基于ZigBee和TCS230的無線顏色檢測系統設計

唐燕妮

TANG Yan-ni

（河源職業技術學院，河源 517000）

0 引言

顏色檢測技術在工業自動化領域的應用非常廣泛，其中較為典型的應用有：回收塑料瓶的自動顏色分選[1]；蔬菜的識別和分類[2]；水果在線檢測和質量控制[3]等等。此類顏色檢測是基于圖像處理技術，通過對被測物圖像的測定和還原來達到顏色識別的目的。該法通常采用彩色面陣CCD攝像機采集目標圖像，把圖像像素的RGB分值作為識別依據，系統集成度高，處理數據量大，成本較高，價格較貴，很大程度限制了檢測的便捷性和低成本應用[4]。工業現場中需要對某一個不規則外形的工件進行多個位置的顏色檢測，用以判別該工件顏色值及均勻度等，則上述檢測方法存在其局限性。

本文針對上述顏色檢測系統的應用不足，設計了一個基于ZigBee網絡和新型高分辨率TCS230顏色傳感技術的無線檢測系統，可實現低成本、分布式、低數據量、高檢測精度的顏色檢測。

1 系統總體設計

無線顏色檢測系統由ZigBee無線網絡、TCS230顏色檢測節點和上位機控制中心等構成，系統結構如圖1所示。

系統控制中心的上位機負責數據存儲和人機交互，并通過ZigBee無線通信網絡對多個顏色檢測節點進行實時監控和管理，各個顏色檢測節點通過ZigBee網絡實現互連互通和信息交換。當ZigBee收發模塊接收到指令信息后送往節點微控制器，微控制器根據指令要求，啟動光源電路和顏色傳感器TCS230工作，獲取檢測目標的RGB值，并將該節點數據經ZigBee網絡將傳送回上位機控制中心，完成顏色檢測。

圖1 系統結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 ZigBee無線網絡

ZigBee網絡采用TI公司的無線SoC集成芯片CC2530以及TI2007版ZigBee協議棧，包含ZigBee協調器和ZigBee收發模塊。

ZigBee協調器是整個無線網絡的創建者和協調者，同時還是網絡內部與外部通信的中樞，因此一直處于活躍狀態[5]。協調器由CC2530核心電路和擴展電路組成。CC2530核心電路如圖2所示，包含了適應2.4GHz的IEEE802.15.4優良性能的RF收發器，以及業界標準的增強型8051CPU，能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節點。引出CC2530芯片主要I/O口構建了包括電源和開關模塊、UART串口模塊及編程下載接口等擴展電路。工作時，控制中心計算機通過串口向ZigBee協調器發送控制指令，協調器通過無線網絡將控制信息發送給顏色檢測節點的ZigBee收發模塊。

圖2 CC2530核心板原理圖

ZigBee收發模塊與ZigBee協調器電路基本相同，其中CC2530核心電路負責接收網絡數據和將擴展電路上的數據傳回至ZigBee網絡，部分I/O口擴展用于TCS230芯片的控制接口。

擴展電路設計了5V和3.3V的雙電壓輸出電路。電路輸入220V交流電，經過AC/DC電源模塊輸出5V直流電壓，再經過SPX1117芯片產生穩定的3.3V直流電壓。其中，5V為照明光源電路供電，3.3V為CC2530和TCS230芯片提供持續電源。

2.2 TCS230顏色檢測節點

TCS230是美國TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉換器，它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉換器集成在一個單一的CMOS電路上，并且集成了紅、綠、藍（RGB）3種濾光器，具有數字兼容接口。該傳感器利用對反射光中三原色的吸收原理，將所檢測到的顏色轉換成相應頻率[4]。TCS230的S0-S3四個編程引腳可與微控制器直接相連，其組合選項如表1所示。OUT為TCS230輸出端，輸出為占空比50%的方波，典型輸出頻率范圍從2Hz～500kHz，且輸出頻率與光強度成線性關系。

顏色檢測電路如圖5所示，包括CC2530片上的8051微控制器、TCS230顏色傳感器、LED照明光源電路。

表1 S0、S1和S2、S3組合選項

圖3 TCS230顏色檢測電路圖

電路中，TCS230芯片S2、S3分別接到CC2530微控制器P1.0和P1.1引腳，TCS230輸入4種不同邏輯電平，用于選擇紅、綠、藍、清除4種不同的光電二極管顏色類型；S0、S1分別接到CC2530微控制器P1.2和P1.3引腳，TCS230輸入4種不同組合邏輯電平，用于選擇輸出相應分頻系數的占空比可變的方波。/OE為TCS230工作使能端，由P1.4輸出的低電平使能工作。使用CC2530定時器3的輸入捕獲中斷端口P1.7，采集OUT端輸出的方波。為減少檢測時外部光線強弱變化對電路的影響，在TCS230對角分布4個LED燈進行光源補償，其光源的點亮和熄滅由P1.5輸出的邏輯電平控制。

2.3 上位機控制中心

上位機控制中心由工業PC機、ZigBee協調器和其他外部設備組成，負責ZigBee網絡與控制中心之間的相互通信，以及各顏色檢測節點工作狀態的實時控制、顯示和數據存儲。

3 系統軟件設計

本系統的軟件設計包含ZigBee網絡程序設計、顏色檢測程序設計和上位機控制中心軟件設計三部分。

3.1 ZigBee網絡程序

ZigBee網絡程序基于Z-Stack軟件架構設計，包括協調器和收發模塊兩部分程序。兩者同樣采用了TI2007版ZigBee協議棧，該協議具備了網絡自組織和自愈合、高安全性、高可靠性、支持大網絡和分割傳輸等特點。ZigBee協議棧輪流查詢各個網絡層任務，并按任務優先級從高到底依次處理，其程序設計通過調用相應驅動模塊完成。ZigBee網絡程序實現的功能包括：

1）協調器構建一個低功耗、穩定可靠的樹形無線網絡。

2）協調器接收控制中心上位機的指令信息，并過ZigBee網絡發送給各個顏色檢測節點。

3）顏色檢測節點接收和解讀，執行TCS230對檢測目標的操作，獲得RGB值。

4）顏色檢測節點將RGB數值經ZigBee網絡傳送回控制中心上位機。

3.2 顏色檢測程序設計

TCS230顏色檢測流程如圖4所示。當系統上電復位以后，CC2530以自組網方式加入ZigBee無線網絡并等待指令，CC2530微控制器接收指令后啟動TCS230顏色檢測電路工作并回傳數據。在沒有指令的情況下，光源電路一致處于關閉狀態，節點報告當前休眠信息。

軟件使用P1.7外中斷計數和T0定時函數中斷計時相結合的方式，實現對TCS230輸出OUT方波的頻率計數，兩個中斷函數代碼如下：

圖4 TCS230顏色檢測流程圖

軟件需要對紅、綠、藍三個濾波器逐個進行頻率輸出的計數，得到的頻率值與光強度成線性關系，數值越大，則說明測得的RGB色值越大。如紅色濾光器R值計數代碼如下：

3.3 上位機控制中心軟件設計

系統上位機軟件基于Visual Studio2010集成開發環境設計，采用C#語言編程。軟件主要功能是對各個顏色檢測節點進行執行控制和狀態監測，將各個節點采集到的RGB數據實時顯示出來，并對數據進行存儲和分析，并以多種圖表方式輸出。

4 系統測試

4.1 ZigBee通信測試

ZigBee技術主要用于短距離、低功耗、低速率的數據傳輸，為了驗證其網絡通信的準確性和可靠性，進行了通信測試。由控制中心計算機串口調試窗口向串口發送一組數據，經協調器發送ZigBee網絡。一個顏色檢測節點的接收模塊收到指令后，立刻回傳同一組數據至控制中心。經過多次通信測試，結果如表2所示，表明系統ZigBee協調器與各個節點之間的數據傳輸準確，網絡運行穩定[6]。

表2 ZigBee通信測試結果

4.2 TCS230顏色檢測測試

選用3cm×3cm標準色卡紙張，在室內黑暗環境下對某一顏色檢測節點進行工作測試。測試時，調節四個高亮LED燈的位置使得光心匯聚于TCS230芯片的周圍。將TCS230隨意放置在色卡某一單色上，將檢測到的RGB值經過ZigBee網絡上傳到上位機軟件顯示出來。TCS230顏色檢測實驗及結果如圖5所示。

經測試發現，TCS230顏色檢測的最佳距離為1cm，顏色檢測速度＜1S，RGB值準確度高。但在室內日光燈照射條件下進行測試時，電路受光線影響大，檢測值偏差較大；芯片與檢測目標之間的距離遠近，也直接影響顏色數值的準確性。后期改進的舉措有：改進TCS230芯片的電路封裝，在芯片前端安裝一個5.6mm的鏡頭，通過微調聚焦點提高TCS230對光線的抗干擾能力和增加檢測距離；同時在TCS230顏色檢測電路板前面安裝四顆M3×25+6限高尼龍柱，用以保持芯片與檢測目標之間距離恒定。

5 結論

圖5 TCS230顏色檢測實驗結果

本文設計了一個低成本、高精度的無線顏色檢測系統。采用新型高分辨率TCS230顏色傳感器檢測各個目標顏色，快速、準確地獲取目標的RGB值，有效減少了采集源頭的數據量，為無線傳輸低速率、低功耗的應用要求提供了保證；利用ZigBee技術構建無線通信網絡，實現多個檢測節點與控制中心便捷、穩定的通信。系統設計的顏色節點充分利用了CC2530的片上資源，電路簡潔，布置靈活，可滿足對多個檢測工件、或一個工件多個位置的RGB顏色值檢測和數據傳輸，應用前景廣泛。

[1]王文君,宋端坡,等.基于RGB顏色傳感器的植物顏色檢測系統研究[J].儀表技術與傳感器,2010(3):92-94.

[2]馬雷.果蔬識別與分類控制系統的研究[D].天津輕工業學院,2000.

[3]閂之燁.基于計算機視覺的蘋果顏色分級系統的研究[D].南京農業大學,2003.

[4]彭波,李旭宇.TCS230顏色傳感器結合BP神經網絡在顏色識別系統上的研究[J].食品與機械,2010,26(3):108-122.

[5]張毅,張靈至,等.面向物聯網的ZigBee——紅外控制系統設計[J].電子技術應用,2013,39(5):82-85.

[6]唐燕妮.基于ZigBee的物聯網智能LED路燈控制系統設計[J].科教文匯,2015(4):217-219.