基于5G通信的工業產線視覺檢測系統設計

摘 要 基于5G通信的工業產線視覺檢測系統，通過5G通信網絡實現多個本地視覺檢測控制器與云端服務器的組網集中管理，構建自動化生產領域的云化視覺檢測系統。實現視覺檢測設備的遠程運維、智能管控，保證工業自動化生產過程中的產品質量。

關鍵詞 5G通信;工業產線;視覺檢測;智能管控

5G通信技術已經成為支撐智能制造轉型的關鍵使能技術，能將分布廣泛的物料、機器和設備全部連接起來，構成統一的工業互聯網絡，幫助制造企業擺脫以往無線網絡技術較為混亂的應用狀態，這對于推動工業互聯網的實施以及智能制造的深化轉型有著積極的意義[1]。

1系統概述

機器視覺系統是工業制造環境下使用非常普遍的一種重要應用系統，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，能夠實現微小尺寸測量和滿足高速工業在線檢測等功能，能最大程度上提高現代工業自動化生產的效率，是生產制造各個階段的必要組成部分。

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

基于5G通信的工業產線視覺檢測系統組成如圖1所示，主要由本地視覺檢測設備、5G CPE（5G無線數據終端）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產線上多個待檢目標的圖像，通過圖像處理技術對圖像數據進行計算、識別或匹配，判斷產品是否存在缺陷，并根據判斷結果做出剔除、報警等操作，同時將圖像及處理結果通過5G通信網絡傳輸至云端服務器;5G CPE主要是對5G通信網絡的中繼，本地控制器通過千兆網線或WIFI連接5G CPE，然后接入5G通信網絡與云端服務器進行通信，并將工業現場數據及處理結果傳輸至云端服務器;云端服務器主要對組網的視覺檢測設備進行集中管理，提供人機交互的操作界面，方便用戶查看組網內各檢測設備的運行信息、檢測圖像以及設置參數等，同時對各檢測點進行生產數據統計、圖像運算等二次分析，實現產線視覺檢測設備參數自動調整、產線健康狀態分析、工藝指導等應用。

2硬件方案

基于5G通信的工業產線視覺檢測系統的原理框圖如圖2所示，主要由圖像采集模塊、本地控制器、5G CPE（5G無線數據終端）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產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，是集工業相機控制、光源控制、圖像處理、數據統計及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據進行特征分析、識別與匹配，判斷產品是否存在缺陷，并根據判斷結果做出剔除、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串行調試接口等，根據具體配置多達90個GPIO口可以提供使用。

5G CPE主要是對5G通信網絡的中繼，本地控制器通過千兆網線或WIFI連接至5G CPE，然后接入至5G通信網絡與云端服務器進行通信與數據傳輸。經過實測，經5G CPE接入5G通信網絡能達到上行200Mbps以上的傳輸速率，相比4G網絡上行10Mbps左右的速度有了質的提升，為本系統海量數據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、云端數據庫、處理器及存儲設備組成，提供對組網內的視覺檢測設備集中管理，提供人機交互的操作界面，方便用戶查看組網內各檢測設備的運行信息、檢測圖像以及設置參數等。同時可對各檢測點進行生產數據統計、圖像運算等二次分析，實現產線視覺檢測設備參數自動調整、產線健康狀態分析、工藝指導等應用。

3軟件方案

為了實現云端服務器、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。系統軟件組成如圖3所示。

云端集中管理軟件用于實現云端服務器的功能，其主要模塊包括人機交互界面、數據統計、參數設置、品牌管理、數據庫管理、狀態分析及檢測報表形成。最后提供人機交互的操作界面，方便用戶查看組網內各檢測設備的運行信息、系統參數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數據統計、圖像二次分析與運算，得出具有指導意義的檢測參數自動調整、產線健康狀態分析、工藝指導等。

控制器上位機軟件的功能主要包括圖像處理、數據統計、控制器系統整體控制、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、數據統計模塊、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

本系統通過5G通信技術實現多控制器、多相機的擴展與組網集中管理，從而構建多工位、多維度的云化視覺檢測系統。高速率、低延時的5G網絡使組網更加靈活，作業效率明顯提升;云端大數據處理與深度學習協同使質量保障有更高的提升;云化部署使調測、維護、擴展更便捷并讓時間大幅縮短，對工業生產線提質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為人工智能與工業互聯網賦能[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。