基于ZigBee和TCS230的无线颜色检测系统设计

唐燕妮

TANG Yan-ni

（河源职业技术学院，河源 517000）

0 引言

颜色检测技术在工业自动化领域的应用非常广泛，其中较为典型的应用有：回收塑料瓶的自动颜色分选[1]；蔬菜的识别和分类[2]；水果在线检测和质量控制[3]等等。此类颜色检测是基于图像处理技术，通过对被测物图像的测定和还原来达到颜色识别的目的。该法通常采用彩色面阵CCD摄像机采集目标图像，把图像像素的RGB分值作为识别依据，系统集成度高，处理数据量大，成本较高，价格较贵，很大程度限制了检测的便捷性和低成本应用[4]。工业现场中需要对某一个不规则外形的工件进行多个位置的颜色检测，用以判别该工件颜色值及均匀度等，则上述检测方法存在其局限性。

本文针对上述颜色检测系统的应用不足，设计了一个基于ZigBee网络和新型高分辨率TCS230颜色传感技术的无线检测系统，可实现低成本、分布式、低数据量、高检测精度的颜色检测。

1 系统总体设计

无线颜色检测系统由ZigBee无线网络、TCS230颜色检测节点和上位机控制中心等构成，系统结构如图1所示。

系统控制中心的上位机负责数据存储和人机交互，并通过ZigBee无线通信网络对多个颜色检测节点进行实时监控和管理，各个颜色检测节点通过ZigBee网络实现互连互通和信息交换。当ZigBee收发模块接收到指令信息后送往节点微控制器，微控制器根据指令要求，启动光源电路和颜色传感器TCS230工作，获取检测目标的RGB值，并将该节点数据经ZigBee网络将传送回上位机控制中心，完成颜色检测。

图1 系统结构框图

2 系统硬件设计

2.1 ZigBee无线网络

ZigBee网络采用TI公司的无线SoC集成芯片CC2530以及TI2007版ZigBee协议栈，包含ZigBee协调器和ZigBee收发模块。

ZigBee协调器是整个无线网络的创建者和协调者，同时还是网络内部与外部通信的中枢，因此一直处于活跃状态[5]。协调器由CC2530核心电路和扩展电路组成。CC2530核心电路如图2所示，包含了适应2.4GHz的IEEE802.15.4优良性能的RF收发器，以及业界标准的增强型8051CPU，能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。引出CC2530芯片主要I/O口构建了包括电源和开关模块、UART串口模块及编程下载接口等扩展电路。工作时，控制中心计算机通过串口向ZigBee协调器发送控制指令，协调器通过无线网络将控制信息发送给颜色检测节点的ZigBee收发模块。

图2 CC2530核心板原理图

ZigBee收发模块与ZigBee协调器电路基本相同，其中CC2530核心电路负责接收网络数据和将扩展电路上的数据传回至ZigBee网络，部分I/O口扩展用于TCS230芯片的控制接口。

扩展电路设计了5V和3.3V的双电压输出电路。电路输入220V交流电，经过AC/DC电源模块输出5V直流电压，再经过SPX1117芯片产生稳定的3.3V直流电压。其中，5V为照明光源电路供电，3.3V为CC2530和TCS230芯片提供持续电源。

2.2 TCS230颜色检测节点

TCS230是美国TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器，它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，并且集成了红、绿、蓝（RGB）3种滤光器，具有数字兼容接口。该传感器利用对反射光中三原色的吸收原理，将所检测到的颜色转换成相应频率[4]。TCS230的S0-S3四个编程引脚可与微控制器直接相连，其组合选项如表1所示。OUT为TCS230输出端，输出为占空比50%的方波，典型输出频率范围从2Hz～500kHz，且输出频率与光强度成线性关系。

颜色检测电路如图5所示，包括CC2530片上的8051微控制器、TCS230颜色传感器、LED照明光源电路。

表1 S0、S1和S2、S3组合选项

图3 TCS230颜色检测电路图

电路中，TCS230芯片S2、S3分别接到CC2530微控制器P1.0和P1.1引脚，TCS230输入4种不同逻辑电平，用于选择红、绿、蓝、清除4种不同的光电二极管颜色类型；S0、S1分别接到CC2530微控制器P1.2和P1.3引脚，TCS230输入4种不同组合逻辑电平，用于选择输出相应分频系数的占空比可变的方波。/OE为TCS230工作使能端，由P1.4输出的低电平使能工作。使用CC2530定时器3的输入捕获中断端口P1.7，采集OUT端输出的方波。为减少检测时外部光线强弱变化对电路的影响，在TCS230对角分布4个LED灯进行光源补偿，其光源的点亮和熄灭由P1.5输出的逻辑电平控制。

2.3 上位机控制中心

上位机控制中心由工业PC机、ZigBee协调器和其他外部设备组成，负责ZigBee网络与控制中心之间的相互通信，以及各颜色检测节点工作状态的实时控制、显示和数据存储。

3 系统软件设计

本系统的软件设计包含ZigBee网络程序设计、颜色检测程序设计和上位机控制中心软件设计三部分。

3.1 ZigBee网络程序

ZigBee网络程序基于Z-Stack软件架构设计，包括协调器和收发模块两部分程序。两者同样采用了TI2007版ZigBee协议栈，该协议具备了网络自组织和自愈合、高安全性、高可靠性、支持大网络和分割传输等特点。ZigBee协议栈轮流查询各个网络层任务，并按任务优先级从高到底依次处理，其程序设计通过调用相应驱动模块完成。ZigBee网络程序实现的功能包括：

1）协调器构建一个低功耗、稳定可靠的树形无线网络。

2）协调器接收控制中心上位机的指令信息，并过ZigBee网络发送给各个颜色检测节点。

3）颜色检测节点接收和解读，执行TCS230对检测目标的操作，获得RGB值。

4）颜色检测节点将RGB数值经ZigBee网络传送回控制中心上位机。

3.2 颜色检测程序设计

TCS230颜色检测流程如图4所示。当系统上电复位以后，CC2530以自组网方式加入ZigBee无线网络并等待指令，CC2530微控制器接收指令后启动TCS230颜色检测电路工作并回传数据。在没有指令的情况下，光源电路一致处于关闭状态，节点报告当前休眠信息。

软件使用P1.7外中断计数和T0定时函数中断计时相结合的方式，实现对TCS230输出OUT方波的频率计数，两个中断函数代码如下：

图4 TCS230颜色检测流程图

软件需要对红、绿、蓝三个滤波器逐个进行频率输出的计数，得到的频率值与光强度成线性关系，数值越大，则说明测得的RGB色值越大。如红色滤光器R值计数代码如下：

3.3 上位机控制中心软件设计

系统上位机软件基于Visual Studio2010集成开发环境设计，采用C#语言编程。软件主要功能是对各个颜色检测节点进行执行控制和状态监测，将各个节点采集到的RGB数据实时显示出来，并对数据进行存储和分析，并以多种图表方式输出。

4 系统测试

4.1 ZigBee通信测试

ZigBee技术主要用于短距离、低功耗、低速率的数据传输，为了验证其网络通信的准确性和可靠性，进行了通信测试。由控制中心计算机串口调试窗口向串口发送一组数据，经协调器发送ZigBee网络。一个颜色检测节点的接收模块收到指令后，立刻回传同一组数据至控制中心。经过多次通信测试，结果如表2所示，表明系统ZigBee协调器与各个节点之间的数据传输准确，网络运行稳定[6]。

表2 ZigBee通信测试结果

4.2 TCS230颜色检测测试

选用3cm×3cm标准色卡纸张，在室内黑暗环境下对某一颜色检测节点进行工作测试。测试时，调节四个高亮LED灯的位置使得光心汇聚于TCS230芯片的周围。将TCS230随意放置在色卡某一单色上，将检测到的RGB值经过ZigBee网络上传到上位机软件显示出来。TCS230颜色检测实验及结果如图5所示。

经测试发现，TCS230颜色检测的最佳距离为1cm，颜色检测速度＜1S，RGB值准确度高。但在室内日光灯照射条件下进行测试时，电路受光线影响大，检测值偏差较大；芯片与检测目标之间的距离远近，也直接影响颜色数值的准确性。后期改进的举措有：改进TCS230芯片的电路封装，在芯片前端安装一个5.6mm的镜头，通过微调聚焦点提高TCS230对光线的抗干扰能力和增加检测距离；同时在TCS230颜色检测电路板前面安装四颗M3×25+6限高尼龙柱，用以保持芯片与检测目标之间距离恒定。

5 结论

图5 TCS230颜色检测实验结果

本文设计了一个低成本、高精度的无线颜色检测系统。采用新型高分辨率TCS230颜色传感器检测各个目标颜色，快速、准确地获取目标的RGB值，有效减少了采集源头的数据量，为无线传输低速率、低功耗的应用要求提供了保证；利用ZigBee技术构建无线通信网络，实现多个检测节点与控制中心便捷、稳定的通信。系统设计的颜色节点充分利用了CC2530的片上资源，电路简洁，布置灵活，可满足对多个检测工件、或一个工件多个位置的RGB颜色值检测和数据传输，应用前景广泛。

[1]王文君,宋端坡,等.基于RGB颜色传感器的植物颜色检测系统研究[J].仪表技术与传感器,2010(3):92-94.

[2]马雷.果蔬识别与分类控制系统的研究[D].天津轻工业学院,2000.

[3]闩之烨.基于计算机视觉的苹果颜色分级系统的研究[D].南京农业大学,2003.

[4]彭波,李旭宇.TCS230颜色传感器结合BP神经网络在颜色识别系统上的研究[J].食品与机械,2010,26(3):108-122.

[5]张毅,张灵至,等.面向物联网的ZigBee——红外控制系统设计[J].电子技术应用,2013,39(5):82-85.

[6]唐燕妮.基于ZigBee的物联网智能LED路灯控制系统设计[J].科教文汇,2015(4):217-219.