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

莊卓佩 張謙 馬乃韜 黃順鑫 馬嘉杰

[摘 要] 針對(duì)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(jì)的金屬檢測(cè)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(tái)開發(fā)的攝像程序，對(duì)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(shí)現(xiàn)缺陷產(chǎn)品外觀照片的實(shí)時(shí)保存和后續(xù)管理操作，并能夠進(jìn)行任意時(shí)段內(nèi)的缺陷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和查詢，便于管理部門實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(xiàng)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(jì)劃項(xiàng)目（201914278009）;廣東第二師范學(xué)院2018年度校級(jí)教學(xué)質(zhì)量與改革工程項(xiàng)目（2018ytyr01）;廣東第二師范學(xué)院2019年度校級(jí)教學(xué)質(zhì)量與改革工程項(xiàng)目（2019xnfzsy03）

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

[中圖分類號(hào)] TP319? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 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(duì)消費(fèi)品的質(zhì)量安全性越來越重視，各行業(yè)也會(huì)對(duì)品牌形象維護(hù)、智能化生產(chǎn)升級(jí)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(duì)產(chǎn)品品牌的負(fù)面影響，普遍要求制造商在產(chǎn)品封裝之前進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。在實(shí)際產(chǎn)品的流水線生產(chǎn)過程中，因?yàn)橹圃旃に噺?fù)雜，產(chǎn)品需要在伺服系統(tǒng)控制下，對(duì)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(duì)于用戶來說是不可忍受的，必須通過相應(yīng)的金屬檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警和剔除。

但目前市場(chǎng)上的檢測(cè)系統(tǒng)還是較為傳統(tǒng)，一般只是在流水線工作過程中對(duì)有發(fā)現(xiàn)的問題產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警同時(shí)，再通過其他的輔助機(jī)構(gòu)進(jìn)行后續(xù)剔除處理，但對(duì)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(jī)檢查的形式進(jìn)行人工干預(yù)處理，然后再進(jìn)行后續(xù)的管理流程操作，這種工作模式對(duì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)包含金屬異物的產(chǎn)品的在線檢測(cè)，而且對(duì)于檢測(cè)出金屬異物的產(chǎn)品，系統(tǒng)在進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警的同時(shí)，能夠通過Android系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)的攝像頭進(jìn)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(jìn)行后續(xù)管理操作。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是基于“互聯(lián)網(wǎng)+”理念的金屬檢測(cè)系統(tǒng)，可以用于自動(dòng)化生產(chǎn)線上，整個(gè)系統(tǒng)上電后自動(dòng)開始運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)主要由三個(gè)部分構(gòu)成;如系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)器，當(dāng)有金屬異物的產(chǎn)品通過時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，通過金屬檢測(cè)系統(tǒng)的接收信號(hào)，信號(hào)分頻，檢測(cè)出異物。（2）在“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)下，通過自學(xué)習(xí)機(jī)制對(duì)產(chǎn)品的信號(hào)進(jìn)行學(xué)習(xí)和類聚，并智能化地做出判決以及報(bào)警。實(shí)際運(yùn)行是，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)出有金屬異物的產(chǎn)品，便啟動(dòng)系統(tǒng)相機(jī)進(jìn)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(jìn)行后續(xù)管理操作。圖像采集操作通過Android系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)的攝像頭處理實(shí)現(xiàn)。（3）基于云平臺(tái)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(diǎn)登錄。云端系統(tǒng)在實(shí)時(shí)保存Android系統(tǒng)相機(jī)上傳的圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)，通過OPEN CV進(jìn)行圖像處理，對(duì)拍攝到的金屬缺陷物體識(shí)別進(jìn)行歸類操作，實(shí)現(xiàn)任意時(shí)段內(nèi)的缺陷統(tǒng)計(jì)、查詢工作。系統(tǒng)也能定時(shí)發(fā)送缺陷統(tǒng)計(jì)的電子郵件，給專門的管理人員或主管，便于主管實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況，達(dá)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）MCU控制的金屬檢測(cè)系統(tǒng)

本檢測(cè)系統(tǒng)是在單片機(jī)MCU的控制下，自動(dòng)進(jìn)行傳感器的數(shù)據(jù)分析，使用時(shí)，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(dòng)開始運(yùn)行。

（二）MCU系統(tǒng)三個(gè)模塊

1.電感傳感器，包括由兩個(gè)0.01uF和500uH電感組成的三點(diǎn)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(hào)作為L(zhǎng)M393比較器的反相輸入信號(hào)，輸出可以供數(shù)字電路處理的方波。

2.MCU系統(tǒng)板。控制器采用ATMEGA128處理器，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的處理，進(jìn)行金屬異物判斷。如果檢測(cè)出金屬異物，則產(chǎn)生報(bào)警脈沖信號(hào)，通過聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)通過串口通知Android系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攝像頭，進(jìn)行拍照取樣。

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

（三）金屬檢測(cè)傳感器電路

在電子線路中，信號(hào)源通常是必不可少的部分，在通信系統(tǒng)中信號(hào)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(lì)信號(hào)、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(hào)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L(zhǎng)C正反饋正弦波振蕩器[1]。

本系統(tǒng)傳感器設(shè)計(jì)采用三點(diǎn)式LC振蕩器產(chǎn)生正弦波形，由于單片機(jī)MCU只能識(shí)別0和1，利用電壓比較器將振蕩波形轉(zhuǎn)化成單片機(jī)能夠識(shí)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(jī)處理傳感器信號(hào)

本系統(tǒng)采用AVRMEGA系列單片機(jī)處理傳感器輸出的波形，通過計(jì)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(jì)算通過AVR單片機(jī)的輸入捕獲功能實(shí)現(xiàn)。假定上升沿觸發(fā)輸入捕捉事件，當(dāng)一個(gè)輸入捕捉事件發(fā)生時(shí)，即引腳ICP1上的邏輯電平由低變高時(shí)，T/C1的計(jì)數(shù)寄存器TCNTI的計(jì)數(shù)值將被定時(shí)計(jì)數(shù)器的硬件自動(dòng)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(qǐng)。即當(dāng)每一次ICP1的輸入信號(hào)由低變高時(shí)，TCNT1中的計(jì)數(shù)值都會(huì)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(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)脈沖的周期，就是輸入信號(hào)一個(gè)周期的時(shí)間，也就是可以得到方波的頻率[2]。

（五）聲光報(bào)警系統(tǒng)

聲光報(bào)警器采用直流24V供電，當(dāng)檢測(cè)出金屬異物時(shí)，MCU的報(bào)警脈沖信號(hào)，通過繼電器的觸發(fā)端口，控制繼電器常開端閉合，從而實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警器報(bào)警。繼電器是自動(dòng)開關(guān)裝置，依據(jù)外部輸入信號(hào)（如電壓、電流、非電、時(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，專業(yè)術(shù)語稱其為“常開觸點(diǎn)”，除此之外還存在一種“常閉觸點(diǎn)”。在線圈的兩端加上一定數(shù)值的電壓，線圈中就會(huì)通過一定的電流，在此狀態(tài)下就會(huì)產(chǎn)生電磁效應(yīng)，這樣一來電磁效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一定的引力，就會(huì)對(duì)于返回來的彈簧的拉力進(jìn)行作用，從而會(huì)形成抵消，并且銜鐵也會(huì)被吸引向鐵芯，從而帶動(dòng)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(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）Android網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)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(jì)與實(shí)現(xiàn)基于Android操作系統(tǒng)以及RTSP協(xié)議，使用Open CV對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)和圓形檢測(cè)的基本處理[5]。

Android系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是接收MCU金屬檢測(cè)系統(tǒng)的串口指令，來啟動(dòng)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(yàn)。配置完串口參數(shù)后，即可打開串口，系統(tǒng)便自動(dòng)開始工作了，當(dāng)有MCU指令時(shí)，就啟動(dòng)拍攝金屬異物圖片，并上傳到云系統(tǒng)中。

自學(xué)習(xí)機(jī)制就是要使計(jì)算機(jī)模擬人的學(xué)習(xí)行為，針對(duì)各類特征知識(shí)庫自動(dòng)進(jìn)行分類，快速準(zhǔn)確地幫助用戶進(jìn)行定位，降低故障診斷的專業(yè)性和難度。自學(xué)習(xí)機(jī)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(shí)庫，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類并做出決策，進(jìn)而提高系統(tǒng)的執(zhí)行性能[6]。

1.圖像采集。現(xiàn)場(chǎng)異物的采樣圖片通過Android系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)的攝像頭處理實(shí)現(xiàn)。當(dāng)MCU控制器檢測(cè)到異物時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)相機(jī)進(jìn)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(jìn)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(jī)分別在運(yùn)行Android系統(tǒng)的手機(jī)和Android系統(tǒng)開發(fā)板上都實(shí)現(xiàn)了。Android網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)通過讀取串口數(shù)據(jù)，接收MCU控制的金屬檢測(cè)。

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

Android系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采用基于Android系統(tǒng)的手機(jī)或開發(fā)板開發(fā)，因?yàn)閿z像機(jī)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(jī)時(shí)，需要進(jìn)行身份驗(yàn)證，輸入用戶名：test123，密碼：test123后，即可登錄系統(tǒng)，啟動(dòng)攝像機(jī)。

（二）基于阿里云的金屬檢測(cè)云系統(tǒng)

阿里云是全球領(lǐng)先的云計(jì)算服務(wù)平臺(tái)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(chǔ)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(jī)構(gòu)采用阿里云搭建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化采集、監(jiān)控、存儲(chǔ)以及分析[7]。

1.功能簡(jiǎn)介。（1）云解析：易于管理識(shí)別的域名轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)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(diǎn)：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(jī)制，實(shí)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(chǔ)：通過OSS對(duì)象存儲(chǔ)和MySQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)產(chǎn)品信息。（7）產(chǎn)品識(shí)別處理：對(duì)問題產(chǎn)品照片進(jìn)行圖像識(shí)別，進(jìn)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(jì)的自動(dòng)調(diào)整彈性計(jì)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(jí)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(cè)云端系統(tǒng)，部署在阿里云上，能夠?qū)崟r(shí)記錄Android系統(tǒng)相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)，并通過集成的OPEN CV庫圖像處理，對(duì)拍攝到的金屬缺陷物體進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、歸類操作，以便進(jìn)行后續(xù)管理流程操作。如圖5所示，金屬檢測(cè)云系統(tǒng)服務(wù)端使用Python編寫的輕量級(jí)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(jī)驗(yàn)證的身份是一樣的。登錄云系統(tǒng)后，便可以查詢所有檢測(cè)分析的歷史記錄及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

四、整體運(yùn)作

通過MCU控制的金屬檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)際產(chǎn)品中包含的金屬異物進(jìn)行在線檢測(cè)，對(duì)于檢測(cè)出金屬異物的產(chǎn)品，系統(tǒng)在進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警的同時(shí)，通知現(xiàn)場(chǎng)相機(jī)，進(jìn)行金屬異物取樣拍照。現(xiàn)場(chǎng)異物的采樣圖片通過Andorid系統(tǒng)平臺(tái)開發(fā)的攝像頭處理實(shí)現(xiàn)。當(dāng)MCU控制器檢測(cè)到異物時(shí)，啟動(dòng)系統(tǒng)相機(jī)進(jìn)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(jìn)行后續(xù)管理操作。

金屬檢測(cè)云端系統(tǒng)，部署在阿里云上，能夠?qū)崟r(shí)記錄Android系統(tǒng)相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)，并通過集成的OPEN CV庫圖像處理，對(duì)拍攝到的金屬缺陷物體進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、歸類操作，以便進(jìn)行后續(xù)管理流程操作。基于云平臺(tái)的管理系統(tǒng)，可以通過瀏覽器在任意地點(diǎn)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(shí)現(xiàn)任意時(shí)段內(nèi)的缺陷統(tǒng)計(jì)、查詢工作。系統(tǒng)也能定時(shí)發(fā)送缺陷統(tǒng)計(jì)結(jié)果給專門的管理人員或主管，便于主管實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況，達(dá)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(cè)云系統(tǒng)，針對(duì)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(dòng)應(yīng)用開發(fā)、云計(jì)算、圖像處理技術(shù)，開發(fā)出具有現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、智能識(shí)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(cè)等）、個(gè)人衛(wèi)生用品的生產(chǎn)（鐵屑、金屬絲、螺絲的檢測(cè)等）、藥物、化妝品生產(chǎn)（鐵屑、斷針、鐵釘?shù)臋z測(cè)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占領(lǐng)制高點(diǎn)，因此，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的借鑒價(jià)值和推廣意義。

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