基于5G通信的工業(yè)產(chǎn)線視覺檢測系統(tǒng)設計

摘 要 基于5G通信的工業(yè)產(chǎn)線視覺檢測系統(tǒng)，通過5G通信網(wǎng)絡實現(xiàn)多個本地視覺檢測控制器與云端服務器的組網(wǎng)集中管理，構建自動化生產(chǎn)領域的云化視覺檢測系統(tǒng)。實現(xiàn)視覺檢測設備的遠程運維、智能管控，保證工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量。

關鍵詞 5G通信;工業(yè)產(chǎn)線;視覺檢測;智能管控

5G通信技術已經(jīng)成為支撐智能制造轉(zhuǎn)型的關鍵使能技術，能將分布廣泛的物料、機器和設備全部連接起來，構成統(tǒng)一的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡，幫助制造企業(yè)擺脫以往無線網(wǎng)絡技術較為混亂的應用狀態(tài)，這對于推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實施以及智能制造的深化轉(zhuǎn)型有著積極的意義[1]。

1系統(tǒng)概述

機器視覺系統(tǒng)是工業(yè)制造環(huán)境下使用非常普遍的一種重要應用系統(tǒng)，能代替人眼進行測量和判別，可極大地提高測量的精度、判別的準確率、辨別速度和增加復雜惡劣應用場合，能夠?qū)崿F(xiàn)微小尺寸測量和滿足高速工業(yè)在線檢測等功能，能最大程度上提高現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)的效率，是生產(chǎn)制造各個階段的必要組成部分。

上述傳統(tǒng)模式機器視覺系統(tǒng)的任務主要是單純的圖像采集、圖像分析和做出判斷動作，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能和5G通信等新一輪信息技術的發(fā)展，全球化工業(yè)革命開始提上日程，工業(yè)轉(zhuǎn)型開始進入智能制造的實質(zhì)階段，傳統(tǒng)機器視覺系統(tǒng)逐漸暴露出單機獨立工作且成本高、形成數(shù)據(jù)孤島、線路維護及軟件升級復雜、有線傳輸距離短、部署調(diào)試時間長等“瓶頸”問題。

基于5G通信的工業(yè)產(chǎn)線視覺檢測系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由本地視覺檢測設備、5G CPE（5G無線數(shù)據(jù)終端）和云端服務器組成。本地視覺檢測設備通過圖像采集模塊采集工業(yè)產(chǎn)線上多個待檢目標的圖像，通過圖像處理技術對圖像數(shù)據(jù)進行計算、識別或匹配，判斷產(chǎn)品是否存在缺陷，并根據(jù)判斷結果做出剔除、報警等操作，同時將圖像及處理結果通過5G通信網(wǎng)絡傳輸至云端服務器;5G CPE主要是對5G通信網(wǎng)絡的中繼，本地控制器通過千兆網(wǎng)線或WIFI連接5G CPE，然后接入5G通信網(wǎng)絡與云端服務器進行通信，并將工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)及處理結果傳輸至云端服務器;云端服務器主要對組網(wǎng)的視覺檢測設備進行集中管理，提供人機交互的操作界面，方便用戶查看組網(wǎng)內(nèi)各檢測設備的運行信息、檢測圖像以及設置參數(shù)等，同時對各檢測點進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、圖像運算等二次分析，實現(xiàn)產(chǎn)線視覺檢測設備參數(shù)自動調(diào)整、產(chǎn)線健康狀態(tài)分析、工藝指導等應用。

2硬件方案

基于5G通信的工業(yè)產(chǎn)線視覺檢測系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示，主要由圖像采集模塊、本地控制器、5G CPE（5G無線數(shù)據(jù)終端）和云端服務器四個部分組成。

圖像采集模塊負責通過圖像傳感器采集工業(yè)產(chǎn)線各檢測點待檢對象的圖像并進行初步處理后傳送給控制器，主要由LED光源、工業(yè)相機、光學鏡頭、接口電路等幾部分組成。不同檢測對象的圖像采集模塊采用同一系列工業(yè)相機與接口電路，選用適合對象識別的專用LED光源與光學鏡頭。

本地控制器為視覺檢測設備的核心處理單元，主要由CPU模塊、MCU及其外圍電路組成，是集工業(yè)相機控制、光源控制、圖像處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計及IO信號處理等功能為一體的資源豐富的通用模塊。其通過圖像處理技術對圖像數(shù)據(jù)進行特征分析、識別與匹配，判斷產(chǎn)品是否存在缺陷，并根據(jù)判斷結果做出剔除、報警等操作，同時將原始圖像及處理結果發(fā)送至云端服務器。CPU模塊采用的是符合COM Express標準模塊，該模塊是基于PCI Express總線的高集成度計算機模塊，通過自帶的接插件與控制板上的接插件對插，即插即用，主要用于操作系統(tǒng)及測試軟件的運行。MCU采用的是當前流行的ST公司的基于Cortex-M4的32位單片機STM32F407，包含GPIO模塊、QEI模塊、UART、JTAG串行調(diào)試接口等，根據(jù)具體配置多達90個GPIO口可以提供使用。

5G CPE主要是對5G通信網(wǎng)絡的中繼，本地控制器通過千兆網(wǎng)線或WIFI連接至5G CPE，然后接入至5G通信網(wǎng)絡與云端服務器進行通信與數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過實測，經(jīng)5G CPE接入5G通信網(wǎng)絡能達到上行200Mbps以上的傳輸速率，相比4G網(wǎng)絡上行10Mbps左右的速度有了質(zhì)的提升，為本系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)實時傳輸提供了強有力的支撐。

云端服務器主要由人機交互的顯示終端、云端數(shù)據(jù)庫、處理器及存儲設備組成，提供對組網(wǎng)內(nèi)的視覺檢測設備集中管理，提供人機交互的操作界面，方便用戶查看組網(wǎng)內(nèi)各檢測設備的運行信息、檢測圖像以及設置參數(shù)等。同時可對各檢測點進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、圖像運算等二次分析，實現(xiàn)產(chǎn)線視覺檢測設備參數(shù)自動調(diào)整、產(chǎn)線健康狀態(tài)分析、工藝指導等應用。

3軟件方案

為了實現(xiàn)云端服務器、本地控制器和圖像采集三個模塊的功能，本系統(tǒng)軟件主體設計上分為云端集中管理軟件、控制器上位機軟件、控制器下位機軟件三個功能獨立的模塊，同時還設計了5G通信類庫、串口通信類庫和視覺檢測類庫三個通用類庫。系統(tǒng)軟件組成如圖3所示。

云端集中管理軟件用于實現(xiàn)云端服務器的功能，其主要模塊包括人機交互界面、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、參數(shù)設置、品牌管理、數(shù)據(jù)庫管理、狀態(tài)分析及檢測報表形成。最后提供人機交互的操作界面，方便用戶查看組網(wǎng)內(nèi)各檢測設備的運行信息、系統(tǒng)參數(shù)及檢測工具設置和與控制器通信等。同時對各檢測點進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、圖像二次分析與運算，得出具有指導意義的檢測參數(shù)自動調(diào)整、產(chǎn)線健康狀態(tài)分析、工藝指導等。

控制器上位機軟件的功能主要包括圖像處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、控制器系統(tǒng)整體控制、與云端集中管理軟件通信和與控制器下位機軟件通信。因此其軟件包含啟動、圖像處理模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊、串口通信模塊和5G通信模塊。

控制器下位機軟件的功能主要是對相機、光源和I/O信號進行操作，包含I/O信號處理、相機控制、光源控制和串口通信模塊。

視覺檢測類庫采用多層次模塊化設計理念，最頂層為系統(tǒng)類;第二層為相機類，品牌類，班次類;第三層為工具類、公差類、光源類;第四層為最底層，提供各檢測算法。

4結束語

本系統(tǒng)通過5G通信技術實現(xiàn)多控制器、多相機的擴展與組網(wǎng)集中管理，從而構建多工位、多維度的云化視覺檢測系統(tǒng)。高速率、低延時的5G網(wǎng)絡使組網(wǎng)更加靈活，作業(yè)效率明顯提升;云端大數(shù)據(jù)處理與深度學習協(xié)同使質(zhì)量保障有更高的提升;云化部署使調(diào)測、維護、擴展更便捷并讓時間大幅縮短，對工業(yè)生產(chǎn)線提質(zhì)增效升級有重要的意義，具有非常廣闊的市場前景。

參考文獻

[1] 王喜文.5G為人工智能與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能[J].自動化博覽， 2019 （12）： 7.

作者簡介

張義偉（1982-），男，職稱：高級工程師，現(xiàn)就職單位：中國電子科技集團公司第四十一研究所，研究方向：智能檢測與控制。