| 标题 | 大型体育场馆光环境智能检测方法的研究 |
| 范文 | 谢俊 叶忠民 张鹏 李威霖 摘 要：本文基于大型体育场馆光环境检测的需求，提出了一种全新的方法，可以实现对大型场馆光照环境的全自动测量与测量数据分析。该方法利用移动机器人技术、智能定位技术、无线通信技术等多种技术手段，构建一个完整的软硬件平台，可实现对篮球场、足球场等多种大型体育场馆光环境的自动检测。经过实验对比，该方案具有简单易用、低成本、高效率、高精度的特点，可以有效地提高检测效率，具有较大的检测应用价值。 关键词：光环境；智能定位；传感器；检测 中图分类号：TP311 文献标志码：A 0 引言 JGJ153—2007《体育场馆照明设计及检测标准》中对体育场馆的光照度检测提出了具体要求，规定了检测前需确定检测点位。由于不同的体育场馆有不同的点位数量和位置要求，因此，人工定位和检测既烦琐又费时。另外检测人员直接进入检测现场检测或多或少会对光环境造成影响，导致检测结果的偏差。 本系统中主要包括光照传感器系统、运动机器人系统、定位导航系统、无线通信系统、数据采集软件系统等5个部分，其中光照传感器系统、运动机器人系统和定位导航系统3个部分属于前端检测系统，实现在场馆中自动导航至检测点进行检测；无线通信系统和数据采集软件负责接收前端运动机器人采集到的光照数据，生成检测报告，并且可以发送指令给运动机器人控制器行进路线。系统工作原理图如图1所示（以篮球场为例）。 各子系统功能描述如下： （1）光照传感器系统：用于测量场馆光照环境。 （2）运动机器人和定位系统：运动机器人是光照传感器的移动载体，而定位系统可以实现方向定位、移动距离定位、检测点定位，安装在运动机器人系统上，可以检测机器人的运动方位和运动距离等信息，以实现机器人在场地内的按照设置好的路线移动。 （3）无线通信系统：实现运动机器人系统与PC端数据采集软件的双向数据传输。 （4）数据采集软件系统：接收运动机器人采集到的光照数据；发送运动命令给运动机器人以控制其行驶路径、设置采样点位置、设置采样点个数等。 系统组成框图如图2所示。 1 光照传感器系统 光照传感器系统是精确测量场馆内光环境的基本要求。市面上有多种手持光测量仪可选择，但此类光照测量设备只能显示光照度值，无法与控制器通信读取其测量值。为了提高系统的集成度，提高系统的易用性，本系统中采用具有IIC接口的数字光照传感器BH1750FVI模块来感知环境光照强度。数字光照传感器BH1750FVI具有测量范围广，测量精度高的特点，适配程度高，量程范围1-65535lx，可以满足本系统的测量要求。将此模块与主控制器的IIC接口连接，即可编程读取到光照传感器检测的光照强度值。 2 运动机器人和定位系统 运动机器人系统是实现本系统自动检测的重要组成部分，其用于搭载光照传感器和定位导航模块，实现在场馆内的自动导航测量。运动机器人应该满足移动速度可控、移动距离可控、移动方位多自由度要求。 运动机器人系统是实现本系统自动检测的重要组成部分，其用于搭载光照传感器和定位导航模块，实现在场馆内的自动导航测量。运动机器人应该满足移动速度可控、移动距离可控、移动方位多自由度要求。 本系统中对于检测点位的要求较高，要求机器人能够以较高的效率完成直角弯的行驶过程，普通的转向轮系统只能完成有弧度的行驶路线，难以满足上述直角弯的行驶要求。因此本系统中设计的机器人要求能够在保持车身方向不变的前提下完成前后左右平移的动作，以使机器人在场地内任意两个检测点间的运动路线都为直线，最大程度地提高运动范围和运动效率。为此，运动机器人车轮采用全向的麦克纳姆轮，从而使机器人具有在任意点位都具备前后运动、左右平移的全向运动能力。 3 无线通信和数据采集软件 3.1 功能需求定义 光照数据采集软件用于实现对采集到的光照数据的显示和处理。软件采用串行通信方式与运动机器人通信，机器人采集到的光照数据能够实时的显示在屏幕上。光照采集软件还具有数据处理、远程控制等功能模块，其功能定义如图3所示。 3.2 软件设计方法 3.2.1 串行通信方法设计 主控芯片可采用STM32F103等具有串行通信接口的控制器。为了减轻主程序负担，降低串口数据接收与发送对原有程序运行时序的影响，数据接收和发送均采用中断方式： 发送：TXE中断，发送寄存器为空时，触发中断，进行下一個数据发送（如果有数据需要发送）。 接收：RXNE中断，当接收寄存器不为空时，触发中断，读取接收寄存器数据。 串行通信协议设定见表1。 3.2.2 帧通信格式定义 帧是用于串口通信的基本单位。我们将所需要发送的数据按照格式封装在一个帧里，然后将数据发送给上位机。下面我们以下位机向上位机发送数据为例说明如何定义与使用该串行通信协议。串口通信的关键是通过将数据打包成帧格式，放到FIFO中，然后再从FIFO中逐个取数据发送到上位机。 3.2.3 帧发送 上面已经介绍了帧的构成与定义，下面所要做的工作就是写程序将帧头和需要发送的数据按照格式填充到帧中，然后逐个字节发送即可。 3.2.4 通信协议制定 将上位机和下位机之间传输的风机数据打包定义成结构体Fan_Info。交换数据时发送一个结构体即包含了所需要的信息。 3.3 上位机软件 3.3.1 测量主界面 图4、图5为 软件主界面截图，以篮球场馆的光环境环境检测为例，根据JGJ153—2007《体育场馆照明设计及检测标准》计算好检测点位，规划好智能机器人行进路线，其中图4为全场模式，图5为半场模式。 3.3.2 测量过程 以半场为例，运动机器人半场检测行驶路线、检测点位示意界面和检测结果如图6、图7所示。机器人运动过程中的行驶路线与行驶状态在图6中实时显示，圆圈处表示按照检测标准要求需要检测该点位的光环境，检测结果会在该圆圈内标注出检测值，并同时在软件主界面中的测量显示区实时显示，如图7所示。测量完成后，机器人自动停止运动。按下“导出数据”按钮，即可将采集到的光照数据导出到Excel中，如图8所示。 结语 篮球场、网球场、足球场等不同的场馆有各自的统一规格，对各自的检测点位也均有固定的要求，只需事先预制各种场馆的点位，便无需再做调试即可进行各种场馆的检测。该装置简单易用、低成本、高效率、高精度，可以有效的提高检测效率和检测精度，具有较大的检测应用价值。 另外，只需在此基础上做适当的调整，例如更换不同的传感器，便可实现其他参数的自动检测，如电磁场辐射、空气质量等，本文不再讨论。 参考文献 [1]陈博翁，范传康，贺骥.基于麦克纳姆轮的全方位移动平台关键技术研究[J].东方电气评论，2013（4）：7-11. [2]任秀丽，于海斌.ZigBee无线通信协议实现技术的研究[J].计算机工程与应用，2007（6）：143-145. [3]陈博翁，范传康，贺骥.基于麦克纳姆轮的全方位移动平台关键技术研究[J].东方电气评论，2013（4）：7-11. |
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