基于云技術的輸送帶縱向撕裂遠程監測系統設計

宋金水，李現國，凌月，杜俊浩，陳越鵬，劉志超

(1.天津工業大學 電子與信息工程學院， 天津 300387；2.天津工業大學 計算機科學與技術學院， 天津 300387；3.天津成科傳動機電技術股份有限公司， 天津 300384)

0 引言

輸送帶是帶式輸送機牽引和運載的關鍵部件，廣泛應用于礦山、港口、電力、化工等領域。輸送帶在工作過程中，經常因矸石、托輥等異物劃傷產生縱向撕裂故障，若不能被及時發現并處理，會導致設備損壞或長時間停工，給企業帶來較大的經濟損失，甚至危及工作人員的生命安全，嚴重影響安全生產[1-2]。由于縱向撕裂具有突發性和隱蔽性，對其監測必須要實時性好、準確性高[3-4]。

傳統的輸送帶縱向撕裂檢測方法主要通過壓力、電磁等傳感器檢測輸送帶的物料泄漏、橡膠脫落等狀態，判斷縱向撕裂故障，存在易損壞、可靠性差、準確性低的缺點[5-6]。通過在輸送帶橡膠層內埋入導磁體或線圈，利用電磁感應脈沖判斷縱向撕裂故障，對輸送帶會造成一定的損傷，存在工藝復雜、不易維護、檢測準確性低和可靠性差的缺陷[3]。劉士杰等[7]采用射頻識別法，通過在輸送帶上加裝電子標簽，利用閱讀器對電子標簽進行識別檢測，進而判斷是否發生縱向撕裂，但由于輸送帶自身的連續循環運轉，電子標簽在經過托輥和滾筒時容易受到損壞，所以，存在準確性低和可靠性差的問題。

近幾年機器視覺技術日臻成熟，基于機器視覺的輸送帶縱向撕裂監測成為研究和應用的重點。王建勛[3]通過對裂紋圖像進行處理和特征識別判斷輸送帶是否發生縱向撕裂，故障發生時PC機發出報警信號。郭啟皇等[8]設計了一種基于Otsu算法的輸送帶縱向撕裂檢測系統，使用LabVIEW進行圖像處理、撕裂診斷、故障現場報警，并將檢測結果傳輸至上位機。毛清華等[9]通過邊緣檢測法識別輸送帶撕裂邊緣，根據撕裂面積判斷是否發生故障，并在檢測到故障時通過PC機報警。上述監測系統均具有準確率高的優點，但一般只能監測一個點，且都是事故現場報警或通過PC機提醒，工作人員仍需在現場監測點或PC機前值守，給實際應用帶來不便。明紫旭[10]設計了基于WI-FI的輸送帶縱向撕裂監控系統，除了可現場報警和通過PC機報警外，還實現了手機報警，但該系統手機報警功能是通過局域網WI-FI接入，擴展性差，且仍需工作人員在監測點附近值守。

為解決上述系統存在的問題，本文基于一字線激光技術，結合機器視覺技術，以云服務器為網絡載體、ARM處理器為嵌入式終端，設計了一種適用于多點監測和基于云技術的輸送帶縱向撕裂遠程監測系統。該系統能夠準確地檢測出輸送帶縱向撕裂故障，可通過現場、PC機、手機3種報警途徑及時將報警信息傳送給工作人員，從而避免了因輸送帶縱向撕裂故障引起的安全問題，提高了企業的安全水平和生產效率。

1 系統設計

基于云技術的輸送帶縱向撕裂遠程監測系統工作原理如圖1所示。該系統由一字線激光器、嵌入式處理終端、面陣CMOS攝像頭、云服務器、PC機監測軟件和手機監測軟件組成。

圖1 基于云技術的輸送帶縱向撕裂遠程監測系統工作原理Fig.1 Working principle of remote monitoring system for longitudinal tearing of conveyor belt based on cloud technology

1.1 系統工作原理

嵌入式處理終端驅動面陣CMOS攝像頭采集激光器投射到上輸送帶下表面的激光條紋，并對采集到的每幀圖像進行分析，提取激光條紋骨架，計算出畸變值[4,10]。當獲得的畸變值大于預先設置的閾值時，表明輸送帶出現了縱向撕裂，嵌入式處理終端驅動報警器語音報警，并將圖像命名為“設備號+時間+撕裂”；當畸變值小于閾值時，表明輸送帶工作正常，嵌入式處理終端將圖像命名為“設備號+時間+正常”。嵌入式處理終端通過文件傳輸(File Transfer Protocol，FTP)協議將圖像傳送給PC機并保存至本地。

PC機監測軟件使用安全文件傳輸協議(Secure File Transfer Protocol，SFTP)將接收到的圖像信息發送至云服務器，手機監測軟件利用Tomcat提供的Web服務器訪問云服務器，實時獲取圖像信息。

PC機監測軟件和手機監測軟件依據圖像文件命名中的時間顯示最新的圖像，當圖像文件命名后2位為“撕裂”時，發出報警信息。

手機監測軟件設有一鍵撥打相關人員電話、自動發送緊急報警短信到相關人員手機等功能。

1.2 云技術應用

系統云服務器采用阿里云的輕量級服務器，整合了云計算的三大核心技術：數據處理、虛擬化與數據存儲[11-12]。該系統使用云服務器進行圖像和監測信息的存儲、管理和網絡訪問，系統鏡像為Ubuntu(16.04)。

本地PC機與云服務器之間的文件傳輸使用SFTP協議。SFTP協議是一種用于數據流連接的可提供文件訪問、傳輸和管理功能的網絡傳輸協議。在Linux系統中，SFTP傳輸默認端口為22端口，這種傳輸方式更為安全，傳輸雙方需要進行密碼和密鑰的雙重安全驗證，可有效保護監測系統圖像信息的安全。

為實現將圖像傳送到手機監測軟件的功能，在云服務器上部署了Tomcat服務器。在B/S架構中，瀏覽器發出的http請求經過Tomcat服務器轉發到最終的目的服務器上，響應消息再通過Tomcat返回給瀏覽器[13-14]。本系統中目的服務器為云服務器，瀏覽器為手機監測軟件。

使用云技術使輸送帶縱向撕裂遠程監測系統真正接入到了互聯網，將輸送帶監測的工作方式從“一人一地一設備”轉變成“一人多地多設備”，實現了隨時隨地監測任一監測點輸送帶狀況的目標。

1.3 圖像文件和報警信息傳輸

圖像文件傳輸主要依靠VSFTPD軟件、FTP協議、SFTP協議和Tomcat服務器。報警信息通過解析圖像文件名獲取。

VSFTPD軟件是一個在Unix類操作系統上運行的免費、開源的FTP服務器軟件[15]。嵌入式處理終端使用VSFTPD搭建FTP服務器。

嵌入式處理終端作為FTP服務器，PC機監測軟件作為FTP客戶端。PC機監測軟件通過執行FTP協議的Python腳本將嵌入式處理終端處理完的圖像經以太網傳輸到指定文件夾存儲。

PC機監測軟件通過執行SFTP協議的Python腳本，將存儲圖像的文件夾實時更新至云服務器中Tomcat的Webapps文件夾下，生成鏈接，使用手機監測軟件時可直接通過該鏈接獲取圖像文件并在APP上顯示。圖像文件傳輸如圖2所示。

圖2 圖像文件傳輸Fig.2 Image file transmission

2 嵌入式處理終端設計

2.1 嵌入式處理終端硬件設計

嵌入式處理終端硬件以I.MX6ULL處理器為核心。I.MX6ULL處理器基于ARM Cortex-A7內核，使用處理器內部的100 MB 以太網MAC配合外部PHY芯片LAN8720A實現以太網通信功能；外部集成有1個8 GB的EMMC Flash，用以存儲圖像信息；通過USB接口連接音頻解碼器和面陣CMOS攝像頭。

嵌入式處理終端采集和分析圖像，并通過以太網接口把包含撕裂特征的圖像和報警信息傳輸至PC機。當檢測到輸送帶發生縱向撕裂時，音頻編解碼器驅動報警器進行語音報警。

2.2 嵌入式處理終端軟件設計

嵌入式處理終端軟件包括圖像采集處理與以太網傳輸程序、輸送帶縱向撕裂圖像處理與故障檢測算法程序2個部分。圖像采集處理與以太網傳輸程序包含攝像頭配置、圖像采集和處理、FTP服務器配置。配置I.MX6ULL以太網的IP和子網掩碼，在I.MX6ULL移植VSFTPD搭建FTP服務器；使用I2C設備驅動框架配置攝像頭驅動程序。I.MX6ULL控制攝像頭采集圖像，并轉換為RGB24的圖像數據，采用輸送帶縱向撕裂圖像處理與故障檢測算法[4]對圖像進行處理，處理后的圖像采用鄰域差分檢測斷點和求二階導數檢測波動的方法判斷是否發生縱向撕裂。

圖像采集處理與以太網傳輸程序流程如圖3所示。

圖3 圖像采集處理與以太網傳輸程序流程Fig.3 Flow of image acquisition processing and Ethernet transmission program

3 PC機監測軟件和手機監測軟件設計

3.1 PC機監測軟件設計

利用C#語言設計PC機監測軟件，基于SFTP協議編寫Python腳本實現與云服務器的連接，基于FTP協議編寫Python腳本實現與嵌入式處理終端的連接。該軟件共有4個界面，分別為登錄界面、功能主界面、離線分析界面、警告界面，實現了圖像的接收、顯示、離線分析，以及監測信息存儲和彈窗報警功能。PC機監測軟件的功能主界面如圖4所示。

圖4 PC機監測軟件的功能主界面Fig.4 Function main interface of PC monitoring software

PC機監測軟件直接讀取執行FTP協議的Python腳本同步文件夾獲得圖像信息，通過圖像信息的命名判斷對應的攝像頭、拍攝時間、輸送帶狀態等信息。PC機監測軟件獲取圖像信息和報警信息流程如圖5所示。

圖5 PC機監測軟件流程Fig.5 Flow of PC monitoring software

3.2 手機監測軟件設計

基于Android系統，在Flutter框架下使用Dart語言設計手機監測軟件。

APP主界面分為“首頁”、“記錄”、“通信錄”3個部分。在“首頁”中點擊攝像頭編號可以進入 “攝像頭詳情”界面查看每個攝像頭的實時情況。在“攝像頭詳情”界面點擊“短信通知”可發送信息給相關工作人員；點擊“關閉設備”可以停止設備運行；點擊“輸送帶狀態”在彈框中選擇正在前去、正常或正在維修并點擊“前去”按鈕，用戶個人信息及所選狀態將更新至“記錄”界面，方便其他工作人員確定是否有人前去維修?！巴ㄐ配洝敝杏涗浰胸撠煵块T和工作人員的信息，點擊后顯示該聯系人的所有信息，可點擊“一鍵撥打”電話通知對方。手機監測軟件的首頁和攝像頭詳情界面如圖6所示。

(a) 首頁

手機監測軟件訪問云服務器中Tomcat下的Webapps文件，實時獲取圖像信息。手機監測軟件獲取圖像信息和報警信息的流程如圖7所示。

圖7 手機監測軟件獲取圖像信息和報警信息流程Fig.7 Flow of obtaining image information and alarm information by mobile phone monitoring software

4 實驗結果及分析

在實驗室搭建平臺對系統進行驗證，實驗平臺實物如圖8所示。

圖8 實驗平臺實物Fig.8 Physical experimental platform

縱向撕裂的輸送帶圖像如圖9所示。嵌入式處理終端采集到的輸送帶縱向撕裂圖像如圖10所示，當檢測到縱向撕裂時，現場語音報警。

圖9 輸送帶縱向撕裂圖像Fig.9 Longitudinal tearing image of conveyor belt

圖10 嵌入式處理終端采集到的輸送帶縱向撕裂圖像Fig.10 Longitudinal tearing image of conveyor belt collected by embedded processing terminal

PC機監測軟件可實時顯示輸送帶監測圖像并將圖像傳輸至云服務器。通過PyCharm軟件編寫了傳輸實時性測試程序，當圖像成功傳輸到云服務器時，顯示出當前時間。傳輸實時性測試結果如圖11所示。從圖11可看出，測試中PC機監測軟件更新圖像的時間與PyCharm程序顯示的圖像上傳至云服務器的時間相同，說明圖像信息是實時、同步更新的。

圖11 傳輸實時性測試結果Fig.11 Test results of real-time transmission

當輸送帶發生縱向撕裂時，PC機監測軟件通過彈窗提醒報警，PC機監測軟件報警界面如圖12所示。

圖12 PC機監測軟件報警界面Fig.12 Alarm interface of PC monitoring software

在PC機報警的同時，手機監測軟件立即發出報警短信至工作人員。用戶可使用手機監測軟件隨時隨地查看輸送帶的狀態信息，還可以在維修或者實地檢查后標注輸送帶的狀況，供其他工作人員參考。手機監測軟件監測到故障時的報警和攝像頭詳情界面如圖13所示。

(a) 報警

手機監測軟件能夠實時更新輸送帶的維護信息，為工作人員提供了一個通信交流平臺；可同時對10個監測點進行遠程實時監控，無需在每個監測點都安排工作人員24 h值班，極大地減少了人員工作量。

5 結語

基于云技術，結合線激光、機器視覺和ARM技術提出了一種輸送帶縱向撕裂遠程監測系統設計方案，設計了嵌入式處理終端硬件和軟件、PC機監測軟件和手機監測軟件。該系統利用SFTP、FTP文件傳輸協議和云服務器，實現了現場、PC端、手機端全方位的輸送帶縱向撕裂遠程實時監測，可遠程隨時隨地監測任一監測點輸送帶的運行狀況，使用便捷、擴展性好、實時性強，解決了現有系統監測點少、擴展性差，只有事故現場報警或PC機報警，仍需人員值守等問題。