集系统的包括硬件的摄像机、摄录机、图像传感器、图像采集卡、外接硬盘以及内存卡、cpu芯片以及无线网络等, 以及软件的数据库、电子数据存储加工和网络通讯等。
1.1 图像采集设备
图像采集系统毫无疑问最重要也是最基础的设备就是图像的采集设备, 通常是指摄像机。在现场图像采集系统中, 摄像机选用十分关键, 它直接决定了整个系统的图像效果。对于不同的图像采集系统的要求, 摄像机的选用情况也不同。针对不同的系统设计要求, 摄像机选用主要看摄像机使用环境和摄像机相关主要参数。不同的安装环境需要选择不同型号的性能的摄像机, 其具体的使用环境对摄像机的选择影响很大, 所以必须了解该摄像机的安装场合, 确定安装方。一般情况下摄像机的主要性能参数是清晰度和最低照度, 体现不同参数的摄像机的关键设备在于摄像头的不同。一些摄像机的变焦镜头为内置的形式, 这种摄像机一般适合一些使用环境大且多为动态的场合使用;当需要对现场的某些图像细节进行放大拍摄时, 需要使用枪式摄像机加电动变焦镜头。通常情况下摄像机的清晰度是由摄像机的内部光学元器件的复杂程度决定的, 内部光学器件越复杂则像素越高, 反映出来就是摄像效果越清晰, 清晰度指的是当摄像机摄取等间隔排列的黑白相间条纹时, 在屏幕上能够看到的最多线数。低于这个最大值则是清晰的, 一旦超过这一最大值时, 屏幕上就只能看到灰蒙蒙的一片, 就是不清晰的。通常比较常见的是分辨率700线的广播级摄像机以及分辨率在380~500线的工业监视用摄像机。
1.2 图像数据数字化设备
图像数据采集不仅包括图像的捕捉, 更多的是图像的数字化进程。一般主要采取强大的视频输入处理芯片。首先当摄像头输出模拟视频信号时使用视频解码芯片进行视频预处理通常常见的处理是钳位、放大、A/D转换、同步分离等, 处理后的数据输出图像数字信号由芯片进行解码输出。
2 视频采集技术
视频采集技术主要是由视频采集方法和播放系统的设计组成。图像采集目前比较成熟的方式是通过视频采集卡所附带的二次软件开发包SDK (Softwaredevelopmentkit) 进行二次处理。由于sdk附带了一些处理工具, 所以这种方式的优点是应用方便, 上手容易、容易定制, 方便满足各种视频应用程序的开发需求。
目前, 比较成熟的视频采集方式是微软的Direct Show技术。Direct Show与Direct X开发包一起发布, 是微软公司提供的一套在Windows平台上进行流媒体处理的开发包。由于windows平台的普及, 主流的视频采集技术主要通过Direct Show。这种方法的主要优点是支持从WDM及VFW驱动模型的采集卡上抓取图像数据, 经过软件的编码和处理, 可以使得电子化的图像数据直接进行相应的后期制作以及存储转移, 并且Direct Show广泛地支持各种媒体格式, 包括各种流媒体的文件格式如Mpeg、Asf、Avi、rmvb、Dv、Wma、Wave、Mp3、Mp4等, 这种处理的图像处理可以直接回放, 而不需要做复杂的处理。
3 音视频编解码标准
3.1 视频压缩
随着摄像设备的不断进化, 视频图像也越来越清晰, 视频信息的数据占用空间也越来越大, 高分辨率、高帧频的视频传输问题也越来越复杂。通常针对较大的高清图像数据采用视频压缩的方式来进行处理, 压缩后的数据, 既不影响图像的质量同时缩小视频数据占用的空间, 去除视频中的冗余信息, 提高较大图像数据的传输和处理效率。最常见的图像压缩设计是基于视频压缩管理器 (VCM) 的视频压缩技术, 其主要的工作流程如下图所示。
3.2 视频编解码
国际上目前比较主流的音视频编解码标准是:一是由ISO/IECJTC1制定的MPEG系列标准;另一个是由ITU针对多媒体通信而制定的H.26x系列视频编码标准和G.7系列音频编码标准。随着通信的变革和计算机处理技术的发展, 音视频编码压缩的标准也越来越先进, 数据所占的空间越来越小, 但是传输的数据质量却越来越好。因此, 经过十几年的演变, 音视频编码技术发生了巨大的变化, 产生很多不同的信源编码标准。第一代的信源标准是MPEG-2, 第二代的信源标准主要有MPEG-4、MPEG-4AVC、AVS。第二代标准的编码效率比第一代有显著的增加, 基本上二代标准的编码效率高于一代标准2倍以上。AVS是我国拥有自主知识产权的第二代信源编码标准, 是一套包含了系统、视频、音频、媒体版权管理等在内的完整编码标准体系。这套标准技术方案简洁, 硬件实现较简单, 堪称第二代标准的最高水平。另外, AVS编码标准还通过了简洁的一站式许可政策, 获得了专利许可, 是一种比较开放的技术标准。
目前, 我国拥有该项二代信源标准的独立知识产权。因此, 在现场无线图像采集系统设计上一般推荐使用AVS协议。
参考文献
[1]崔业梅.基于嵌入式系统的图像采集系统[J].长沙航空职业技术学院学报, 2011 (1) .
无线图像采集系统 篇2
存储式抽油机井多参数无线采集系统的设计
针对目前大庆油田普遍使用的常规采集方式的`缺点,提出了新的抽油机井地面参数多点存储式无线采集技术.该技术在不增加劳动强度的同时能有效地提高采油井各种工作状态参数的实时综合检测及控制水平,及时发现设备隐患及故障.并以采集抽油机井上的油压、井口温度、电流、载荷和位移(示功图)为例,详细地论述了该技术的可行性.
作 者：白建平韩亚彬 赵一姝 BAI Jian-ping HAN Ya-bin ZHAO Yi-shu 作者单位：白建平,赵一姝,BAI Jian-ping,ZHAO Yi-shu(重庆科技学院,重庆,400042)韩亚彬,HAN Ya-bin(大庆油田采油六厂,黑龙江,大庆,163114)
刊 名：重庆工学院学报（自然科学版） ISTIC英文刊名：JOURNAL OF CHONGQING INSTITUTE OF TECHNOLOGY 年，卷(期)： 22(7) 分类号：P631.8+3 关键词：抽油机井 存储 多参数 无线采集系统无线图像采集系统 篇3
关键词：彩信模塊 GPRS STC89C516RD LM317
中图分类号：TP36 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）010-065-02
1 引言
传统的野外信息采集设备，电能供应不足，系统智能化较低，真正实现无人管理采集的设备十分稀缺。本文采用现代化的手段，应用信息技术，计算机技术，人工智能等技术，基于GPRS彩信模块建立起全自动的野外信息采集系统，可以实现野外持续供电，进行图像信息采集等功能。
2 系统设计
2.1 系统整体方案设计
基于GPRS彩信模块的野外图像信息采集系统涉及到人机交互、无线数据传输等，系统总体方案如图1所示。
整个系统由单片机最小控制系统、电源模块、信息采集及传输模块、人机交互模块等组成。上电后，可根据之前设定参数继续运行，也可人工设置采集间隔及工作时间。为了使该系统可以定时采集，程序中设计中断子程序，到达指定时间后由I/O口发送触发信号。
2.2 数据类型选择
要实现自动采集，控制系统需要实时监测变量的变化，并将其数据通过见机交互界面反馈至用户。
2.2.1 特征参数设置
该系统在工作时需要根据参数来决定运行状态，从而实现自动采集的功能。
特征状态包括如下参数：
工作天数，系统自人工设置后工作天数；
工作小时数，系统自人工设置后工作小时数；
工作分钟数，系统自人工设置后工作分钟数；
工作秒钟数，系统自人工设置后工作秒钟数；
无线图像采集系统 篇4
近年来,随着计算机、网络及通信技术的迅猛发展,无线远距离视频监控已成为一种趋势,传统的模拟视频监控技术正在逐步向数字化、网络化、智能化发展[1]。
模拟监控系统的配置比较简单,视频不用压缩,但是有信息量大、检索麻烦、无法远距离传输、维护不方便、录像媒体易损耗、附加功能不方便等缺点。数字监控的图像都是经过压缩,所以一般信息量都比模拟的信息量小很多,适合长时间录像和存储,降低存储设备的费用,而且适合计算机管理,结合计算机高速运算的特性,可以容易地进行图像检索。数字视频由于不存在信号随距离衰减的问题,所以在无线监控中占尽优势,同时由于其安装方便、灵活性强、性价比高等特性使得更多行业的监控系统采用无线监控方式。基于这些优点,笔者设计了基于ARM9的USB摄像头图像采集压缩及无线传输。
1 系统原理及硬件构成
1.1 设计思想及工作原理
本文是以ARM9[2]嵌入式芯片为内核,在嵌入式Lin ux[3,4]的系统平台下,通过USB摄像头采集图像信息[5],然后对所得数据依照JPEG的先进编码标准进行压缩编码,然后通过射频技术,利用2.4G无线收发芯片n RF24L01进行远距离无线通信,然后在另一相同系统下,对所得数据进行解码,同时显示在3.5 in液晶显示屏上,从而实现无线远程视频监控。
1.2 系统硬件结构
视频采集与发射模块硬件平台功能框图如图1所示。
视频接收与显示模块如图2所示。
基于视频高速采集、压缩、传输的考虑,本系统采用三星公司的S3C2440A处理器,主频为400 MHz,最高可达533 MHz。片上64 Mbyte SDRAM,32位数据总线。64Mbyte NAND Flash和2 Mbyte片上NOR Flash。USB摄像头为普通视频摄像头。按键模块为4个独立按键,当按键按下时,连接的引脚为低电平。
2 系统软件构成
本系统软件可分为图像采集模块、数据收发模块、图像显示模块,系统框图如图3所示。
2.1 Frame Buffer简介
Frame Buffer是出现在2.2.xx内核当中的一种驱动程序接口。
Linux工作在保护模式下,所以用户态进程是无法像DOS那样使用显卡BIOS里提供的中断调用来实现直接写屏,Linux抽象出Frame Buffer这个设备来供用户态进程实现直接写屏。Frame Buffer机制模仿显卡的功能,将显卡硬件结构抽象掉,可以通过Frame Buffer的读写直接对显存进行操作。用户可以将Frame Buffer看成是显示内存的一个映像,将其映射到进程地址空间之后,就可以直接进行读写操作,而写操作可以立即反映在屏幕上。这种操作是抽象的、统一的。用户不必关心物理显存的位置、换页机制等具体细节。这些都是由Frame Buffer设备驱动来完成的。
2.2 嵌入式Linux内核裁剪
本系统采用Linux2.6.29内核[3]。由于显示系统要将采集到的图像数据显示于显示屏上,因此要将FrameBuffer编译进系统内核,否则不会出现/dev/fb0设备文件。选择Device Driver->Graphics support->Console display driver support->Framebuffer Console support即可。
在Linux下要采集视频类数据,需要加载Video4Linux驱动模块Videodev.o。然后再加相应的摄像头驱动程序在定制操作系统时,可将万能USB摄像头驱动添加进内核。选择Device Drivers->Multimedia devices->Video capture adapters->V4L USB devices->GSPCA based webcams即可。GSPCA是一个法国程序员在业余时间制作的一个万能USB摄像头驱动程序,可以选择所有类型USB摄像头的支持[6]。
2.3 图像采集模块
系统使用Video for Linux Two[7]进行图像采集,主要包括初始化、同步、读取数据等3个部分,如图4所示。
1)初始化。首先是使用open函数打开视频设备文件,是独占的可读模式。然后使用Video for Linux接口函数设置视频设备的数据通道,设置视频数据传输的模式,可选的有NSTC或者PAL等。为了方便读取图像数据,使用mmap函数建立内存映射,在应用程序中直接读取图像数据。最后就是设置要捕捉的图片大小,即分辨力。
2)同步。等待一帧视频数据采集完毕后才能读取数据,否则将出现错误,同时还可以对帧号进行操作。
3)读取数据。本文使用的微摄像头传输过来的图片已经是JPEG编码格式。
2.4 图像显示模块
图像的显示可以采取两种方式:一是将图像数据直接写入Frame Buffer,二是采用其他软件对图像信息读取并处理。
由摄像头采集到的图像文件已经压缩为JPEG格式,采用RGB编码,因此若要采用第一种方式显示,必须将其转换为位图。本系统通过Qt编写图像显示程序[8,9]。图像显示模块流程图如图5所示。
3 系统调试
本系统采用了模块化的设计思路,以简化系统的开发及调试。
3.1 目标板操作系统调试
系统搭建好后,应进入dev目录下,查看是否有fb0文件,有则表示成功添加进Frame Buffer。然后将USB摄像头插入设备,查看此时dev目录下是否有vedio0文件。使用到的命令如下:
本机调试时,使用Windows自带的超级终端工具与目标板连接,通过在终端输入相关命令来对目标板进行操作。超级终端的设置具有简单、方便、易操作的优点,如图6和图7所示。
3.2 图像采集与显示模块调试
为便于展示,本系统将图像采集与显示模块一起调试,并将摄像头的设备信息输出到程序所在目录下的dev Cap Image文件中。经测试,dev Cap Image文件内容如下:
摄像头采集到的单帧320×240的图像为30 kbyte左右,效果如图8所示。
3.3 系统联机调试
程序运行,图像采集端开始采集图像数据,并通过无线模块发射。接收端在接收到图像数据后,将其存储为JPEG图片格式文件,然后通过显示模块进行显示。
由于图像采集、无线传输延时、显示速度的限制,接收端的图像有较明显的闪烁。采集的视频无法在此展示,截图如图9和图10所示。
4 小结
4.1 系统优缺点分析
4.1.1 系统的优点
用稳定且易裁剪、易移植的Linux系统,提高了系统的稳定性、可移植性,十分适合嵌入式应用领域。与VxWorks相比,Linux可以支持更多的硬件设备,便于开发维护,且成本低廉[9];与Windows CE相比,Linux可以自己手工定制,更小巧、灵活;与u C/OS-II相比,Linux在开发难度上少很多。
使用Qt开发图像显示界面,界面灵活美观,且实时性较好。与直接使用Frame Buffer的方式相比,使用Qt无须对采集到的图像格式进行手动转换。
4.1.2 系统的缺点
接收端目标板在接收到图像数据后,首先将其以文件形式存放在设备上,然后显示程序再将其读出显示在LCD上,因此增加了延时。
4.2 系统改进思路
在接收端,当接收到图像数据时,直接将其显示在屏幕上,而省掉中间的存放环节,可显著减小显示延时,使视频更加流畅,并提高系统的实时性能,或者不采用Qt开发图像显示模块,而是将图像信息直接写入FrameBuffer中,也可提高实时性,但需要对图像格式进行适当转换。在Qt中使用多线程和双缓冲技术,可减弱视频的闪烁程度。
参考文献
[1]郑世宝.智能视频监控技术与应用[J].电视技术,2009,33(1):94-96.
[2]三恒星科技编著.ARM9原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2008.
[3]RUBINI Alessandro.Linux设备驱动程序[M].北京:中国电力出版社,2002.
[4]刘淼.嵌入式系统接口设计与Linux驱动程序开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.
[5]胡建华,罗庆生.S3C44BOX系统实用功能的扩展与提升[J].单片机与嵌入式系统应用,2007(9):30-32.
[6]广州友善之臂计算机科技有限公司.mini2440用户手册[EB/OL].[2009-07-19].http://www.arm9.net/.
[7]SCHIMEK M H,DRIKS Bill,VERKUIL H,et al.Video for LinuxTwo API Specification Revision 0.24[EB/OL].[2010-01-20].http://download.csdn.net/source/2850687.
[8]BLANCHETE J,SUMMERFIELD M,闫锋欣,等.C++GUIProgramming with Qt4[M].2版.北京:电子工业出版社,2010.
无线图像采集系统 篇5
【关键词】无线网络 数据采集 运输系统 设计
一、网络处理器的选型
文章所选用的这种处理器主要为STM32处理器，该处理器是32位Cortex-M3 RISC的CPU，根据片上外设资源的数量、资源以及片内RAM容量与Flash的不同，该处理器主要分为两种系列，即STM32F103xx与STM32F101xx。STM32处理器的内部有CPU高速总线AHB与两条APB总线连接，而这也使得处理器系统与片上外设相联，其内部系统总线为AHB结构。此外，在处理器内部还连接了存储器、时钟以及CPU等。
选用STM32处理器的优点在于：第一，先进的内核结构。STM32采用了ARM公司最新研发的Cortex—M3内核构架。第二，可控制其功耗。在Flash中，代码全速运行为72MHz，在此时所消耗的电流计仅为27mA，而在待机的状态下，其耗电值仅为2uA。同时该芯片还具有三种以上的低功耗模式，其外设时钟控制模式也非常的灵活，使用者可按照其具体节能需求优化配置耗电/性能。第三，片上外设性能强大。APB高速灵活，其运行速度可和CPU运行频率相一致，连接至总线上的这些外设自身运行速度和功能较强，满足不同接口的运行速率。第四，整合集成。STM32处理器实现了系统的集成，在一定程度上减少了对于外设器件的一些速度要求。
二、USART接口和配置
串口作为软件开发的一种重要调试手段，其作用是非常大的，在调试时，可用于查看与输入有关的信息。STM32串口的功能非常的丰富，可提供5路串口，具备DMA功能。下面文章就和串口基本配置有关的寄存器进行简要的介绍：第一，串口时钟主要是由外设时钟使能寄存器来控制的。第二，当外设发生异常时，可通过复位寄存器内所对应的位置，实现该外设的复位，接着再重新进行该外设的配置，以此使其能够重新工作。第三，每一个串口均有属于自己且独立的一个波特率寄存器，通过该寄存器的设置可实现不同波特率的配置。第四，在STM32每一个串口均有三个不同的控制寄存器，串口的很多配置均是由这三个寄存器来进行设置的。在本文设计中，只需用其中一个就可实现其所需功能。第五，数据的发送和接收。STM32的接收以及发送均是通过数据寄存器来实现的，该寄存器包含了RDR与TDR。当对该寄存器写数据时，其串口就会自动进行发送，在接收到数据后，存储与该寄存器中。
三、处理器SPI接口和设置
SPI是一种速度快、同步且全雙工的通信接口总线，所提供的连接机制也较为方便，自身的功能较为强大，适用于不同软件系统。该系统分为主设备与从设备两种，为了便于和不同时序要求外设交换信息，SPI总线制定了四种工作模式。在本文中，所采用的是STM32的SPI主模式。其配置步骤主要如下：第一，进行相关引脚复用功能的配置；第二，SPI工作模式的设置，并将其启动，在启动以后，就可进行SPI通讯。
四、无线传感器网关设计
（一）系统方案的设计
本文所设计的这种无线数据采集系统的结构主要包括两个方面的内容，即无线传感器网关与无线传感器节点。无线接受模块主要负责传感器节点所传数据的接收，接着再由STM32微处理器来进行处理，再利用以太网卡ENC28J60将处理后的数据传输到网络上位机，最后由上位机中的监测软件来完成其接收工作以及显示工作。在本文设计中，其网关设计在应用层上协议转换器中。
（二）上位机监测软件的设计
为了实现无线网络数据的采集和传输，本文所设计的这一系统采用了VC++6.0，在TCP的基础上，利用WinSock技术进行流套接字接口的连接，并和无线传感器网关连接，将多点无线传感器所产生的信号转换成为波形显示，最后将其存储，以此为下一步数据的显示、采集以及反馈等提供相应的技术平台。
在设计上位机时，由于嵌入式以太网这一服务器所发送至网络的数据包括了采集的数据以及无线传感器地址信息。因此，在上位机程序中，应区别数据与地址，把不同地址传感器所产生的数据放于不同缓冲队列进行保存，该程序可实现三个功能：第一，构建和传感器网关之间的网络连接；第二，数据的显示；第三数据的存储。
连接原理为：应该将程序初始化，并对其函数进行进行相应地调整，其次进行套接字的创建，将连接打开，并接受数据，最后再构建一个文本文件，将无线采集到的数据存储到制定的目录中去，利用相关的绘图插件把数据用波形图的方式显示出来，在完成通信后，可调用Close函数将这次连接关闭。
五、结束语
综上所述，该数据采集和传输系统分别在射频导纳液位计测量与温度测量中进行了应用，从其监测结果来看，其数据融合和远程传输的效果均为良好。目前关于这方面内容的研究还处于一种初级阶段，望通过本文内容的阐述，为其以后的发展和研究提供相应的依据。
参考文献：
[1] 骆东松，李琼.基于GPRS的环保数据采集传输系统的研究与设计[J].工业仪表与自动化装置，2011，（2）：22-25.
[2] 付金勇，郭爱文.基于ZigBee网络与GPRS的数据采集传输系统设计[J].电子设计工程，2011，19（14）：163-165.
[3] 高美珍.FC-201在无线数据传输系统中的应用设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011，11（9）：77-78，81.
井下胶带接头图像采集系统设计 篇6
井下运输胶带承担着煤矿的运输任务, 胶带断裂会造成很大的经济损失, 严重时将导致重大安全事故。由于胶带断裂或故障多发生在胶带接头处, 因此, 及时排除胶带接头可能出现的撕裂、脱扣等隐患, 保证胶带的安全运行十分重要。
目前, 煤矿针对胶带接头隐患的主要检测方法有钢芯胶带接头断裂在线检测仪[1]以及强力输送带横向断裂预警装置[2]。钢芯胶带接头断裂在线检测仪采用在胶带接头前后预埋橡胶磁块的方法, 通过霍尔传感器检测橡胶磁块产生的脉冲信号, 单片机采集该信号并进行计算分析, 实现实时监测和预警, 但该方法需要预埋橡胶磁块, 对胶带有小范围内的损伤, 容易缩短胶带的服务年限;强力输送带横向断裂预警装置采用X光射线源使X光射线穿过胶带并照射到X光射线接收板上, 获取胶带热硫化接头处的钢芯映射图像, 通过分析图像信息, 实现对胶带接头的监测和预警, 但该方法使现场工作人员易受到X光射线辐射, 对身体健康有一定危害。除此之外, 国内大多数煤矿仍采用人工肉眼观察的方法, 该方法工作量大, 而且容易造成漏检、误判。针对上述几种方法存在的缺陷, 设计了一种用于监测井下胶带接头的图像采集系统, 系统能准确检测出存在隐患的胶带接头并进行预警提示, 实时提醒现场工作人员及时更换胶带接头, 保证胶带安全、可靠运行。
1 系统硬件组成及设计
井下胶带接头图像采集系统由图像采集和图像传输2个部分组成, 如图1所示。
1.1 图像采集设计
1.1.1 电感式接近开关
电感式接近开关与运输胶带处于非接触状态, 能准确检测到金属接头, 并将信息反馈给检测分站, 具有抗干扰能力强、使用寿命长的优点。为滤除偶发性干扰信号, 采用3个电感式接近开关同时检测的方法, 增加了系统的可靠性。3个电感式接近开关等间隔水平安装于振动较小的胶带上方 (2个改向滚筒之间) , 该安装方法能避免因电感式接近开关与胶带接触而造成的磨损。在运输胶带反面选择一个胶带接头, 在其前方涂上黄色荧光漆, 宽约5cm, 成矩形状, 作为1号胶带接头的标志。监控主机分析采集的图像信息, 图像中含有此标志的, 判断为1号胶带接头, 并依次计算出各胶带接头编号。
胶带运行过程中, 每个电感式接近开关检测到金属胶带接头时产生1个脉冲信号。当检测分站同时采集到2个以上的脉冲信号时, 判断为胶带接头即将到来, 此时, 检测分站控制数字摄像机以12~15fps的速度抓拍胶带接头处的图像。在保证采集到胶带接头图像的前提下, 此方式最大限度地减少了数据的采集量, 降低了井下环网的数据流负载。
1.1.2 速度传感器
速度传感器可实时检测胶带运行速度, 监控主机可根据检测结果修正图像采集速度。速度传感器与胶带面滚动摩擦接触, 减少了与胶带面的磨损。在速度传感器信号输出端与供电电源之间上拉一个10kΩ的电阻, 可输出200~1 000Hz的频率信号, 对应0~6m/s的胶带运行速度。200 Hz频率是胶带速度为零时的输出, 可作为判断速度传感器是否正常运行的标准。当速度传感器输出频率信号低于200Hz时, 可判断信号线断开或速度传感器损坏, 增强了系统的自检测能力[3]。
1.1.3 数字摄像机
数字摄像机可在检测分站的控制下抓拍胶带图像, 图像分辨率为1 392×1 040, 最大帧率可达15fps, 可编程设置曝光时间为20μs~60ms, 支持百兆以太网。选用空间分辨率为120lp/mm, 焦距为5mm的镜头, 拍摄范围能覆盖1.2m宽的胶带接头。
数字摄像机有3种图像采集方式:连续采集、触发采集、单张采集。该系统采用触发采集方式, 相比连续采集方式 (数字摄像机不间断地采集胶带图像) , 该方式只在电感式接近开关检测到金属接头时, 才连续2s采集胶带接头处的图像, 大大减少了采集图像的数据量, 也减轻了监控主机处理图像数据的负担。胶带接头撕裂、脱扣等情况发生时, 胶带正反面断裂程度相差不大, 但胶带正面煤渣较多, 易对抓拍的图像造成干扰, 因此, 该系统选择拍摄运输胶带的反面图像。在带式输送机机头处, 改向滚筒将胶带面翻转 (反面向上) , 数字摄像机镜头正好向下拍摄胶带反面, 同时可防止煤渣掉落遮挡镜头。
1.1.4 检测分站
检测分站可显示当前所采集胶带接头的编号、胶带实时速度以及时间等信息, 同时可在检测出胶带接头隐患时进行声光报警。检测分站主要包括检测模块、数字摄像机控制模块、电源模块、CPU模块、通信模块、显示模块以及声光报警模块[4], 结构如图2所示。检测分站的CPU选用STM32F103VET6。
(1) 检测模块。检测模块包括电感式接近开关和速度传感器2个部分。检测分站CPU获取电感式接近开关以及速度传感器的信号时, 都采用光耦进行隔离处理。
(2) 数字摄像机控制模块。检测分站与数字摄像机的距离较远, 选用12V的电压信号增加其驱动能力, 并采用光耦对电压信号的电平进行转换。
(3) 通信模块。设计的通信电路需完成检测分站与监控主机之间的数据交换, 通信的信息吞吐量不高, 因此, 采用在工业领域广泛应用的RS485通信接口。
设计选用具有瞬变电压抑制功能的差分收发器SN75LBC184作为RS485的驱动接口芯片。采用3个高速光耦6N137分别对RS485的接收、发送信号以及接收/发送控制信号进行隔离, 提高了通信的可靠性[5]。
(4) 电源模块。设计了3个等级的直流电压:12, 5, 3.3V。本系统采用本安电源将AC127V转换为DC12V, 直接为电感式接近开关、速度传感器以及数字摄像机供电。DC12V经过7805转换为DC5V, 为检测分站的显示模块、声光报警模块供电;采用DC-DC电源模块B0505S-1W对DC5 V电源隔离后, 为通信模块供电。DC5 V电源经过AMS1117-33转换为DC3.3V, 为CPU供电。
(5) 显示模块。为简化设计, 显示模块采用串行接口的专用LED智能芯片HD7279来驱动LED数码管。HD7279外接6个LED数码管动态显示胶带接头信息。
(6) 声光报警模块。声光报警模块是检测分站的一个重要部分, 其采用双路光电继电器AQW214驱动报警。通过图像分析, 监控主机检测到胶带接头存在隐患时, 检测分站接收到故障信息后进行声光报警。现场工作人员可通过观察显示模块确定存在隐患的胶带接头编号, 便于查找、更换胶带接头。
1.2 图像传输设计
1.2.1 光端机
系统选用光端机完成图像信号和RS485信号的调制与解调[6]。系统在图像采集处和井下环网接入点各安装一个光端机, 井下图像采集处的数字摄像机将采集的RAW8格式的图像数据转换成JPEG格式, 传输到1号光端机中。1号光端机把图像信号和RS485信号调制成单模单芯传输的光信号。该光信号远距离传输至位于井下环网接入点处的2号光端机中, 再被解调成图像信号和RS485信号。
1.2.2 以太网光电转换器
以太网光电转换器能把图像信号调制成单模双芯传输的光信号。由于现场百兆以太网图像接口为单模双芯接口, 因此, 2号光端机解调出的图像信号需经过光电转换器转换后, 接入到井下环网交换机中。2号光端机解调出的RS485信号则直接接入井下环网交换机的RS485模块, 利用井下环网将2类信号传输到井上的交换机中, 实现与监控主机的通信。
图像传输示意如图3所示。
2 监控主机软件设计
针对远程控制、图像显示以及信息记录等功能, 系统监控软件采用C++编程设计[7], 胶带接头监控界面如图4所示。
监控界面的菜单栏分为文件、历史图片、设置以及帮助4个部分。文件菜单用于选择图像打印、页面设置等功能;设置菜单用于更改数字摄像机的曝光时间、光圈以及增益等参数, 使采集的图像效果达到最佳, 也可选择数字摄像机的采集方式;历史图片菜单用于设置图像的保存路径以及图像的保存时间;帮助菜单用于查询软件说明。
监控界面的窗口分为当前图像、历史信息、信号检测分站以及故障信息4个部分。当前图像部分用于显示胶带接头图像;信号检测分站部分用于控制检测分站的开启/关闭以及时间设置等;历史信息与故障信息部分用于记录故障胶带接头编号以及故障状态等信息。
3 结语
井下胶带接头图像采集系统采用电感式接近开关与数字摄像机自动抓拍相结合的方法, 可实时监测胶带接头可能出现的撕裂、脱扣等隐患。系统具有安装方便、操作简单、维护量小等特点, 有效地提高了煤矿运输系统的安全可靠性, 减轻了胶带检修人员的工作量。该系统现已在山东能源集团某煤矿运行, 实际应用结果表明, 该系统能准确地检测出胶带接头隐患, 同时最大限度地减少了图像数据的采集量, 降低了井下环网的数据流负载。
参考文献
[1]殷勇辉, 范忠明, 梁骁, 等.钢绳芯输送带接头实时监测系统设计[J].煤炭科学技术, 2009, 37 (7) :90-92.
[2]荣锋, 苗长云, 徐伟.强力输送带X光无损检测仪的研制[J].光学精密工程, 2011, 19 (10) :2393-2401.
[3]赵勇, 胡涛.传感器与检测技术[M].北京:机械工业出版社, 2010:46-50.
[4]孙书鹰, 陈志佳, 寇超.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J].微计算机应用, 2010, 31 (12) :59-63.
[5]王新栋.煤矿绞车盘形闸安全监测报警系统[D].青岛:山东科技大学, 2006.
[6]刘富强.数字视频图像处理与通信[M].北京:机械工业出版社, 2010:78-80.
图像采集系统的研究与设计 篇7
无论是在道路两旁还是商店，公共场所等都离不开电子眼。在公路两旁可以帮助维护交通，在商店，公共场所可以保护人们的利益和安全。还有指纹识别、电子门禁等等这些都离不开电子眼。目前基于PC机的图像采集，系统功能强大，有成熟的技术及产品。但是这样的采集系统携带性差，很多场合下也不适合使用，给人们的生活带来很多不便。而且此系统的成本高，采集图像占用资源多。基于此本文设计了一种系统稳定可靠，成本低廉，携带方便，具有很强的现实意义和广泛的应用前景。
1 系统方案设计
本设计是通过采用MC9S12XS128单片机为主控芯片，主要是用OV7670摄像头、显示屏和存储器来构建图像采集和处理系统，以实现图像的采集、显示和缓存等功能。先以OV7670摄像头采集物体图像，然后采集数据被送至缓存区，最后通过MC9S12XS128控制将图像显示在LCD屏。还可以通过按键选择摄像和拍照。系统总体设计如图1所示。
2 硬件设计
硬件平台设计主要有3部分，分别为核心控制部分、图像采集部分、图像显示和缓存。平台构建以S12单片机为核心，搭建图像采集、显示和缓存电路，需要时添加必要的外围和扩展电路，使硬件具备扩展性，分考虑后续开发以适应小同的应用场所。如图2为系统的硬件平台框图[1]。
2.1 主控芯片选择
本系统采用飞思卡尔公司的MC9S12XS128单片机为主控芯片。飞思卡尔（FREESCALE）系列单片机成本低、性能高，配置灵活等。它采用哈佛结构和流水线指令结构，同时还提供多种集成模块和总线接U能够灵活地运用到不同的领域中，其中包括IIC总线模块，串行通信接U模块SCI，串行外围接口模块SPI,MSCAN08控制器模块，通用串行总线模块（USB/PS2）等[2]。
本系统主要用到的是该单片机的输入捕捉功能。其输入捕捉功能结构如图3所示。
2.2 图像采集模块
图像采集主要OV7670摄像头及缓存器构成，采集过程如下：先有摄像头采集到图像数据，在把图像数据通过控制器的控制存入缓存，为进一步的后续处理做好准备。由s12单片机通过I2C总线与OV7670摄像头连接。可以实现对OV7670摄像头的控制，简单易行[3]。
由于S12单片机只有8 KB的RAM，而采集一帧320×480的图像数据大概要154 KB并且工作频率也不能和摄像头的像素PCLK频率保持匹配，为解决上述问题，需采用一片FIFO先进先出存储器作缓存，本系统采用的是AverLogic公司推出的存储容量为3 MB的视频帧存储器AL422B[4]。
本系统采用OmniVision公司的CMOS图像传感器0V7670芯片采集图像。OV7670，体积小，工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB总线的控制，能够输入子采样、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影像数据，该产品VGA图像最高可以达到30 f/s，用户能够自己完全控制图像质量、数据格式和传输方式，图像处理功能过程包括伽玛曲线、饱和度、白平衡、色度等都可以通过SCCB接口编程。OmniVision图像传感器可以应用独有的传感器技术，通过减少甚至消除光学和电子缺陷，如固定图案噪声、托尼、浮散等，来提高图像质量，得到清晰稳定的彩色图像[5]。
2.3 OV7670、AL422B与单片机接口电路
SCL和SDA分别为SCCB协议的时钟线和数据线控制端。行同步信号和单片机一个GPIO口通过一个与非门来实现FIFO的写操作控制，由摄像头的PCLK像素同步信号实现FIFO的写时序控制，保证了数据写入的同步、正确；RE端直接接地，由GPIO口模拟RCK时序进行选择性的读操作。OV7670、AL422B与单片机接口电路如图4所示
2.4 图像显示
TFT型的液晶显示器的构成是有：导光板、偏光板、滤光板、背光管、薄模式晶体管、玻璃基板、配向膜和液晶材料等。在TFT型液晶显器中，是在导电玻璃上画上类似网状的细小线路，电极是由薄膜式晶体管所排列而形成的矩阵开关，在每个线路相交的地方都配有控制闸，各个显示点控制闸是配合驱动讯号作动。电极上之晶体管矩阵能够显示讯号开启或关闭液晶分子的电压，从而使液晶分子轴转向而成“暗”或“亮”的对比，这样就避免了显示器对电场效应的依靠，可以转换成以晶体管开启和关闭的速率作为决定步骤。也因此，TFT-LCD的显示质量较TN/STN更好，画面显示对比可达150∶1或以上，反应速度甚至逼近30 ms或者更快。LCD是由二层玻璃基板夹住液晶构成的，形成一个平行板的电容器，通过嵌入在下玻璃基板上的TFT可以对这个电容器和内置的存储电容充电。为了维持每幅图像，所需要的电压就要到下一幅图像更新才能变换。液晶的彩色由于都是透明的，所以必须给LCD衬以白色的背光板，才能将五颜六色表达出来，LCD实际上是通过自身的R,G,B彩色滤光片对背光源发出的光进行合成来实现彩色显示的，而要使白色的背光板有反射就需要在四周加上白色灯光。因此在TFT-LCD的底部都组合了灯具，如CCFL或LED。
当摄像头完成图像的采集后，通过控制器取出缓存在视频帧存储器AL422B的图像。上传给液晶显示器，液晶显示器高清显示图像，通过驱动芯片来驱动3.5寸液晶TS8002F显示器[6]。
本系统采用3.5寸液晶TS8002F，驱动芯片为SSD2119。选用8080接口16位数据传输方式，此时R6电阻需焊上。在8080接口模式下：LCD＿RS为数据/指令选择线（1：数据读写，0：命令读写），LCD＿CS为片选信号线（如果有多片组合，可有多条片选信号线）。LCD＿WR为MCU向LCD写入数据控制线。LCD＿RD为MPU从LCD读入数据控制线，LCD＿RST为复位控制线。LCD与单片机接口设计如图5所示。
2.5 电源电路模块
系统供电电源为5 V,CPU和FIFO、液晶供电电源都为3.3 V，液晶背光电源为12 V，所以需要进行必要的电源转换；OV7670需要2.8 V供电，用3.3 V电源串接一个二极管IN4007提供。系统电源电路的设计电路如图6～图8所示。
MC34063包含了DC/DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路，由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R-S触发器和大电流输出开关电路等组成。此升压电路的工作原理简述如下：当芯片内部开关管导通时，电源经取样电阻R3和1、3管脚接地，此时电感L1开始存储能量，而由C5对负载提供能量。当开关管断开时，电源和电厂同时给负载和电容C5提供能量。电感释放能量期间内，电感两端的电动势极性与电源极性是相同的，是相当于两个电源串联，因而负载上得到的电压是高于电源电压的。开关管导通与关断的频率可以称为芯片的工作频率。只要这个频率相对负载的时间常数足够高，负载上便可以获得连续的直流电压。由C4决定工作频率，调节电位器R1，使输出电压为12 V。
2.6 串口模
本系统要求单片机与PC进行通信，即把采集到的数据发往上位机，而且要多次用串口进行调试工作。所以串口电路必不可少，连接电路如图9所示。
2.7 按键电路模块
利用两个按键进行系统工作方式选择，即拍照和摄像。分别接单片机的PT6和PT7口，连接电路如图10所示。
3 软件总体设计
利用软件达到对各硬件初始化，并且可以用LCD观察各初始化情况。利用按键选择摄像和拍照功能。
软件实现功能流程如图11所示。
4 结语
本文介绍了MC9S12单片机图像采集的结构。经过调试可以在LCD上清晰观察到捕捉的图像。本文的创新点在于：该系统有效地结合了MC9s12单片机低成本、高性能的优点，极大地降低了成本，非常适合安防监控，有广阔的市场前景。
摘要：该设计利用CMOS图像传感器的可编程特性,设计了以16位飞思卡尔单片机MC9S12XS128为主控芯片的数字图像采集与处理系统。由摄像头OV7670采集图像;FIFO帧存储器AL422B进行数据缓存,解决了单片机与OV7670之间速率的不同步问题;最后进行了硬件和软件设计,成功实现了摄像和拍照两个功能,并由3.5寸TFT液晶实时显示拍到的图像。该系统结构简单,通用性强,可方便地移植到各种类型的处理器,在本系统设计的基础上,配合适当的应用程序,可以广泛应用于摄像、监控、安防、识别等各个领域。
关键词：图像采集,S12单片机,OV7670摄像头,FIFO,TFT LCD
参考文献
[1]刘南平.电子产品设计与制作技术[M].北京:科学出版社,2008.
[2]何希才.传感器集成电路手册[M].北京:化学工业出版社,2004.
[3]张志伟,张灵,王爱乐,等.I2C总线原理及其通信的初步实现[J].机械制造文摘:焊接分册,2004(2):22-23.
[4]孙同景,陈桂友.16位单片机原理及嵌入式开发技术[M].北京:机械工业出版社,2008.
[5]孙挺,李众立.基于CMOS图像传感器OV5017的图像采集系统设计[J].微计算机信息,2004(4):78-81.
显微图像采集系统设计和标定 篇8
关键词：图像传感器,显微图像,几何参数测量
1绪论
显微镜主要是利用光学系统使被观察对象得到放大,可以帮助研究者从微观的角度去观察和了解研究对象的特征。显微镜自从发明问世以来,在人们生活和工作的各个方面都得到了非常广泛的应用,特别是在在医学、生物学等专业领域尤为明显。
随着科学技术的不断发展,信息社会的不断进步,人们对显微镜所能提供的信息标准要求也日益增高。显微镜的传统作用之一是作为检测工具,而这种传统检测手段的不足之处日趋凸显。具体主要表现在:传统显微镜由人眼观测,观测结果采用文字描述的方式进行记录,由此会产生人为的误差,也不利于工作者对研究对象的显微图像进行深入分析与研究。同时长时间分析大量图像时,很可能会产生自适应现象。近几年来,随着计算机、信息技术以及成像传感器技术专业的快速发展,图像获取和处理的相关技术也呈现蓬勃的发展趋势。一方面,研究人员可以更加方便地观察到显微图像;另一方面,图像处理分析软件可以提供多种多样的参数进行测量。与传统测量方法相比较,数字化显微测量技术彰显着其无可比拟的优越性。首先,新技术的应用在很大程度上提高了测量结果的精准度:通过计算机与不同功能的软件对图像进行综合处理,不仅极大地缩小了人眼直接读数等主观因素产生的误差,同时也降低了多次重复测量以及仪器设备本身所形成的误差;其次,数字化显微测量技术极大的扩展了测量范围:对众多不同尺寸的零件进行测量时,可以根据自己的需要,选择合适的放大镜头或缩小镜头。另外,由于测量系统本身的特性,显微测量技术极大地提高了测量过程的自动化程度,并且相应的实现了测量手段的非接触、高精准度、高效率和自动化。所以,近几年来数字化的显微测量技术已广泛地应用到众多的领域[1,2,3]。
2显微图像采集系统
本文所设计的显微图像采集系统结构如图1所示:
系统光源利用led环形灯。而led环形灯具有散发热量少、闪频小、光照均匀、亮度可调节,以及寿命周期长的优势与特点;采用的显微镜头和图像传感器均来自深圳宜兴科技有限公司,前者为该公司的YX15 系列大变倍比镜头,其主要参数:变倍比:15:1,光学倍数:0.13X-2X,物方视野:2.4mm-36mm,工作距离:55mm-285mm;后者为该公司的U-500C型USB图像传感器。所采用的光电传感器为Aptina公司生产MT9P031 型cmos传感器。主要技术参数如表1所示:
图像传感器与计算机通过USB连接,如图2所示。
3图像质量增强和处理
从CMOS传感器获取的图像不可以直接用于显微图像分析。尤其是在颜色方面进行分析时,其原因主要是在图像成像和感光的过程中,引入了较多的偏差。这些偏差因素包括有光学系统的瑕疵,感光芯片对照度的不同感光特性等。此外,光源对于图像成像质量也有较高的影响,即使获取图像内的各项参数合格,但是实际工作中要考虑到不同设备的不同空间需求时,仍然需要进行设备而无关空间的转换,该处理过程称为图像处理流程。具体处理流程如图3所示:
线性化:用数学方式处理暗电流与模数转换器等造成的误差,使感光器照射强度的输入和输出在一定范围内呈线性关系。去噪声:由电磁波或经电源引入的外部噪声,图像采集生成过程中的暗电流噪声,因器件制造工艺引起的光响应非均匀性,图像传输过程中涉及的各种器件引起的杂波噪声等,通过合适的算法,降低工作温度等方式来消除这些噪声。白平衡:利用AWB算法矫正外部光源色温引起的图像颜色失真。颜色插值:利用逐次逼近、双线性等插值算法计算得到像素点缺少的另外两个颜色分量。颜色校正:因图像采集系统、光源和显示器件的不同会引起颜色失真,利用矩阵法、人工神经网络法、多项式回归法等对图像进行颜色校正。GAMMA校正:用于去除人眼对亮度信号的非线性反应,保证显示设备显示的图像与原始图像相同,抵消CRT显示器使图像亮化的影响,利用颜色查找表来实现GAMMA校正。图像增强:利用灰度变换、空间滤波等增强图像的细节,使图像的灰度分布相对均匀,并增加图像对比度[5,6,7]。
4图像标定
显微图像分析与处理应用在生物学、医学等一些专业领域方面时,经常需要通过利用数字图像来了解观察目标的实际几何参数。这就要求明确在一定放大倍数下, 图像中像素间距与实际空间尺度数据之间的关系是如何相对应,即显微图像系统的尺度定标值。
显微图像系统中重要的技术指标之一就是尺度定标值。尺度定标值的多少将会直接影响到图像分析的结果。从理论上来说,在系统采样密度和放大倍数不变的情况下,尺度定标值是可以通过计算得到结果。但是在实际工作中图像采集系统都或多或少地存在几何畸变的可能性。因此,通过实验方法对系统进行精确定标是很有必要的。本文利用图像处理技术,对图2所示的显微镜图像采集系统进行了尺度定标。应用图4采集的间距0.5mm的显微标尺如图4所示:
对图4进行灰度化、二值化、分割、直线识别而得到各条坐标线的图像如图5所示[8]:
由图5 得到的各条垂直x轴的刻度线的像素点数值如表2所示:
由表2可以看出相邻的像素点值之差基本相等,表示图像处理过程合理。
设测微标尺的实际宽度为L,显微系统放大倍数为A,采样密度为Q,对应图像的长度为N(像素点数), 则系统定标值K可表示为:
K = L/N或者K = 1/(QA) …(1)
将表格2 的数据代入公式1 求得本系统的K=0.0054259mm/pixel。
5结论
本文主要通过描述利用CMOS作为图像传感器,对图像进行获取、校正和并分析的过程。根据显微镜成像原理和CMOS作为感光芯片的具体特点,制定出独特的图像处理流程,具体包括线性化、颜色矫正和白平衡等过程,从而获得更加真实准确的图像来作为进一步图像分析的素材,这为其他方面的研究和工作提供了更大的准确性保证。最后本文通过0.5mm的标准显微标尺的图像求解系统,求得反映显微图像真实距离和像素距离之间关系的定标系数K,为显微图像的几何参数测量奠定了基础。
参考文献
[1]窦江龙.基于CMOS传感器的显微图像处理分析系统设计[D].杭州:浙江大学,2012.
[2]蒋勇,刘飞雷,包红光.显微图像的数字图像处理及其在血细胞形态分析中的应用[J].中国图像图形学报,2001,6(11):1079-1083.
[3]余厚云,邓善熙,杨永跃,等.用Visual Basic 6.0编程实现显微图像测量[J].微计算机信息,2003(2).
[4]王耀南,李树涛,毛建旭.计算机图像处理与识别技术[M].北京:高等教育出版社,2001:138-144.
[5]邹翠霞.显微数字图像系统的尺度定标方法[J].大连:大连工业大学学报,2008.
[6]CASTIMANK R.数字图像处理[M].朱志刚,译.北京:电子工业出版社,2002:3-6.
[7]谷口庆治.数字图像处理[M].朱虹,廖学成,乐静,译.北京:科学出版社,2002:114-115.
无线温度采集系统节点设计 篇9
由于在局部的温度通常具有不一致性, 因此在检测环境温度时, 传统的单一测点测量温度的方法并不能够准确说明实际的温度信息。在同一环境中, 对多点进行温度测量, 能够有效解决这一问题, 使得温度测量更加准确。但是多点温度测量的温度测量点比较分散, 如果使用传统的有线布线方式的话, 则系统设计复杂, 十分麻烦。本论文设计了一种基于无线传输的温度采集系统, 采用了n RF9E5无线芯片, 主控芯片采用的是AT89S52单片机, 温度测量的传感器为DS18B20[1]。
本论文首先介绍系统整体设计方案, 然后分别简要介绍硬件电路设计以及部分软件程序设计。
2 系统方案
无线数据传输按照传输方式的不同, 可以分为:点对点、点对多点以及多点对多点。本论文所设计的系统由主控芯片51单片机、主接收器以及多个测量终端组成。每个测量终端都是通过无线传输模块n RF9E5传递数据, 进而形成无线传输的温度采集系统。系统框图如图1所示。
将相应的温度传感器分布在所要测量环境的不同位置, 就能够精确评估环境温度。然后再将这些测量得到的温度经过无线通信模块发送到主控芯片上, 主控芯片对数据进行处理和显示。
3 硬件电路设计
3.1 无线数据传输模块
n RF9E5具有和8051相互兼容的微控制器, 但是时序和指令都与其有些差别。n RF9E5与CPU的数据交换是通过串口来进行的。
n RF9E5和其他模块通信主要是通过自身内部的并行口和内部的SPI口。n RF9E5与n RF905等具有一样的功能。收发器在与微控制器进行数据交换的过程中, 主要是通过片内的SPI和并行口。在要传输通信的数据准备好之后, 就能够产生中断, 供微控制器使用。
3.2 温度测量电路
温度检测的方法有很多, 比如采用热电偶等。但是本论文采用的是DS18B20温度传感器。该温度传感器采用的是one-Wire总线, 即只采用一根信号线与单片机进行连接。该测温传感器能够测量零下55度到125摄氏度的温度范围, 同时分辨率能够达到0.5摄氏度。工作电压范围很宽, 一般为3.0至5.5V。
3.3 主控芯片
本论文设计的数据采集器使用的主控芯片是AT89S52单片机。MSC-51单片机是八位的非常实用的单片机。本论文所使用的AT89S52单片机就是基于这款单片机的。MSC-51单片机的基本架构被ATMEL公司购买, 继而在其基本内核的基础上加入了许多新的功能, 同时扩展了芯片的容量以及加入flash闪存等等。51内核的单片机具有很多优点, 因此无论是在工业上还是在一些电子产品上应用都很多。全球也有许多大公司对其进行扩展, 加入新的功能。即使是在今天, 51单片机仍然在控制系统中占据很大市场。
下面对本论文所使用的单片机作简要介绍。这款单片机具有最大能够支持的64K外部存储扩展, 同时还具有8K字节的Flash空间。该单片机具有4组I/O口, 分别是从P0到P3, 同时每组端口具有8个引脚。每个引脚除了能够作为普通的输入和输出端口外, 还具有其它功能, 也就是我们通常所说的引脚复用。其还具有断电保护、看门口、计时器和定时器。51单片机一般的工作电压是5V。
4 软件设计
4.1 通信协议
本系统为单点对多点的无线通信, 主接收器在可靠通信范围内分别与每个数据终端通信。主接收器与每个数据终端都有一个唯一的地址, 因此在通信过程中必须明确接收方的地址。系统通信协议定制如表1所示。
4.2 温度测量程序
本论文采用的温度传感器是one-wire总线的器件, 与主控芯片进行一根数据线连接, 就能够同时实现数据和时钟信号的双向传输。但是这样就要求主控芯片的时序必须具有严格的要求。在出厂之前, 每个器件的ROM上都光刻上64位的编码, 这个编码地址序列是唯一的, 我们可以通过这个编码地址序列来进行多点的组网。但是本论文所设计的温度采集系统, 在每一个结点只是用一个温度传感器, 因此在程序中并不需要读取其ROM编码。
5 总结
在实际的温度测量过程中, 测量单点的温度往往并不能够准确反映实际温度信息, 需要对同一环境进行多次测量, 同时要对多个温度节点进行测量。但是多点温度测量的温度测量点比较分散, 如果使用传统的有线布线方式的话, 则系统设计复杂, 十分麻烦。本论文设计了一种基于无线传输的温度采集系统, 采用了n RF9E5无线芯片, 主控芯片采用的是AT89S52单片机, 温度测量的传感器为DS18B20。本论文首先介绍系统整体设计方案, 然后分别简要介绍硬件电路设计以及部分软件程序设计。
参考文献
[1]马祖长, 孙怡宁, 梅涛.无线传感器网络综述[J].北京:通信学报, 2004, 25 (4) :15-17.
[2]郑启忠, 耿四军, 朱宏辉.射频SoCnRF9E5及无线数据传输系统的实现[J].单片机与嵌入式系统应用, 2004 (8) :51-54.
[3]季一锦, 尹明德.一种基于nRF9E5的无线监测局域网系统的设计[J].国外电子元器件, 2004, (12) :22-25.
温度采集无线传输系统设计 篇10
本文采用STC89C52单片机作为系统控制器, 使用DS18B20温度传感器进行温度采集, 利用Nordic公司推出的NRF24L01无线通信芯片进行无线传输[2], 接收系统利用NRF24L01进行无线接收, 接收数据经STC89C52单片机发送到LCD1602液晶屏上显示, 同时通过RS232串口发送到PC机进行存储, 便于日后查询。
1 系统硬件设计
本文设计的温度采集无线传输系统包括数据采集发送系统和数据接收系统, 数据采集发送系统由温度传感器、时钟芯片、单片机、无线发送模块NRF24L01及天线组成, 系统结构如图1所示。数据接收系统由天线、无线接收模块NRF24L01、单片机、液晶显示屏LCD1602、RS232串口组成, 系统结构如图2所示[3,4]。
1.1 温度采集发送系统设计
温度采集发送系统实现环境温度采集, 由STC89C52单片机转换成实际温度值, 读取时钟芯片获得当前时间信息, 将温度值和当前时间信息发送到NRF24L01无线模块进行无线发送。
1.1.1 温度采集模块
该模块选用美国DALLAS公司推出的温度传感器DS18B20进行温度采集, DS18B20芯片温度测量范围为-55℃~+125℃, 可实现9~12位的温度分辨率, 其数据传输方式简单, 仅使用一根数据线即可实现温度值的传输[5]。
1.1.2 时钟模块
该模块选用美国DALLAS公司推出的低功耗实时时钟芯片DS1302, 该时钟芯片采用32.768 k Hz晶振, 可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时, 并且具有闰年补偿功能。其数据传输采用SPI串行通信模式, 占用单片机3个IO端口。
1.1.3 无线发送模块
无线发送模块选用Nordic公司推出的低功耗无线射频收发芯片NRF24L01, 该芯片采用GFSK调制模式, 集成OSI链路层, 工作在2.4~2.5 GHz的ISM频段, 包含125个传输频道, 数据传输速率为1 Mbit/s~2 Mbit/s。NRF24L01内置了频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调试器等功能模块, 并采用了增强型Shock Burst技术, 其输出功率和通信频道可在程序中进行配置。该芯片发送数据时可自动生成包头和CRC校验码, 并具有自动应答和自动再发送功能。NRF24L01采用SPI接口进行数据传输, 与单片机连接时占用6个IO端口。
NRF24L01包含发送、接收、空闲和掉电四种工作模式, 可通过配置内部寄存器进行设置。发送数据时, 首先将NRF24L01配置为发送模式, 然后通过SPI接口将接收节点地址和发送数据写入到缓存区, 数据发送后即进入接收模式, 准备接收应答信号, 如接收到应答信号, 则数据发送成功, 将缓存中的数据清除, 准备下一次发送;如没有接收到应答信号, 则数据发送失败, 则自动重新发送缓冲区数据。
1.2 数据接收系统设计
数据接收系统通过天线接收发送系统发射的温度值及时间信息, NRF24L01无线接收模块收到数据后产生中断信号发送到单片机, 单片机从NRF24L01芯片中读取数据并分两路进行传输, 一路数据在液晶显示屏上实时显示, 另一路数据通过RS232串口模块发送到PC机。
1.2.1 无线接收模块
无线接收模块使用NRF24L01无线射频芯片进行数据接收, 数据接收时, 首先将NRF24L01配置为接收模块, 接收到数据后, 首先对数据包中的地址信息进行判断, 如地址有效, 就将接收的数据存储在接收缓存中, 并产生中断信号发送给单片机, 通知单片机读取数据, 同时NRF24L01芯片进入发送模式发送应答信号。
1.2.2 液晶显示模块
液晶显示模块可在LCD液晶显示屏上实时显示当前接收到的时间和温度值, 该模块选用LCD1602字符液晶显示屏, 包含两行信息, 每行可显示16个字符, 能够满足本设计需求。
1.2.3 串行通信模块
串行通信模块选用MAX232电平转换芯片, 采用RS232接口与PC机相连, 实现单片机与PC机的通讯。配置串行口控制寄存器SCON可设置串行通信波特率、数据位等参数, 本设计中波特率设置为9 600 bps, 数据位为8位, 停止位1位, 无校验位。单片机将接收到的温度值和时间信息通过串行通信模块发送到PC机, 通过编写上位机软件, 可保存温度值和时间信息, 便于日后查询, 如温度值超出设定范围, 可实现报警功能。
2 系统软件设计
本系统设计采用C51描述, 温度采集发送系统上电后, 首先完成对DS18B20、DS1302和NRF24L01的初始化, 然后从DS18B20温度传感器中读取温度值, 从DS1302中读取时间信息, 然后将温度值和时间信息写入到NRF24L01的发送缓存, 启动NRF24L01进行数据发送, 发送系统的程序设计流程图如图3所示。
数据接收系统上电后, 首先完成对LCD1602、NRF24L01与UART串口模块的初始化, 然后等待接收NRF24L01发送的中断请求信号, 当接收到中断信号后, 从NRF24L01的接收缓存中读取数据, 将数据显示到LCD1602液晶屏, 然后通过UART发送数据。数据接收系统软件流程图如图4所示。
3 结束语
本文设计了基于51单片机的温度采集无线传输系统, 采用NRF24L01无线射频芯片实现了温度的无线发送与接收, 完成了温度采集发送系统以及数据接收系统的硬件和软件设计。本文设计的无线温度采集传输系统工作稳定, 硬件结构简单, 成本低廉, 可广泛应用于特殊场合的无线温度检测系统。同时该系统可扩展性较强, 能够较容易地集成压力传感器、湿度传感器、烟雾传感器等其他传感器, 实现不同应用需求的无线数据传输系统。
摘要：为实现特殊环境温度采集, 设计了一种基于NRF24L01射频芯片的无线温度采集传输系统, 选用DS18B20温度传感器, 使用51单片机作为系统控制器, 将温度值通过NRF24L01无线模块发送, 接收系统通过NRF24L01接收温度值, 并将接收数据在LCD1602液晶屏上显示, 同时通过RS232串口发送到PC机。本文设计的无线温度采集系统具有硬件电路简单、设计成本低、功能稳定等优点。
关键词：温度采集,NRF24L01,DS18B20,无线传输
参考文献
[1]潘勇, 管学奎, 赵瑞.基于NRF24L01的智能无线温度测量系统设计[J].电子测量技术, 2010, 33 (2) :120-122.
[2]时志云, 盖建平, 王代华, 等.新型高速无线射频器件[J].国外电子元器件, 2007 (8) :42-44.
[3]王振, 胡清, 黄杰.基于nRF24L01的无线温度采集系统设计[J].电子设计工程, 2009, 17 (12) :24-26.
[4]崔欣, 何宏, 贾衡天, 等.基于射频技术的温度无线数据采集系统[J].天津理工大学学报, 2008, 24 (6) :48-50.