摘要 主要介绍一种大面积种植葡萄的远程即时监控系统。研究颜色识别应用到葡萄种植业中，以便尽早地发现病虫害，减少经济损失。设计利用颜色传感器，使用ATmega16单片机、LED光源作为系统和Zigbee无线通讯模式，连接计算机输出，对测量结果进行实时报警、评价处理。颜色传感器与ATmega16单片机搭建颜色识别系统平台，信号误码率低、结构简单，造价低廉，可以识别葡萄果实和叶片上的颜色标记和虫斑痕迹。
关键词 ATmega16单片机；LED；颜色传感器；Zigbee无线连接
中图分类号 S431.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2014）12-0328-02
Abstract This paper introduced real-time remote monitoring system in large area of grape growing.The color recognition was applied to the grape planting industry to discover earlier plant diseases and insect pest，reduced economic loss.The implementation of system for connecting the computer through an ATmega16 microcontroller based on external color sensor .The system in LED that implements this automation monitoring would be described.The monitoring of the color sensor data through a Zigbee connection to a PC would also be described. The measurement results were evaluated and processed by real-time alarm. It was simple structure and low cost color sensor and ATmega16 microcontroller built the color identification system platform. It could identify the color tage and trace on the grape fruit and leaf.
Key words ATmega16 microcontroller；LED；color sensor；Zigbee
颜色是物体的重要标志，它经常以主要特征向人们传递信息。在农村种植业中，颜色识别可以辅助病虫害检测、生长过程监控等，田间监控便于及早发现，尽快控制。葡萄种植业，由于许多地方（农场）葡萄栽培密度大，田间通风透气不畅，特别是一些采用田沟贮水栽培的果园，葡萄根系发育不良，造成葡萄根系受损，使得葡萄极易染病。危害较大的主要有以下三大类，即真菌性病害、病毒性病害、生理性病害。尤以真菌性病害出现较多，而且一旦发病蔓延很快，很难彻底清除。大多数病害主要是由于枝蔓和叶片过密、通风透光环境差，越接近成熟的果穗或果梗发病的几率越高。例如：黑痘病：幼果被害处出现黑褐色圆斑点，后逐渐扩大，中央稍凹陷变灰白色；炭疽病：发病初期在果面上发生水渍状的褐色小斑点，逐渐扩大，呈圆形深褐色病斑；灰霉病：接近成熟的果穗或果梗，叶片均能发病，发病初期被害部位呈淡褐色、水渍状，很快变暗褐色，空气越潮湿，还会生出一层灰色霉状物；白腐病：一般靠近地面的果穗、穗轴、果梗最先发病，发病初期出现水渍状淡褐色近圆形的病斑，逐渐扩大，雨季果粒溢出淡黄色的黏液，果表面生出灰白色小粒点；白粉病：受害后，全叶片盖满白色粉状物，果实表面呈白色粉状物，后期粉斑下形成雪花状或不规则的褐斑；日灼病：初期果面上出现淡褐色、豆粒大小的斑块，病斑逐渐扩大；气灼病：大幼果期至封穗期易发生，首先表现为凹陷、浅黄色小斑点，并迅速扩大成大面积病斑，整个过程基本是在2 h内完成，病斑开始为浅黄色，而后颜色略变深。从以上多种病症状表现分析得到：葡萄所有发病从初期开始，就基本在果粒、果梗或者叶片上发生颜色的变化，而且随着病情的发展颜色也在变化。另一方面，又观察到这些病症造成果实、果穗、果梗、叶片上颜色变化的种类相对比较单一。这将有助于简化本设计的颜色库收集工作任务。
该文讨论颜色传感器与单片机ATmega16相结合，采用Zigbee通讯模式设计了一种新型颜色监测、传感系统，应用于大面积葡萄种植，以达到早期防病、及早采取治病措施的目的。本系统设计完全数字化，对于颜色传感器系统，在成本、体积和重量方面做了大量考虑，颜色传感器系统设置仅采用少量的电路来实现。
1 LED灯和传感器
传统的颜色识别设备，是将被测对象的颜色用白光源照明，通过过滤器发射光被分解为三原色红、绿、蓝。每个颜色的强度被放大后转换成电信号，然后再被传入到中央颜色处理系统。测量物体表面的颜色受湿度、温度等因素影响，为了避免这些干扰整体设备价格昂贵。本系统设计比传统的价格低廉，操作方便，实用性强，具有可扩展性。
1.1 系统设备原理介绍
系统采用管道锥状头将传感器与LED灯被封装在一起，接收光信号，控制装置的输入端是传感器头，将其连接到光接收装置，通过电路装置与中央控制系统连接，该中央控制系统有一个串行接口SSST和并行接口PSST，借助于它可以把信号传输出去。为了识别葡萄表面的颜色，照明LED相继的持续时间为200～500 μs，通过传感器头产生的光脉冲对应发射电流脉冲。光脉冲照射到葡萄表面时，光被传感器所接收，由PD光电半导体转换成电信号，连续的光信号被光电半导体周期性的发出电子信号，光接受装置连接到中央控制系统。颜色确定可以通过3个光电二极管以及3个相应的滤光器，获得颜色的三刺激值[2]。试验证明，每一种颜色都能用3个选定的原色按适当比例混合而成，称颜色匹配。三原色可以任意选定，与待测色达到颜色匹配时所需要的三原色的数量，称三刺激值。
1.2 设备安装
LED安装在圆柱形的管道中（样品的颜色也是被LED反射出的）。LED安装角度是与椎体轴成22.5°。锥形头与照射的葡萄表面成45°角。
LED反射的光通过光电摄像管，首先在管道中与样品相匹配。然后从椎体中得到反射的光到样品上，不相同的部分被从样品上反射出来。光电输出信号被分光光度法、分光辐射度、密度和其他比色外观属性的样本处理成一个值。
该设计对葡萄表面测量的颜色包括：①光源发出的光被光电探测器接收；②光源发出的光与葡萄表面反射的光；③直接从葡萄表面的得到的光；④基于样品的值计算反射的光的值。
1.3 设备实施方案
在无光的情况下得到葡萄表面的颜色，LED直接照射得到的读数，基于样品的参考值计算出在无光照射下的标准校对值，直接照射得到的值与参考值相比较。
设计初始首先要准确地测量各种葡萄品種的标准颜色，这些颜色一般是通过反射可见光按照波长来测定的（注意：当光照射到物体表面，其中一部分光被吸收，另一部分光被反射），标准颜色库是不断积累数据的过程。采用2个LED照射光源，收集数据尤其关注葡萄各种病害表面的颜色，如果样本的颜色可以被CIE标准色所匹配，就可以用现有的分析方法进行比较计算得出结果。为了达到高度一致的颜色匹配，市场上有基于颜色管理系统的不同的颜色传感设备。总体流程步骤可以归为：依照CIE标准对图像扫描，利用算法将图像转换成RGB显示，显示图像又参考CIE标准。
本设计的特点：将LED灯与光电传感器与集成放大器组合，即使在微弱的光线下，也可识别颜色的差别值。降低了成本、误码、噪音，可以在温度范围内准确捕获颜色信号。
2 ATmega16单片机工作简介
AVR ATmega16是32个8位通用工作寄存，16 K字节的系统内可编程Flash，16 MHz工作时性能高达16 MIPS，真正的同时读写操作，通过JTAG接口（与IEEE 1149.1标准兼容）实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。8路10位ADC，8个单端通道，ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式。32个可编程的I/O口，支持片内调试与编程，基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。通过将8 位RISC CPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机。
用ATmega16单片机通过电路开关控制颜色传感器，通过对芯片编程，开发更多的、更复杂的自动化遥感控制，图形化的数据能够提供直观的可视化的外部监控信号。主要作用如下：一是采集外部传感器的数据，颜色信号的电压很小，输入到控制模块之前，首先要将信号放大。二是控制模块是由CPU、存储器、I/O端口、ADC和一系列串行接口共同控制芯片的控制模块。通过C程序，可以读出传感器中的数据，实现了自动化控制并且向外输出信号，实现了简单的操作方式，控制复杂的自动化方式。三是单片机驱动电源开关来控制信号，简而言之就是用最简单的操作，控制更复杂的自动化操作。四是传感器的外部数据监控，即将用在各种各样的自动化设施中，ATmega16单片机有RS-232串行端口，可以发送串行式逐位元数据传输，RS-232是标准的在主机系统与终端设备之间串行数据通讯。
2.1 ATmega16单片机与PC
ATmega16内部配备串行端口可以进行编程，发送传感器串行数据到外部系统，如连接到PC。ATmega16为了充分利用嵌入式串口，可以在内部设置程序。ATmega16的优势之一是互联网上提供了代码，有一系列库函数为中断驱动提供了串行通讯口。
在PC机上可以处理一系列接收信号，终端程序可以在Microsoft Windows上运行接收来的数据。监视器用于监视传感器的数据，可以有实时数据图形在电脑显示器上，读取数据的C程序可以从串行端口读到缓存中的和管道里传来的图像信号进行比对，完全可以读取网络上的信息。操作系统完全可以管理交互的图形信息，和一系列的应用数据。在Microsoft Windows操作系统的环境中，直接访问低端通讯端口。在使用串行接口的软件数据库的前提下，将我们所监控的信息链接到数据库中。C程序可以控制基本的切换任务。
2.2 ATmega16单片机与传感器
采用的颜色传感器可以监测到反射、透射或者是葡萄表面的发射出来的光，由于每种光源发出的是不同波长连续的光（这里可见光范围），一个通道是样品光电管，另一个是检测光电管，首先接收来自检测光电管中的发出的光，接着是来自样品上与样品有差异的部分光，颜色传感器需智能化地对比这种光源发出光的异同（这些是由软件来支持的）。输入的光信号到电信号转变需要AD转换电路和放大电路，不同颜色分配电压差值越小，采集颜色的信号越精准。ATmega16单片机可以直接与颜色传感器交换，无须采用模数转换电路。颜色可以应用RGB或者CMYK的可视化的比较，这种与样品比较的工作是前期独立完成的。按照颜色的现有系统进行采样比对，这种应用算法早些年已经被大量的研究者开发，可以利用。
系统控制功能，主要控制颜色信号到电压的转换，通过颜色传感器获得颜色值，通过处理将颜色信号转换为精确的电压值输出。设计采用存储比较法，将传感器获取的颜色数据，与存储器建立的颜色数据库进行对比，为了提高信道输出速度，可以将与数据不同的信号转换成电信号输出。实现功能的整个电路框如图1所示。
3 Zigbee的通讯技术
Zigbee技术负责数据的通信，通过把获取的颜色数据发送给上位PC机。ZigBee技术主要应用于小范围、低速率、基于无线通信的控制领域。3.1 Zigbee技术的介绍
Zigbee無线网络平台是一个网络协议强大、稳定，网络节点弹性大、安全可靠、灵活实用的工具库，开发函数可以迅速地从实验室应用到实际当中。Zigbee网络有可视化的调试工具，可以在多平台上开发，它组网非常灵活、简便，可以在几个平台上的监控网络流量，能够快速查明网络中出现的问题。每个Zigbee网络节点可以直接与传感器连接进行数据采集和监控，还可以灵活地加入到目前的各种网络中，与现存的网络交互。在每一层中指定了IEEE 802.15.4通讯标准的，在FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信。Zigbee的数据传输率是在250 kbps至2.4 GHz，有8种不同方式的接口方式，每个Zigbee网络节点（FFD和RFD）可支持多达31个的传感器和受控设备，开发商提供了完全的运行代码、完全支持C语言。开发商提供了完全的运行代码。
3.2 Zigbee 技术的特点
一是省电：2节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。二是可靠：采用了碰撞避免机制。三是延时短：优化了延时应用，通信延时和休眠激活的时延都非常短。四是网络容量大：可支持达6.5万个节点。五是高度的灵活性和低成本：首先，通过使用覆盖距离不同，功能不同的Zigbee网络节点，以及其他非Zigbee系统的低成本的无线收发模块，建立起一个Zigbee局部自动化控制网（这个网络可以是星型、树状、网状及其共同组成的复合网结构），再通过互联网或移动网与远端的计算机相连，从而实现低成本、高效率的工业自动化遥测遥控。六是Zigbee可以与现有的任何网络相连接：如移动网、互联网和其他通信网络。七是Zigbee使用的是免费频段：专门用于工业，医疗以及科学研究使用（ISM频段）。
3.3 ZIGBEE协议中的3种设备类型介绍
ZigBee的基础是IEEE802.15.4，它侧重于底层协议（物理和数据链路层），保证路由器节电模式，在网络层中有通信冗余消除模式，Zigbee还开发了链接、检测、通讯评估。对IEEE 802.15.4功能可以概括为可靠、简单、低功耗、低成本。在Zigbee网络中，管理节点类型设备有如下3种。
3.3.1 3种类型设备。①ZigBee协调者（ZC）：每个Zigbee网路必须有1个，配置初始化网络信息，并建立一个PAN网络。②ZigBee路由器（ZR）：路由节点，在网络中路由数据信息。③ZigBee终端节点（ZED）：ZigBee终端节点，它没有路由功能，完成的是整个网络的终端任务，价格低廉。
3.3.2 3种设备运行调试。①协调器：上电运行，地址检测，通过之后，就进行通道扫描，此时LED1闪烁，一旦协调器成功建立网络，此时LED1停止闪烁，而LED3被点亮。②路由器：上电运行，仍然是首先地址检测。之后就是通道扫描寻求是否有存在的网络，此时LED1闪烁，一旦检测到存在网络，并成功加入该网络，LED1将停止闪烁，被替换的是LED3被点亮，也就表明路由器成功加入了网络。③验证网络是否接通：（只有2节的情况下）按下协调器SW1，路由器的LED1连续闪烁几下；按下路由器的SW1，协调器的LED1连续闪烁几下；如果按下协调器的SW2，再按下路由器的SW1，此时协调器就没有反应，表明协调器已经退出组1；但是再按下协调器SW2，再按路由器的SW1就与上一步类似。
4 结语
以上的论述和设计为实现实时、有效的传感器数据采集奠定了基础。进一步的电路和传感器以及通讯设施的开发研究，将有助于在更加极端复杂的环境和远程控制中的多方面的应用。
5 参考文献
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