CN105141932A - 蔗糖结晶图像无线采集处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种蔗糖结晶图像无线采集处理系统，该系统包括图像数据前端采集存取模块、嵌入式处理平台模块、无线传输模块和工控机接收处理模块。图像采集存储模块通过CMOS图像传感器实现对蔗糖结晶图像的获取并且送嵌入式系统存储；嵌入式处理平台模块负责对采集到的图像进行编码、压缩处理，并把处理好的信息送无线传输模块；无线传输模块利用组建好的无线网络把嵌入式系统处理好的图像通过无线的方式传输出去；工控机接收处理模块负责把前端采集到的图像接收保存，并且进行图像处理提取控制特征参数为自动控制系统提供依据。本系统运行稳定、可靠，图像传输的速率、范围和质量符合后期图像处理要求，系统图像采集方便、快捷。

Description

蔗糖结晶图像无线采集处理系统

技术领域

本发明涉及一种制糖工艺中的煮糖结晶自动控制系统中的图像采集装置，属于制糖自动化控制领域。

背景技术

煮糖是蔗糖制炼工艺过程中关键的一环，煮糖过程是蔗糖结晶的生产过程，而这个过程伴随着非常复杂的物理和化学变化。这个过程本身受干扰因素很多，非线性变化较强，其内部机理难以用一个准确模型来描述。因此，一般的控制方法很难奏效，必须研究新技术、新方法，尽可能通过保持过饱和度和晶体含量的稳定来保证蔗糖结晶质量。

蔗糖结晶过程控制是国内糖厂生产过程中自动化程度较低的工序。蔗糖结晶过程控制都是由现场监控人员通过特别装置抽取煮糖罐中的样品，利用手、眼等感官，参照以前的经验推测结晶程度来控制阀门开关度完成整个煮糖工序，人为因素对白砂糖质量影响十分明显。

在工业自动化煮糖系统中引入基于图像处理控制技术，可以很好规避人工判断存在的误差，把人为因素降到最低，亦加快了信息处理速度，突出人们需要的有用信息，有利于实现标准化、规模化、产业化。而在此控制过程中，图像始终是设计面对的最重要对象，图像包含所有要提取的控制参数，采集图像质量直接影响到后期的数学建模和图像处理的效果，所以实现符合图像要求的图像采集装置尤为重要。

随着嵌入式技术的不断发展、成熟，嵌入式处理芯片性能得到了不断的提高，加上数字图像处理技术推波助澜，使得基于嵌入式的图像采集与处理技术充满无限的发展前景。但是针对制糖工业现场环境中还有一些技术瓶颈尚待解决，在实现这个工业过程自动化设计的同时还要考虑在工厂复杂环境中保持信息的快速、安全、连续传输，保持系统控制的实时性。因此，在原有设备部分实现生产自动化的基础上，建立一种基于蔗糖结晶过程的图像采集处理系统有其现实意义。

发明内容

本发明提出一种蔗糖结晶过程的图像无线采集处理系统，用于对煮糖过程蔗糖结晶情况的实时监测，及时调节阀门开度控制煮糖结晶过程；另一个方面是采集到的图像为后期图像处理提取控制参数实时在线实现整个过程的自动控制。

为解决上述问题，本发明通过以下方式实现：

一种蔗糖结晶图像无线采集处理系统，该系统包括图像数据前端采集存取器模块、嵌入式处理平台模块、无线传输模块和工控机接收处理模块。图像数据前端采集存取模块通过焊接的支架固定在蔗糖结晶罐上，CMOS摄像头对准观察窗，观察窗和CMOS摄像头通过安装在蔗糖结晶罐的隔热玻璃分隔两边，补光灯安装在阻隔保护装置上，方向对准观察窗，图像数据前端采集存取模块、补光灯和USB无线网卡封闭在阻隔保护装置内部；嵌入式处理平台模块封闭于图像数据前端采集存取模块内部，两个USB无线网卡分别安装在嵌入式处理平台和工控机上，无线路由器放置在嵌入式处理平台和工控机之间，两个USB无线网卡和无线路由器组成无线传输模块，工控机和液晶显示器放置封闭房间内。

所述图像数据前端采集存取模块包括嵌入式处理平台和CMOS摄像头两部分，USB无线网卡通过嵌入式处理平台扩展的USB接口直接相连，嵌入式处理平台和USB无线网卡封装在隔热装置内；CMOS摄像头包括L形电路板和安装在电路板上CMOS图像传感器，嵌入式处理平台与电路板通过扩展接口排线相连接，圆柱形镀膜镜头套在CMOS图像传感器前面，整个电路板和镀膜镜头封装在塑料模具内部。

所述工控机为具有Windows操作系统的工业计算机，安装有图像处理软件；嵌入式处理平台为具有嵌入式操作系统的嵌入式硬件装置，配备液晶屏显示，使用触摸笔控制，并且安装有USB软件驱动、图像采集控制和图像处理软件。

在系统整体运行过程中，图像采集存储模块先通过CMOS图像传感器实现对蔗糖结晶图像的获取并且送嵌入式系统存储；嵌入式处理平台模块负责对采集到的图像进行编码、压缩处理，并把处理好的信息送无线传输模块；无线传输模块利用组建好的无线网络把嵌入式系统处理好的图像通过无线的方式传输出去；工控机接收处理模块负责把前端采集到的图像接收保存，并且进行图像处理提取控制特征参数为自动控制系统提供依据。

在蔗糖结晶工序中，锅炉内的晶体在不停搅拌作用下，不停的依附在锅炉壁的透明玻璃片上，COMS图像传感器将现场环境的蔗糖图像信号经相位放大、同步信号分离、亮度/色度信号分离和A/D变换等处理，转换成以二进制的数字信号输出。数字信号流直接输入到嵌入式处理平台的图像数据采集单元中，单元内部将捕获的图像数据以DMA直接存储器访问方式传输到内存中，通过液晶屏在平台接口送液晶屏LCD显示。在整个过程中，硬件层工作方式由应用层操作界面发出，嵌入式处理平台通过系统内核互通相应模块控制参量，嵌入式系统内核在整个系统中起到中枢的作用。

锅炉周围在生产过程中温度较高，图像采集仪器外围加装相应的隔热装置。要采集到质量高的图片，还应对光源加以限制，除了增加光的强度以外，采用镀膜镜头减少光线反射，提高图像的亮度和对比度；调节镜头焦距能够增加图像清晰度，消除图像模糊的现象。煮糖罐内的蔗糖晶体在不同阶段依附在锅炉壁状况是不一样的，包括流速，浓度、温度、粘度、纯度和杂质都可通过图像体现出来，因此对不同时间的蔗糖图像进行处理，提取图像特征值就可以为后续的自动化控制提供参数依据。

经过处理的图像已经存放在与嵌入式处理平台的内存单元中，采用的USB无线传输模块与设计好USBDevice从设备接口和嵌入式处理平台扩展其USBHost主设备接口相连接，针对此接口开发驱动软件支持可完成图像数据的交互。除此之外，系统还要建立一个小型局域网做支持，使用无线路由器节点作为中转，无线路由器在没有连接之前可以设计好密码保护，并改进数据无线传输算法，提高无线传输的速度和安全性，工控机带有无线接收的模块，只要无线模块连接到嵌入式处理平台，无线路由信号就会自动搜索到设备的连接，根据传输协议编写相关的软件支持即可以实现图像的传输并保存。

本系统使用的无线模块是以整体形式提供的，外部设计成接口接入的方式。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。完成网络的连接后，在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。

本发明的有益效果是：

本系统实现了基于嵌入式设备和CMOS图像传感器的嵌入式操作系统下的蔗糖图像采集系统设计，图像采集速度高，方便、快捷，设计的嵌入式图像采集系统具有体积小、功耗低、运行速度快、采集的图像质量较好等特点，设计具有友好的人机交互界面，实现实时监控、拍照、存储等功能。通过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，系统运行稳定、可靠，图像传输的速率、范围和质量符合后期图像处理要求，系统图像采集方便、快捷。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，具有很好的实用价值。

附图说明

图1为本发明的系统整体架构图，

图2为本系统图像数据前端采集存取器模块示意图，

图3为本发明的系统实现整体框图，

图4为蔗糖结晶图像采集流程图，

图5为图像无线传输系统软件流程图，

图6为蔗糖结晶图像处理流程图。

图中标号:1.蔗糖结晶罐，2.CMOS摄像头，3.支架，4.隔热装置，5.USB无线网卡，6.阻隔保护装置，7.补光灯，8.隔热玻璃，9.观察窗，10.嵌入式处理平台，11.扩展接口排线，12.电路板，13.CMOS图像传感器，14.镜头，15.塑料模具，16.液晶屏。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的蔗糖结晶图像无线采集处理系统，图像采集模块通过焊接的支架3固定在蔗糖结晶罐1上，在嵌入式处理平台10的控制下，CMOS摄像头2通过观察窗9获取罐内蔗糖结晶的图像，当光线不足时，调节补光灯7获取合适光源，从CMOS图像传感器13采集到的信号通过扩展接口排线11送嵌入式处理器进行编码压缩，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，无线网络传输速度可以满足图像的传输要求。整个系统中，图像采集模块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5，然后通过TCP通信方式传到位于相对封闭房间内的工控机上，图片即可为图像处理模块备用。因为煮糖生产线上高温、潮湿、电磁干扰和硫化气体共存的恶劣环境，需要加装阻隔保护装置6保护内部电路。

如图3所示，在此过程中，通信单元使用USB无线网卡5，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，嵌入式处理平台10作为服务器端，工控机和USB无线网卡5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，在显示器实现处理并进行其他操作。

本发明的图像采集模块实现方式如下：

如图2所示，图像数据前端采集存取器模块采用基于ARM内核的嵌入式微处理器，内部包括存储、显示、接口等元件组成，整个嵌入式处理平台10用隔热装置4封装，嵌入式处理平台10外部嵌套七寸液晶屏16；CMOS图像传感器13的图像数据需要外围电路板12加以处理才能够通过扩展接口排线11与嵌入式处理平台10实现互通；图像采集的时候除了通过补光灯7增加光的强度以外，采用镀膜镜头14减少光线反射，提高图像的亮度和对比度，调节镜头14焦距能够增加图像清晰度，消除图像模糊的现象；锅炉周围在生产过程中温度较高，图像采集模块外围加装相应的隔热装置4和塑料模具15，观察窗9和摄像头2之间加装透明隔热玻璃8；获得的图像数据通过连接在嵌入式处理平台10的USB无线网卡5发送出去。

使用的USB无线网卡5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。

在图像采集模块运行时，CMOS图像传感器13用于现场环境的蔗糖图像信号相位放大、同步信号分离、亮度/色度信号分离和A/D变换等处理，图像信息转换成以二进制的数字信号，采取RGB16方式输出。数字信号流直接输入到嵌入式处理器的图像数据采集单元中，单元内部将捕获的图像数据以DMA方式传输到内存中，通过平台扩展接口排线11送液晶屏显示。由于本系统采用的嵌入式微处理器具有专门进行图像传感器控制和图像数据采集的功能单元，不需要增加额外的逻辑电路来完成这些控制和采集功能。

图像采集软件实现流程如图4所示，硬件平台首先检测视频捕获设备，如果找到相应的硬件设备，打开设备管理器，连接控制，查询到图像信息后设定传输模式，根据获取的设备信息和图像信息调用命令决定是否捕捉，否则继续返回读取内存缓冲区，直至结束捕获，关闭设备。

图像采集部分软件设计通过嵌入式操作系统进行控制，图像传感器驱动首先要在内核系统中成功被编译成Camera.dll动态连接库的形式，通过设备管理器Camera.exe枚举识别程序中以CAM前缀的函数并加载，加载到内核的流接口函数可以实现电源控制、I/O管理和中断控制等。应用程序通过文件系统的命令调用驱动程序的流接口函数发送控制请求，内核将接收到的命令转化为对外部设备的相应操作。实现对处理器CAMIF的单元和图像传感器设备的初始化；实现对SCCB总线向图像传感器芯片内部寄存器写入配置内存地址。系统独立运行以后，内核控制器通过CAMIF接口单元产生CAM_HREF、CAM_VSYNC、CAM_CPLK三个时钟信号控制图像信息数据CAMDATA同步传输，CAMIF接口接收的数据经过预览通道和编码通道直接读取图像信息送往总线，存储器不断从AHBBUS总线读取数据送往内存缓冲区，缓冲区CAMDATA的数据能够直接被流接口驱动函数识别，送往液晶显示器显示，也可以帧保存的方式保存在内存单元中。

蔗糖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处理平台10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。图像无线传输系统软件实现如图5所示：

无线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。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。

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函数和send函数接收和发送数据，收据接送完毕，调用closesocket函数关闭套接字库。

工作流程从图5可知：服务器端口调用socket函数建立流式套接字连接，调用bind函数将套接字与本地IP地址绑定，再调用listen函数监听客户端请求，客户端向服务器端发送请求以后，调用Accept函数接收客户端请求等待传输，在这个传输过程中，服务器端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函数先关闭内部套接字，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。

USB无线网卡5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。嵌入式处理平台10运行时采集的图像数据以IP包的形式存储等待发送，使用WindowSockets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。

对不同时间的蔗糖图像进行处理，提取图像特征值就可以为后续的自动化控制提供参数依据。对蔗糖结晶图像的处理流程如图6，依据蔗糖结晶图像的特点，系统设计图像处理算法核心是针对蔗糖颗粒图像分割以后的特征提取。依据蔗糖结晶图像的特点，前期运用数学形态学的膨胀、腐蚀运算作预处理，采用基于遗传算法的Otsu阈值分割算法进行特征分离，提取特征值。

在蔗糖的图像处理过程中，以数学形态学在图像的消噪、增强等方面的应用为基础，利用基于遗传算法的Otsu阈值分割方法处理蔗糖结晶颗粒图像以得到其二值化图像，然后再从图像中提取目标的颗粒面积、周长、形状指数等，检测实时采集图像中的单位颗粒参数与实际是否符合，采用Otsu阈值图像分割适应度函数中类间方差值作为判断依据。

Claims (3)

1.一种蔗糖结晶图像无线采集处理系统，其特征是：包括图像数据前端采集存取模块、嵌入式处理平台模块、无线传输模块和工控机接收处理模块；图像数据前端采集存取模块通过焊接的支架(3)固定在蔗糖结晶罐(1)上，CMOS摄像头(2)对准观察窗(9)，观察窗(9)和CMOS摄像头(2)通过安装在蔗糖结晶罐(1)的隔热玻璃(8)分隔开，补光灯(7)安装在阻隔保护装置(6)上，方向对准观察窗(9)，图像数据前端采集存取模块、补光灯(7)和USB无线网卡(5)封闭在阻隔保护装置(6)内部；嵌入式处理平台(10)处理模块封闭于图像数据前端采集存取模块内部，两个USB无线网卡(5)分别安装在嵌入式处理平台(10)和工控机上，无线路由器放置在嵌入式处理平台(10)和工控机之间，两个USB无线网卡(5)和无线路由器组成无线传输模块，工控机和液晶显示器放置封闭房间内。

2.根据权利要求1所述的蔗糖结晶图像无线采集处理系统，其特征是：所述图像数据前端采集存取模块包括嵌入式处理平台(10)和CMOS摄像头(2)两部分，USB无线网卡(5)通过嵌入式处理平台(10)扩展的USB接口直接相连，嵌入式处理平台(10)和USB无线网卡(5)封装在隔热装置(4)内；CMOS摄像头(2)包括L形电路板(12)和安装在电路板(12)上CMOS图像传感器(13)，嵌入式处理平台(10)与电路板(12)通过扩展接口排线(11)相连接，圆柱形镀膜镜头(14)套在CMOS图像传感器(13)前面，整个电路板(12)和镀膜镜头(14)封装在塑料模具(15)内部。

3.根据权利要求1所述蔗糖结晶图像无线采集处理系统，其特征是：所述工控机为具有Windows操作系统的工业计算机，安装有图像处理软件；嵌入式处理平台(10)是具有嵌入式操作系统的嵌入式硬件装置，配备液晶屏(16)显示，使用触摸笔控制，安装有USB软件驱动、图像采集控制和图像处理软件。