大型體育場館光環境智能檢測方法的研究

謝俊 葉忠民 張鵬 李威霖

摘 要：本文基于大型體育場館光環境檢測的需求，提出了一種全新的方法，可以實現對大型場館光照環境的全自動測量與測量數據分析。該方法利用移動機器人技術、智能定位技術、無線通信技術等多種技術手段，構建一個完整的軟硬件平臺，可實現對籃球場、足球場等多種大型體育場館光環境的自動檢測。經過實驗對比，該方案具有簡單易用、低成本、高效率、高精度的特點，可以有效地提高檢測效率，具有較大的檢測應用價值。

關鍵詞：光環境；智能定位；傳感器；檢測

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A

0 引言

JGJ153—2007《體育場館照明設計及檢測標準》中對體育場館的光照度檢測提出了具體要求，規定了檢測前需確定檢測點位。由于不同的體育場館有不同的點位數量和位置要求，因此，人工定位和檢測既煩瑣又費時。另外檢測人員直接進入檢測現場檢測或多或少會對光環境造成影響，導致檢測結果的偏差。

本系統中主要包括光照傳感器系統、運動機器人系統、定位導航系統、無線通信系統、數據采集軟件系統等5個部分，其中光照傳感器系統、運動機器人系統和定位導航系統3個部分屬于前端檢測系統，實現在場館中自動導航至檢測點進行檢測；無線通信系統和數據采集軟件負責接收前端運動機器人采集到的光照數據，生成檢測報告，并且可以發送指令給運動機器人控制器行進路線。系統工作原理圖如圖1所示（以籃球場為例）。

各子系統功能描述如下：

（1）光照傳感器系統：用于測量場館光照環境。

（2）運動機器人和定位系統：運動機器人是光照傳感器的移動載體，而定位系統可以實現方向定位、移動距離定位、檢測點定位，安裝在運動機器人系統上，可以檢測機器人的運動方位和運動距離等信息，以實現機器人在場地內的按照設置好的路線移動。

（3）無線通信系統：實現運動機器人系統與PC端數據采集軟件的雙向數據傳輸。

（4）數據采集軟件系統：接收運動機器人采集到的光照數據；發送運動命令給運動機器人以控制其行駛路徑、設置采樣點位置、設置采樣點個數等。

系統組成框圖如圖2所示。

1 光照傳感器系統

光照傳感器系統是精確測量場館內光環境的基本要求。市面上有多種手持光測量儀可選擇，但此類光照測量設備只能顯示光照度值，無法與控制器通信讀取其測量值。為了提高系統的集成度，提高系統的易用性，本系統中采用具有IIC接口的數字光照傳感器BH1750FVI模塊來感知環境光照強度。數字光照傳感器BH1750FVI具有測量范圍廣，測量精度高的特點，適配程度高，量程范圍1-65535lx，可以滿足本系統的測量要求。將此模塊與主控制器的IIC接口連接，即可編程讀取到光照傳感器檢測的光照強度值。

2 運動機器人和定位系統

運動機器人系統是實現本系統自動檢測的重要組成部分，其用于搭載光照傳感器和定位導航模塊，實現在場館內的自動導航測量。運動機器人應該滿足移動速度可控、移動距離可控、移動方位多自由度要求。

運動機器人系統是實現本系統自動檢測的重要組成部分，其用于搭載光照傳感器和定位導航模塊，實現在場館內的自動導航測量。運動機器人應該滿足移動速度可控、移動距離可控、移動方位多自由度要求。

本系統中對于檢測點位的要求較高，要求機器人能夠以較高的效率完成直角彎的行駛過程，普通的轉向輪系統只能完成有弧度的行駛路線，難以滿足上述直角彎的行駛要求。因此本系統中設計的機器人要求能夠在保持車身方向不變的前提下完成前后左右平移的動作，以使機器人在場地內任意兩個檢測點間的運動路線都為直線，最大程度地提高運動范圍和運動效率。為此，運動機器人車輪采用全向的麥克納姆輪，從而使機器人具有在任意點位都具備前后運動、左右平移的全向運動能力。

3 無線通信和數據采集軟件

3.1 功能需求定義

光照數據采集軟件用于實現對采集到的光照數據的顯示和處理。軟件采用串行通信方式與運動機器人通信，機器人采集到的光照數據能夠實時的顯示在屏幕上。光照采集軟件還具有數據處理、遠程控制等功能模塊，其功能定義如圖3所示。

3.2 軟件設計方法

3.2.1 串行通信方法設計

主控芯片可采用STM32F103等具有串行通信接口的控制器。為了減輕主程序負擔，降低串口數據接收與發送對原有程序運行時序的影響，數據接收和發送均采用中斷方式：

發送：TXE中斷，發送寄存器為空時，觸發中斷，進行下一個數據發送（如果有數據需要發送）。

接收：RXNE中斷，當接收寄存器不為空時，觸發中斷，讀取接收寄存器數據。

串行通信協議設定見表1。

3.2.2 幀通信格式定義

幀是用于串口通信的基本單位。我們將所需要發送的數據按照格式封裝在一個幀里，然后將數據發送給上位機。下面我們以下位機向上位機發送數據為例說明如何定義與使用該串行通信協議。串口通信的關鍵是通過將數據打包成幀格式，放到FIFO中，然后再從FIFO中逐個取數據發送到上位機。

3.2.3 幀發送

上面已經介紹了幀的構成與定義，下面所要做的工作就是寫程序將幀頭和需要發送的數據按照格式填充到幀中，然后逐個字節發送即可。

3.2.4 通信協議制定

將上位機和下位機之間傳輸的風機數據打包定義成結構體Fan_Info。交換數據時發送一個結構體即包含了所需要的信息。

3.3 上位機軟件

3.3.1 測量主界面

圖4、圖5為 軟件主界面截圖，以籃球場館的光環境環境檢測為例，根據JGJ153—2007《體育場館照明設計及檢測標準》計算好檢測點位，規劃好智能機器人行進路線，其中圖4為全場模式，圖5為半場模式。

3.3.2 測量過程

以半場為例，運動機器人半場檢測行駛路線、檢測點位示意界面和檢測結果如圖6、圖7所示。機器人運動過程中的行駛路線與行駛狀態在圖6中實時顯示，圓圈處表示按照檢測標準要求需要檢測該點位的光環境，檢測結果會在該圓圈內標注出檢測值，并同時在軟件主界面中的測量顯示區實時顯示，如圖7所示。測量完成后，機器人自動停止運動。按下“導出數據”按鈕，即可將采集到的光照數據導出到Excel中，如圖8所示。

結語

籃球場、網球場、足球場等不同的場館有各自的統一規格，對各自的檢測點位也均有固定的要求，只需事先預制各種場館的點位，便無需再做調試即可進行各種場館的檢測。該裝置簡單易用、低成本、高效率、高精度，可以有效的提高檢測效率和檢測精度，具有較大的檢測應用價值。

另外，只需在此基礎上做適當的調整，例如更換不同的傳感器，便可實現其他參數的自動檢測，如電磁場輻射、空氣質量等，本文不再討論。

參考文獻

[1]陳博翁，范傳康，賀驥.基于麥克納姆輪的全方位移動平臺關鍵技術研究[J].東方電氣評論，2013（4）：7-11.

[2]任秀麗，于海斌.ZigBee無線通信協議實現技術的研究[J].計算機工程與應用，2007（6）：143-145.

[3]陳博翁，范傳康，賀驥.基于麥克納姆輪的全方位移動平臺關鍵技術研究[J].東方電氣評論，2013（4）：7-11.