基于互聯網技術的在線金屬檢測系統設計

莊卓佩 張謙 馬乃韜 黃順鑫 馬嘉杰

[摘 要] 針對生產線上生產工藝的現狀，基于嵌入式MCU系統構架設計的金屬檢測系統，能夠檢查出有金屬異物缺陷的產品，再通過Android系統平臺開發的攝像程序，對缺陷外觀或者是產品外觀拍照，把采集到的圖像數據發送到云端處理，可以實現缺陷產品外觀照片的實時保存和后續管理操作，并能夠進行任意時段內的缺陷數據統計和查詢，便于管理部門實時掌握現場生產情況。本技術所研發的系統，提高了生產線上的品質檢測水平，具有廣闊的推廣前景。

[關鍵詞] MCU系統構架;Android系統;云端系統

[基金項目] 廣東第二師范學院2019年度大學生創新創業訓練計劃項目（201914278009）;廣東第二師范學院2018年度校級教學質量與改革工程項目（2018ytyr01）;廣東第二師范學院2019年度校級教學質量與改革工程項目（2019xnfzsy03）

[作者簡介] 莊卓佩（1999—），女，廣東汕頭人，廣東第二師范學院計算機科學系本科生，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，人們對消費品的質量安全性越來越重視，各行業也會對品牌形象維護、智能化生產升級提出更高的要求。在生產行業里，為避免產品缺陷而導致對產品品牌的負面影響，普遍要求制造商在產品封裝之前進行質量檢測。在實際產品的流水線生產過程中，因為制造工藝復雜，產品需要在伺服系統控制下，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，必須通過相應的金屬檢測系統進行預警和剔除。

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

本系統不僅實現了對包含金屬異物的產品的在線檢測，而且對于檢測出金屬異物的產品，系統在進行實時報警的同時，能夠通過Android系統平臺開發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送到云端進行后續管理操作。

一、系統總體設計

本系統是基于“互聯網+”理念的金屬檢測系統，可以用于自動化生產線上，整個系統上電后自動開始運行。實際運行時，系統主要由三個部分構成;如系統設計圖所示：（1）基于嵌入式MCU系統構架，通過電渦流原理構造平衡線圈金屬檢測器，當有金屬異物的產品通過時檢測系統時，通過金屬檢測系統的接收信號，信號分頻，檢測出異物。（2）在“互聯網+”技術下，通過自學習機制對產品的信號進行學習和類聚，并智能化地做出判決以及報警。實際運行是，當系統檢測出有金屬異物的產品，便啟動系統相機進行缺陷外觀或者是產品外觀拍照，并將采集到的外觀照片，發送到云端進行后續管理操作。圖像采集操作通過Android系統平臺開發的攝像頭處理實現。（3）基于云平臺的管理系統，部署在阿里云上，可以通過瀏覽器在任意地點登錄。云端系統在實時保存Android系統相機上傳的圖像數據的同時，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，實現任意時段內的缺陷統計、查詢工作。系統也能定時發送缺陷統計的電子郵件，給專門的管理人員或主管，便于主管實時掌握生產現場情況，達到提高生產管理水平和效率的目的。

二、系統硬件設計與實現

（一）MCU控制的金屬檢測系統

本檢測系統是在單片機MCU的控制下，自動進行傳感器的數據分析，使用時，只需要給系統接通AC-DC直流供電電源即可。AC-DC直流電源已經固定，只要打開220V交流電源開關就可以給系統供電。系統通電后，自動開始運行。

（二）MCU系統三個模塊

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，根據振蕩器的組成原則及反饋網絡，輸出信號作為LM393比較器的反相輸入信號，輸出可以供數字電路處理的方波。

2.MCU系統板。控制器采用ATMEGA128處理器，實現傳感器信號的處理，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系統網絡攝像頭，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，當檢測出金屬異物時，MCU的報警脈沖信號，通過繼電器的觸發端口，控制繼電器常開端閉合，從而實現聲光報警器報警。

（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換成交流能量的裝置，所以又稱之為自激振蕩器。根據自激振蕩器產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]。

本系統傳感器設計采用三點式LC振蕩器產生正弦波形，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，輸出可以供數字電路處理的方波。

（四）MCU單片機處理傳感器信號

本系統采用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。假定上升沿觸發輸入捕捉事件，當一個輸入捕捉事件發生時，即引腳ICP1上的邏輯電平由低變高時，T/C1的計數寄存器TCNTI的計數值將被定時計數器的硬件自動同步復制寫人捕捉寄存器ICR1中，并置位輸入捕獲標志位ICF1，產生中斷申請。即當每一次ICP1的輸入信號由低變高時，TCNT1中的計數值都會再次同步復制到ICRI中。若將連續2次的ICR1數據記錄下來，那么2次ICR1的差值乘以已知的計數器計數脈沖的周期，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

聲光報警器采用直流24V供電，當檢測出金屬異物時，MCU的報警脈沖信號，通過繼電器的觸發端口，控制繼電器常開端閉合，從而實現聲光報警器報警。繼電器是自動開關裝置，依據外部輸入信號（如電壓、電流、非電、時間、速度和熱量等）控制電路的關閉或開啟狀態，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的靜觸點，專業術語稱其為“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值的電壓，線圈中就會通過一定的電流，在此狀態下就會產生電磁效應，這樣一來電磁效應會產生一定的引力，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下的靜態觸電相互吸合[4]。

三、系統軟件設計與實現

（一）Android網絡攝像機系統

Android是目前最具可移植性的嵌入式操作系統，從接口到功能，都有層出不窮的變化。客戶端的設計與實現基于Android操作系統以及RTSP協議，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系統網絡攝像機是接收MCU金屬檢測系統的串口指令，來啟動拍攝的。所以，登錄系統以后，需要配置串口波特率為38400，數據位為8位，無奇偶校驗。配置完串口參數后，即可打開串口，系統便自動開始工作了，當有MCU指令時，就啟動拍攝金屬異物圖片，并上傳到云系統中。

自學習機制就是要使計算機模擬人的學習行為，針對各類特征知識庫自動進行分類，快速準確地幫助用戶進行定位，降低故障診斷的專業性和難度。自學習機制中的學習環節從環境中獲得有關信息，并依據這些信息和執行環節反饋回來的相關信息修改知識庫，對數據信息進行分類并做出決策，進而提高系統的執行性能[6]。

1.圖像采集。現場異物的采樣圖片通過Android系統平臺開發的攝像頭處理實現。當MCU控制器檢測到異物時，啟動系統相機進行缺陷外觀或者是產品外觀拍照，并將采集到的外觀照片，通過網絡，發送到云端進行后續管理操作，如圖2所示。

2.系統調試。Android網絡攝像機分別在運行Android系統的手機和Android系統開發板上都實現了。Android網絡攝像機通過讀取串口數據，接收MCU控制的金屬檢測。

系統發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網絡，將拍攝的照片發送到云端的金屬檢測云系統。

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

（二）基于阿里云的金屬檢測云系統

阿里云是全球領先的云計算服務平臺之一，能為用戶提供云服務器ECS、關系型數據庫服務RDS、開放存儲服務OSS、大數據基礎服務、人工智能ET等諸多互聯網數據服務。目前越來越多的企業和機構采用阿里云搭建網絡數據平臺，以實現數據的網絡化采集、監控、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換為計算機用于互聯通信的數字IP地址，從而將用戶的訪問路由到相應的網站或應用服務器。優點：穩定、安全、快速、可拓展。（2）安全云服務：在云服務器外層擁有云安全中心，保證服務器安全。（3）CA證書加密：WEB應用服務HTTPS化，使其可信，防劫持、防篡改、防監聽、安全加密。（4）高性能API：采用Flask框架、Restful API架構和HTTP AUTH安全機制，實現前后端分離，減少流量，提高安全性，提高API處理效率，優化服務端性能。（5）自適應前端管理：管理員可以通過不同設備訪問Bootstrap架構搭建HTML5前端管理頁面查詢問題產品信息。（6）產品信息存儲：通過OSS對象存儲和MySQL關系數據庫存儲產品信息。（7）產品識別處理：對問題產品照片進行圖像識別，進行歸類。（8）彈性伸縮：根據用戶的業務需求和策略，經濟的自動調整彈性計算資源的管理服務。（9）拓展性高：服務端使用Python編寫的輕量級Web應用框架，可以應用目前Python中的各種庫，并且容易去開拓新業務功能。（10）狀態通知：服務器定期將目前系統狀態通過郵件發送至管理員。

2.系統界面。金屬檢測云端系統，部署在阿里云上，能夠實時記錄Android系統相機的圖像數據，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，以便進行后續管理流程操作。如圖5所示，金屬檢測云系統服務端使用Python編寫的輕量級Web應用框架，可以應用目前Python中的各種庫，并且容易去開拓新業務功能。服務器定期將目前系統狀態通過郵件發送至管理員。

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

四、整體運作

通過MCU控制的金屬檢測系統，對實際產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品，系統在進行實時報警的同時，通知現場相機，進行金屬異物取樣拍照。現場異物的采樣圖片通過Andorid系統平臺開發的攝像頭處理實現。當MCU控制器檢測到異物時，啟動系統相機進行缺陷外觀或者是產品外觀拍照，并將采集到的外觀照片，通過網絡，發送到云端進行后續管理操作。

金屬檢測云端系統，部署在阿里云上，能夠實時記錄Android系統相機的圖像數據，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，以便進行后續管理流程操作。基于云平臺的管理系統，可以通過瀏覽器在任意地點通過網絡登錄，登錄網址：Aliyun.avtion.cn。用戶名：test123，密碼：test123。并實現任意時段內的缺陷統計、查詢工作。系統也能定時發送缺陷統計結果給專門的管理人員或主管，便于主管實時掌握生產現場情況，達到提高生產管理水平和效率的目的。

五、結語

本系統基于“互聯網+”的金屬檢測云系統，針對現有生產模式的現狀，結合最新的傳感器技術、移動應用開發、云計算、圖像處理技術，開發出具有現場檢測、智能識別、云端管理的一體化系統，可以廣泛由于食品加工（斷針、刀片、鋼絲球的檢測等）、個人衛生用品的生產（鐵屑、金屬絲、螺絲的檢測等）、藥物、化妝品生產（鐵屑、斷針、鐵釘的檢測等）等領域，有利于企業利用技術手段保證生產質量，在激烈的市場競爭中占領制高點，因此，系統具有很強的借鑒價值和推廣意義。

參考文獻

[1]邱月友，楊會成，趙秀華.三點式LC振蕩器的頻率研究[J].綏化學院學報，2017，37（12）：153-156.

[2]金寧寧，武燕，王燕霜.基于AVR單片機輸入捕捉功能的頻率計設計[J].計測技術，2010，30（3）：38-40.

[3]錢永亮.小型繼電器的線圈測試裝置研究[J].通信電源技術，2019，36（3）：57-58.

[4]邢軼斌，徐海濱，康永.利用半導體自動測試設備測定負載板繼電器性能[J].中國金屬通報，2019（8）：191-192.

[5]肖培，王強.基于Android系統的設備巡檢手機客戶端設計與實現[J].網絡安全技術與應用，2017（9）：102-103.

[6]成波.基于自學習機制的校園網絡故障診斷系統的設計[J].內蒙古工業大學學報（自然科學版），2018，37（1）：71-74.

[7]榮峰.基于阿里云的壓裂返排液處理數據監控系統設計[J].儀器儀表與分析監測，2018（2）：29-31.