基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的在線金屬檢測系統(tǒng)設(shè)計

莊卓佩 張謙 馬乃韜 黃順鑫 馬嘉杰

[摘 要] 針對生產(chǎn)線上生產(chǎn)工藝的現(xiàn)狀，基于嵌入式MCU系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計的金屬檢測系統(tǒng)，能夠檢查出有金屬異物缺陷的產(chǎn)品，再通過Android系統(tǒng)平臺開發(fā)的攝像程序，對缺陷外觀或者是產(chǎn)品外觀拍照，把采集到的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到云端處理，可以實現(xiàn)缺陷產(chǎn)品外觀照片的實時保存和后續(xù)管理操作，并能夠進行任意時段內(nèi)的缺陷數(shù)據(jù)統(tǒng)計和查詢，便于管理部門實時掌握現(xiàn)場生產(chǎn)情況。本技術(shù)所研發(fā)的系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)線上的品質(zhì)檢測水平，具有廣闊的推廣前景。

[關(guān)鍵詞] MCU系統(tǒng)構(gòu)架;Android系統(tǒng);云端系統(tǒng)

[基金項目] 廣東第二師范學(xué)院2019年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201914278009）;廣東第二師范學(xué)院2018年度校級教學(xué)質(zhì)量與改革工程項目（2018ytyr01）;廣東第二師范學(xué)院2019年度校級教學(xué)質(zhì)量與改革工程項目（2019xnfzsy03）

[作者簡介] 莊卓佩（1999—），女，廣東汕頭人，廣東第二師范學(xué)院計算機科學(xué)系本科生，研究方向：云計算;張 謙（通信作者）。

[中圖分類號] TP319? ? [文獻標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）40-0224-04? ? [收稿日期] 2019-11-09

隨著生活水平的提高，人們對消費品的質(zhì)量安全性越來越重視，各行業(yè)也會對品牌形象維護、智能化生產(chǎn)升級提出更高的要求。在生產(chǎn)行業(yè)里，為避免產(chǎn)品缺陷而導(dǎo)致對產(chǎn)品品牌的負面影響，普遍要求制造商在產(chǎn)品封裝之前進行質(zhì)量檢測。在實際產(chǎn)品的流水線生產(chǎn)過程中，因為制造工藝復(fù)雜，產(chǎn)品需要在伺服系統(tǒng)控制下，對不同的材料，在不同的工藝步驟下依次完成不同的操作，因而不可避免地在工藝流程中留下鐵屑、銅絲、甚至斷針等金屬殘留物，這些缺陷對于用戶來說是不可忍受的，必須通過相應(yīng)的金屬檢測系統(tǒng)進行預(yù)警和剔除。

但目前市場上的檢測系統(tǒng)還是較為傳統(tǒng)，一般只是在流水線工作過程中對有發(fā)現(xiàn)的問題產(chǎn)品進行實時報警同時，再通過其他的輔助機構(gòu)進行后續(xù)剔除處理，但對一些具有連續(xù)特征的產(chǎn)品，例如無紡布等，產(chǎn)品不具有剔除性質(zhì)，只能通過停機檢查的形式進行人工干預(yù)處理，然后再進行后續(xù)的管理流程操作，這種工作模式對于追求質(zhì)量和效率的廠商而言，具有很大的約束。

本系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了對包含金屬異物的產(chǎn)品的在線檢測，而且對于檢測出金屬異物的產(chǎn)品，系統(tǒng)在進行實時報警的同時，能夠通過Android系統(tǒng)平臺開發(fā)的攝像頭進行金屬異物取樣拍照，并將采集到的外觀照片發(fā)送到云端進行后續(xù)管理操作。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)是基于“互聯(lián)網(wǎng)+”理念的金屬檢測系統(tǒng)，可以用于自動化生產(chǎn)線上，整個系統(tǒng)上電后自動開始運行。實際運行時，系統(tǒng)主要由三個部分構(gòu)成;如系統(tǒng)設(shè)計圖所示：（1）基于嵌入式MCU系統(tǒng)構(gòu)架，通過電渦流原理構(gòu)造平衡線圈金屬檢測器，當(dāng)有金屬異物的產(chǎn)品通過時檢測系統(tǒng)時，通過金屬檢測系統(tǒng)的接收信號，信號分頻，檢測出異物。（2）在“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)下，通過自學(xué)習(xí)機制對產(chǎn)品的信號進行學(xué)習(xí)和類聚，并智能化地做出判決以及報警。實際運行是，當(dāng)系統(tǒng)檢測出有金屬異物的產(chǎn)品，便啟動系統(tǒng)相機進行缺陷外觀或者是產(chǎn)品外觀拍照，并將采集到的外觀照片，發(fā)送到云端進行后續(xù)管理操作。圖像采集操作通過Android系統(tǒng)平臺開發(fā)的攝像頭處理實現(xiàn)。（3）基于云平臺的管理系統(tǒng)，部署在阿里云上，可以通過瀏覽器在任意地點登錄。云端系統(tǒng)在實時保存Android系統(tǒng)相機上傳的圖像數(shù)據(jù)的同時，通過OPEN CV進行圖像處理，對拍攝到的金屬缺陷物體識別進行歸類操作，實現(xiàn)任意時段內(nèi)的缺陷統(tǒng)計、查詢工作。系統(tǒng)也能定時發(fā)送缺陷統(tǒng)計的電子郵件，給專門的管理人員或主管，便于主管實時掌握生產(chǎn)現(xiàn)場情況，達到提高生產(chǎn)管理水平和效率的目的。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

（一）MCU控制的金屬檢測系統(tǒng)

本檢測系統(tǒng)是在單片機MCU的控制下，自動進行傳感器的數(shù)據(jù)分析，使用時，只需要給系統(tǒng)接通AC-DC直流供電電源即可。AC-DC直流電源已經(jīng)固定，只要打開220V交流電源開關(guān)就可以給系統(tǒng)供電。系統(tǒng)通電后，自動開始運行。

（二）MCU系統(tǒng)三個模塊

1.電感傳感器，包括由兩個0.01uF和500uH電感組成的三點式LC振蕩器，根據(jù)振蕩器的組成原則及反饋網(wǎng)絡(luò)，輸出信號作為LM393比較器的反相輸入信號，輸出可以供數(shù)字電路處理的方波。

2.MCU系統(tǒng)板?？刂破鞑捎肁TMEGA128處理器，實現(xiàn)傳感器信號的處理，進行金屬異物判斷。如果檢測出金屬異物，則產(chǎn)生報警脈沖信號，通過聲光報警器進行報警。同時通過串口通知Android系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攝像頭，進行拍照取樣。

3.聲光報警器及繼電器模塊。聲光報警器采用直流24V供電，當(dāng)檢測出金屬異物時，MCU的報警脈沖信號，通過繼電器的觸發(fā)端口，控制繼電器常開端閉合，從而實現(xiàn)聲光報警器報警。

（三）金屬檢測傳感器電路

在電子線路中，信號源通常是必不可少的部分，在通信系統(tǒng)中信號源常采用正弦波振蕩器。所謂的振蕩器是不需要外部輸入激勵信號、自身能將直流能量轉(zhuǎn)換成交流能量的裝置，所以又稱之為自激振蕩器。根據(jù)自激振蕩器產(chǎn)生的交流信號波形可分為正弦波和非正弦波兩大類，而在通信系統(tǒng)中所用的高頻振蕩器大多為LC正反饋正弦波振蕩器[1]。

本系統(tǒng)傳感器設(shè)計采用三點式LC振蕩器產(chǎn)生正弦波形，由于單片機MCU只能識別0和1，利用電壓比較器將振蕩波形轉(zhuǎn)化成單片機能夠識別的只有高低電平之分的整形波形，輸出可以供數(shù)字電路處理的方波。

（四）MCU單片機處理傳感器信號

本系統(tǒng)采用AVRMEGA系列單片機處理傳感器輸出的波形，通過計算出傳感器輸出波形的頻率與初始設(shè)定頻率的變化，判斷出是否有金屬異物。

波形頻率的計算通過AVR單片機的輸入捕獲功能實現(xiàn)。假定上升沿觸發(fā)輸入捕捉事件，當(dāng)一個輸入捕捉事件發(fā)生時，即引腳ICP1上的邏輯電平由低變高時，T/C1的計數(shù)寄存器TCNTI的計數(shù)值將被定時計數(shù)器的硬件自動同步復(fù)制寫人捕捉寄存器ICR1中，并置位輸入捕獲標(biāo)志位ICF1，產(chǎn)生中斷申請。即當(dāng)每一次ICP1的輸入信號由低變高時，TCNT1中的計數(shù)值都會再次同步復(fù)制到ICRI中。若將連續(xù)2次的ICR1數(shù)據(jù)記錄下來，那么2次ICR1的差值乘以已知的計數(shù)器計數(shù)脈沖的周期，就是輸入信號一個周期的時間，也就是可以得到方波的頻率[2]。

（五）聲光報警系統(tǒng)

聲光報警器采用直流24V供電，當(dāng)檢測出金屬異物時，MCU的報警脈沖信號，通過繼電器的觸發(fā)端口，控制繼電器常開端閉合，從而實現(xiàn)聲光報警器報警。繼電器是自動開關(guān)裝置，依據(jù)外部輸入信號（如電壓、電流、非電、時間、速度和熱量等）控制電路的關(guān)閉或開啟狀態(tài)，且控制電路常與觸點相連[3]。電磁繼電器（electromagnetic relay）的工作原理是輸入電路內(nèi)電磁鐵鐵芯與銜鐵間的吸力作用，其主要組成部分包括電磁鐵鐵芯、線圈、銜鐵、觸點彈簧片等。一般情況下，繼電器的線圈在未通電的條件下是處于斷開狀態(tài)的靜觸點，專業(yè)術(shù)語稱其為“常開觸點”，除此之外還存在一種“常閉觸點”。在線圈的兩端加上一定數(shù)值的電壓，線圈中就會通過一定的電流，在此狀態(tài)下就會產(chǎn)生電磁效應(yīng)，這樣一來電磁效應(yīng)會產(chǎn)生一定的引力，就會對于返回來的彈簧的拉力進行作用，從而會形成抵消，并且銜鐵也會被吸引向鐵芯，從而帶動銜鐵的觸電和斷開狀態(tài)下的靜態(tài)觸電相互吸合[4]。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

（一）Android網(wǎng)絡(luò)攝像機系統(tǒng)

Android是目前最具可移植性的嵌入式操作系統(tǒng)，從接口到功能，都有層出不窮的變化。客戶端的設(shè)計與實現(xiàn)基于Android操作系統(tǒng)以及RTSP協(xié)議，使用Open CV對圖像進行邊緣檢測和圓形檢測的基本處理[5]。

Android系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攝像機是接收MCU金屬檢測系統(tǒng)的串口指令，來啟動拍攝的。所以，登錄系統(tǒng)以后，需要配置串口波特率為38400，數(shù)據(jù)位為8位，無奇偶校驗。配置完串口參數(shù)后，即可打開串口，系統(tǒng)便自動開始工作了，當(dāng)有MCU指令時，就啟動拍攝金屬異物圖片，并上傳到云系統(tǒng)中。

自學(xué)習(xí)機制就是要使計算機模擬人的學(xué)習(xí)行為，針對各類特征知識庫自動進行分類，快速準(zhǔn)確地幫助用戶進行定位，降低故障診斷的專業(yè)性和難度。自學(xué)習(xí)機制中的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)從環(huán)境中獲得有關(guān)信息，并依據(jù)這些信息和執(zhí)行環(huán)節(jié)反饋回來的相關(guān)信息修改知識庫，對數(shù)據(jù)信息進行分類并做出決策，進而提高系統(tǒng)的執(zhí)行性能[6]。

1.圖像采集。現(xiàn)場異物的采樣圖片通過Android系統(tǒng)平臺開發(fā)的攝像頭處理實現(xiàn)。當(dāng)MCU控制器檢測到異物時，啟動系統(tǒng)相機進行缺陷外觀或者是產(chǎn)品外觀拍照，并將采集到的外觀照片，通過網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送到云端進行后續(xù)管理操作，如圖2所示。

2.系統(tǒng)調(diào)試。Android網(wǎng)絡(luò)攝像機分別在運行Android系統(tǒng)的手機和Android系統(tǒng)開發(fā)板上都實現(xiàn)了。Android網(wǎng)絡(luò)攝像機通過讀取串口數(shù)據(jù)，接收MCU控制的金屬檢測。

系統(tǒng)發(fā)送過來的啟動拍照命令，對金屬異物進行拍照取樣，同時通過Wifi網(wǎng)絡(luò)，將拍攝的照片發(fā)送到云端的金屬檢測云系統(tǒng)。

Android系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攝像機采用基于Android系統(tǒng)的手機或開發(fā)板開發(fā)，因為攝像機采集到的金屬異物圖片要上傳到云服務(wù)器上，所以打開網(wǎng)絡(luò)攝像機時，需要進行身份驗證，輸入用戶名：test123，密碼：test123后，即可登錄系統(tǒng)，啟動攝像機。

（二）基于阿里云的金屬檢測云系統(tǒng)

阿里云是全球領(lǐng)先的云計算服務(wù)平臺之一，能為用戶提供云服務(wù)器ECS、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫服務(wù)RDS、開放存儲服務(wù)OSS、大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)服務(wù)、人工智能ET等諸多互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)。目前越來越多的企業(yè)和機構(gòu)采用阿里云搭建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平臺，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化采集、監(jiān)控、存儲以及分析[7]。

1.功能簡介。（1）云解析：易于管理識別的域名轉(zhuǎn)換為計算機用于互聯(lián)通信的數(shù)字IP地址，從而將用戶的訪問路由到相應(yīng)的網(wǎng)站或應(yīng)用服務(wù)器。優(yōu)點：穩(wěn)定、安全、快速、可拓展。（2）安全云服務(wù)：在云服務(wù)器外層擁有云安全中心，保證服務(wù)器安全。（3）CA證書加密：WEB應(yīng)用服務(wù)HTTPS化，使其可信，防劫持、防篡改、防監(jiān)聽、安全加密。（4）高性能API：采用Flask框架、Restful API架構(gòu)和HTTP AUTH安全機制，實現(xiàn)前后端分離，減少流量，提高安全性，提高API處理效率，優(yōu)化服務(wù)端性能。（5）自適應(yīng)前端管理：管理員可以通過不同設(shè)備訪問Bootstrap架構(gòu)搭建HTML5前端管理頁面查詢問題產(chǎn)品信息。（6）產(chǎn)品信息存儲：通過OSS對象存儲和MySQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲產(chǎn)品信息。（7）產(chǎn)品識別處理：對問題產(chǎn)品照片進行圖像識別，進行歸類。（8）彈性伸縮：根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)需求和策略，經(jīng)濟的自動調(diào)整彈性計算資源的管理服務(wù)。（9）拓展性高：服務(wù)端使用Python編寫的輕量級Web應(yīng)用框架，可以應(yīng)用目前Python中的各種庫，并且容易去開拓新業(yè)務(wù)功能。（10）狀態(tài)通知：服務(wù)器定期將目前系統(tǒng)狀態(tài)通過郵件發(fā)送至管理員。

2.系統(tǒng)界面。金屬檢測云端系統(tǒng)，部署在阿里云上，能夠?qū)崟r記錄Android系統(tǒng)相機的圖像數(shù)據(jù)，并通過集成的OPEN CV庫圖像處理，對拍攝到的金屬缺陷物體進行自動識別、歸類操作，以便進行后續(xù)管理流程操作。如圖5所示，金屬檢測云系統(tǒng)服務(wù)端使用Python編寫的輕量級Web應(yīng)用框架，可以應(yīng)用目前Python中的各種庫，并且容易去開拓新業(yè)務(wù)功能。服務(wù)器定期將目前系統(tǒng)狀態(tài)通過郵件發(fā)送至管理員。

3.云系統(tǒng)部署。本系統(tǒng)部署在阿里云上，可以通過瀏覽器，在任何有因特網(wǎng)的地方登錄，與訪問普通網(wǎng)站的操作類似。登錄網(wǎng)址：Aliyun.avtion.cn。用戶名：test123密碼：test123。此用戶與Android系統(tǒng)攝像機驗證的身份是一樣的。登錄云系統(tǒng)后，便可以查詢所有檢測分析的歷史記錄及統(tǒng)計分析結(jié)果。

四、整體運作

通過MCU控制的金屬檢測系統(tǒng)，對實際產(chǎn)品中包含的金屬異物進行在線檢測，對于檢測出金屬異物的產(chǎn)品，系統(tǒng)在進行實時報警的同時，通知現(xiàn)場相機，進行金屬異物取樣拍照?，F(xiàn)場異物的采樣圖片通過Andorid系統(tǒng)平臺開發(fā)的攝像頭處理實現(xiàn)。當(dāng)MCU控制器檢測到異物時，啟動系統(tǒng)相機進行缺陷外觀或者是產(chǎn)品外觀拍照，并將采集到的外觀照片，通過網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送到云端進行后續(xù)管理操作。

金屬檢測云端系統(tǒng)，部署在阿里云上，能夠?qū)崟r記錄Android系統(tǒng)相機的圖像數(shù)據(jù)，并通過集成的OPEN CV庫圖像處理，對拍攝到的金屬缺陷物體進行自動識別、歸類操作，以便進行后續(xù)管理流程操作?；谠破脚_的管理系統(tǒng)，可以通過瀏覽器在任意地點通過網(wǎng)絡(luò)登錄，登錄網(wǎng)址：Aliyun.avtion.cn。用戶名：test123，密碼：test123。并實現(xiàn)任意時段內(nèi)的缺陷統(tǒng)計、查詢工作。系統(tǒng)也能定時發(fā)送缺陷統(tǒng)計結(jié)果給專門的管理人員或主管，便于主管實時掌握生產(chǎn)現(xiàn)場情況，達到提高生產(chǎn)管理水平和效率的目的。

五、結(jié)語

本系統(tǒng)基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的金屬檢測云系統(tǒng)，針對現(xiàn)有生產(chǎn)模式的現(xiàn)狀，結(jié)合最新的傳感器技術(shù)、移動應(yīng)用開發(fā)、云計算、圖像處理技術(shù)，開發(fā)出具有現(xiàn)場檢測、智能識別、云端管理的一體化系統(tǒng)，可以廣泛由于食品加工（斷針、刀片、鋼絲球的檢測等）、個人衛(wèi)生用品的生產(chǎn)（鐵屑、金屬絲、螺絲的檢測等）、藥物、化妝品生產(chǎn)（鐵屑、斷針、鐵釘?shù)臋z測等）等領(lǐng)域，有利于企業(yè)利用技術(shù)手段保證生產(chǎn)質(zhì)量，在激烈的市場競爭中占領(lǐng)制高點，因此，系統(tǒng)具有很強的借鑒價值和推廣意義。

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