面向云存儲(chǔ)的桑蠶繭解舒檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳 彤，孫衛(wèi)紅，邵鐵鋒，韓 冰，沈 軍

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 繭絲綢質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)研究所，浙江 杭州 310018； 3.南充市纖維檢驗(yàn)所，四川 南充 637001； 4.江西省市場(chǎng)監(jiān)督管理質(zhì)量安全檢查中心，江西 南昌 330096)

解舒檢驗(yàn)是蠶繭質(zhì)量檢驗(yàn)過(guò)程關(guān)鍵階段之一[1]。用于解舒檢驗(yàn)的繅絲控制儀存在存儲(chǔ)容量小、人工操作量大以及智能化程度較低等問(wèn)題[2]。

在解舒檢驗(yàn)過(guò)程中采用人工目測(cè)、手動(dòng)記錄的方法統(tǒng)計(jì)緒下繭粒數(shù)。該方法存在工作量大、效率低等問(wèn)題。隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者以蠶繭為研究對(duì)象，提出了針對(duì)蠶繭圖像的分割和計(jì)數(shù)算法。古亭等[3]提出一種基于距離變換的黏連蠶繭分割方法；黃靜等[4]提出一種基于改進(jìn)K-Means算法的蠶繭自動(dòng)計(jì)數(shù)方法；本課題組[5]提出一種基于凹點(diǎn)定向腐蝕的黏連蠶繭圖像分割方法。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，云存儲(chǔ)技術(shù)以其存儲(chǔ)海量化、共享同步化、利用智能化的特點(diǎn)被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域[6-8]。傳統(tǒng)繅絲控制儀存儲(chǔ)容量不能滿(mǎn)足需求且無(wú)法靈活調(diào)整，采用云存儲(chǔ)可根據(jù)存儲(chǔ)需求靈活擴(kuò)充存儲(chǔ)容量。當(dāng)存儲(chǔ)硬盤(pán)損壞時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至其他節(jié)點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)安全。解舒檢驗(yàn)數(shù)據(jù)用于繅絲生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)研究可適當(dāng)彌補(bǔ)傳統(tǒng)繅絲工藝設(shè)計(jì)不足[9-10]。傳統(tǒng)繅絲控制儀將解舒數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于本地硬盤(pán)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與統(tǒng)一管理，形成“數(shù)據(jù)孤島”。利用云存儲(chǔ)技術(shù)搭建云存儲(chǔ)平臺(tái)，提供標(biāo)準(zhǔn)化接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)與共享。

因此，本文設(shè)計(jì)一種面向云存儲(chǔ)的桑蠶繭解舒檢驗(yàn)系統(tǒng)。針對(duì)解舒檢驗(yàn)過(guò)程中緒下繭特征，提出一種緒下繭圖像分割方法，提高緒下繭圖像分割精度。將軟硬件與云存儲(chǔ)技術(shù)相結(jié)合，無(wú)需構(gòu)建本地存儲(chǔ)設(shè)施，減少存儲(chǔ)成本，可建立解舒檢驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)平臺(tái)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

桑蠶繭解舒檢驗(yàn)系統(tǒng)由下位機(jī)硬件、上位機(jī)軟件、云服務(wù)器和工業(yè)相機(jī)4部分構(gòu)成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。桑蠶繭解舒檢驗(yàn)系統(tǒng)軟硬件通信基于RS-232串口，通信可靠性高且傳輸距離較長(zhǎng)。下位機(jī)硬件部分包括數(shù)字IO模塊、通信模塊、控制模塊和電源模塊，主要負(fù)責(zé)采集與傳輸繅絲機(jī)傳感器信號(hào)。上位機(jī)軟件系統(tǒng)是基于.NET平臺(tái)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，主要包括下位機(jī)信號(hào)采集與處理、緒下繭粒數(shù)識(shí)別等功能。上位機(jī)系統(tǒng)外部可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸將解舒檢驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System overall structure diagram

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要由數(shù)字IO模塊、通信模塊、控制模塊和電源模塊構(gòu)成。數(shù)字IO模塊、通信模塊與控制模塊集成于一塊PCB板上，與電源模塊、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)以及繅絲機(jī)上的傳感器相連。

數(shù)字IO模塊采用具備光耦隔離的20路數(shù)字量輸入，5路數(shù)字量輸出模塊，實(shí)現(xiàn)15路傳感器信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換。

通信模塊為控制模塊與各部件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸提供接口。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，RS232接口電平采用負(fù)邏輯電平，主控模塊采用TTL電平，采用SP3232芯片轉(zhuǎn)換電壓后與主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

控制模塊主控芯片選用STM32單片機(jī)，利用通信模塊提供接口與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)解舒檢驗(yàn)的流程控制和信號(hào)采集。

電源模塊采用輸出電壓為12 V的開(kāi)關(guān)電源。除工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)其他模塊輸入電壓為3.3 V，使用2個(gè)穩(wěn)壓器對(duì)開(kāi)關(guān)電源輸出進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，避免信號(hào)波動(dòng)造成干擾[11]。

3 緒下繭粒數(shù)識(shí)別

檢驗(yàn)開(kāi)始前，用戶(hù)設(shè)置巡緒周期。上位機(jī)系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)設(shè)定周期生成定時(shí)器定時(shí)觸發(fā)相機(jī)采集緒下繭圖像。緒下繭粒數(shù)識(shí)別主要包括背景分割和緒下繭標(biāo)記2個(gè)部分，算法流程如圖2所示。

圖2 算法流程圖Fig.2 Algorithm flowchart

3.1 背景分割

蠶繭在解舒檢驗(yàn)過(guò)程中，繭絲被不斷抽出，隨著繭絲脫落，蠶繭逐漸趨于透明。為使生絲纖度規(guī)格保持在22.20～24.42 dtex范圍內(nèi)，繅絲機(jī)添緒機(jī)構(gòu)會(huì)向繅絲槽中添加新蠶繭。因此，緒下繭圖像中存在兩種不同狀態(tài)的蠶繭，一類(lèi)是繭絲未脫落的正常狀態(tài)蠶繭，另一類(lèi)是繭絲脫落趨于透明狀態(tài)的蠶繭。若采用傳統(tǒng)閾值分割法分割緒下繭圖像，趨于透明狀態(tài)的蠶繭與繅絲槽內(nèi)的水融合，導(dǎo)致欠分割。

本文提出一種基于HSI空間的多通道分割方法，提取緒下繭圖像中感興趣區(qū)域。對(duì)圖3(a)所示緒下繭圖像進(jìn)行顏色空間轉(zhuǎn)換，由RGB顏色空間轉(zhuǎn)換至HSI顏色空間[12]，提取I分量和S分量。利用K均值聚類(lèi)算法對(duì)I分量圖像進(jìn)行聚類(lèi)分割[13]，獲得正常狀態(tài)蠶繭圖像。利用最大類(lèi)間方差法[13]分割S分量圖像，獲取透明狀態(tài)蠶繭內(nèi)蠶蛹圖像。對(duì)S分量和I分量分割圖像進(jìn)行與運(yùn)算，得到感興趣區(qū)域，如圖3(b)所示。

選取20幅緒下繭圖像，圖像中存在處于透明狀態(tài)的蠶繭。求本文分割方法與傳統(tǒng)閾值方法分割精度SA和過(guò)分割率OR。

式中：Rs為手動(dòng)分割出的參考圖像像素點(diǎn)數(shù)，個(gè)；Ts為利用不同算法得到的分割圖像像素點(diǎn)數(shù)，個(gè)；Os表示過(guò)分割像素點(diǎn)數(shù)，個(gè)。

使用本文分割方法與傳統(tǒng)閾值分割分割精度平均值分別為81.9%和58.6%，過(guò)分割率平均值分別為7.8%和34.7%。

3.2 緒下繭標(biāo)記

感興趣區(qū)域中I通道蠶繭存在黏連現(xiàn)象，為保證后續(xù)緒下繭粒識(shí)別準(zhǔn)確性，必須分割黏連蠶繭。利用Canny算子獲取邊緣輪廓，設(shè)定輪廓像素點(diǎn)閾值確定黏連蠶繭輪廓。在黏連輪廓上選取分割點(diǎn)分離黏連區(qū)域，分割點(diǎn)一般為凹點(diǎn)。根據(jù)凹點(diǎn)位置關(guān)系判據(jù)[5，14]在黏連輪廓上搜尋凹點(diǎn)，凹點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果如圖3(c)所示。利用凹點(diǎn)匹配判據(jù)[15]構(gòu)造分割線分割黏連區(qū)域，如圖3(d)所示。對(duì)圖中連通域進(jìn)行標(biāo)記，連通域的個(gè)數(shù)即緒下繭粒數(shù)，如圖3(e)所示。

圖3 緒下繭粒數(shù)識(shí)別Fig.3 Identification of cocoon number.(a)Cocoon; (b)ROI;(c)Concave point dection; (d)Overlapping segmentation; (e)Count

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要包括以下界面：登錄界面、參數(shù)設(shè)置界面、檢驗(yàn)界面、查詢(xún)界面和管理界面，軟件功能界面圖如圖4所示。

圖4 軟件功能界面圖Fig.4 Software function interface diagram

登錄界面：驗(yàn)證用戶(hù)身份信息，有檢驗(yàn)員和管理員2種操作權(quán)限。通信串口號(hào)和繅絲機(jī)臺(tái)號(hào)由管理員設(shè)置。

參數(shù)設(shè)置界面：設(shè)置解舒檢驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù),包括檢驗(yàn)驗(yàn)區(qū)號(hào)、繅絲機(jī)車(chē)速、索緒區(qū)溫度、繅絲區(qū)溫度、巡緒周期等。為方便檢驗(yàn)員操作提高檢驗(yàn)效率，在需要輸入檢驗(yàn)參數(shù)的頁(yè)面內(nèi)嵌數(shù)字鍵盤(pán)。

檢驗(yàn)界面：調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)下位機(jī)信號(hào)實(shí)時(shí)處理得到5緒解舒檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。檢驗(yàn)員在檢驗(yàn)過(guò)程中可實(shí)時(shí)觀察各緒生絲總長(zhǎng)、添緒次數(shù)、吊糙次數(shù)，在添緒次數(shù)或吊糙次數(shù)異常時(shí)實(shí)時(shí)修正。

查詢(xún)界面：查詢(xún)歷史檢驗(yàn)單，如圖5所示。用戶(hù)可根據(jù)工號(hào)、繅絲機(jī)臺(tái)號(hào)和檢驗(yàn)日期查詢(xún)歷史檢驗(yàn)單，自動(dòng)生成檢驗(yàn)報(bào)表。當(dāng)由于斷電或設(shè)備故障導(dǎo)致解舒檢驗(yàn)異常中斷，系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，待恢復(fù)正常可補(bǔ)做未完成檢驗(yàn)。

圖5 查詢(xún)界面Fig.5 Query interface

管理界面：對(duì)用戶(hù)和設(shè)備進(jìn)行增加、刪除和更新。

4.2 數(shù)據(jù)處理模塊

L=R×N

解舒檢驗(yàn)中由于繅絲機(jī)存在誤添、誤吊的情況，導(dǎo)致下位機(jī)誤判吊糙及添緒次數(shù)，上位機(jī)檢驗(yàn)界面設(shè)置修正按鈕，出現(xiàn)誤添和誤吊時(shí)可實(shí)時(shí)修正數(shù)據(jù)，吊糙次數(shù)和添緒次數(shù)的修正公式如下：

D=Dz-De

T=Tz-Te

式中：D為修正后吊糙次數(shù)，次；Dz為繅絲機(jī)實(shí)時(shí)吊糙次數(shù)；De為誤吊次數(shù)；T為修正后添緒次數(shù)；Tz為繅絲機(jī)實(shí)時(shí)添緒次數(shù)；Te為誤添次數(shù)。

系統(tǒng)在檢驗(yàn)結(jié)束后依照GB/T 9111—2015《桑蠶干繭實(shí)驗(yàn)方法》中解舒檢驗(yàn)規(guī)定自動(dòng)計(jì)算繭質(zhì)性能指標(biāo)：解舒率、解舒絲長(zhǎng)、繭絲長(zhǎng)、萬(wàn)米掉糙等。

5 云存儲(chǔ)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

5.1 云存儲(chǔ)系統(tǒng)

云存儲(chǔ)系統(tǒng)需具備可擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高、成本低等特點(diǎn)，本文選擇第三方服務(wù)商提供的阿里云服務(wù)器。云存儲(chǔ)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖6所示,在解舒檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)利用前文提及的上位機(jī)與下位機(jī)采集并傳輸解舒數(shù)據(jù)至云服務(wù)器。云存儲(chǔ)采用常用的4層架構(gòu)，主要包括用戶(hù)訪問(wèn)層、應(yīng)用接口層、數(shù)據(jù)管理層和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。

圖6 云存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.6 Cloud storage network topology diagram

用戶(hù)訪問(wèn)層根據(jù)用戶(hù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的上位機(jī)系統(tǒng)可供檢驗(yàn)員在解舒現(xiàn)場(chǎng)查詢(xún)解舒數(shù)據(jù)。后續(xù)可開(kāi)發(fā)基于B/S架構(gòu)的解舒檢驗(yàn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，用戶(hù)可通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)。

應(yīng)用接口層提供標(biāo)準(zhǔn)化接口，方便用戶(hù)訪問(wèn)云存儲(chǔ)系統(tǒng)。本系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和調(diào)用2個(gè)接口，應(yīng)用程序獲得授權(quán)后通過(guò)不同接口實(shí)現(xiàn)解舒檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與調(diào)用。

數(shù)據(jù)管理層是連接存儲(chǔ)層及上層應(yīng)用接口層的橋梁，對(duì)外提供高效的數(shù)據(jù)訪問(wèn)通道，提高訪問(wèn)性能。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層是云存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心,利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)。

5.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

應(yīng)用程序采用HTTP通信協(xié)議與云服務(wù)器通信，據(jù)接收與存儲(chǔ)過(guò)程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)過(guò)程Fig.7 Data receiving and stored procedures

云服務(wù)器端設(shè)置監(jiān)聽(tīng)程序，監(jiān)聽(tīng)HTTP協(xié)議默認(rèn)端口?？蛻?hù)端新建一個(gè)用于通信的套接字文件描述符Socket連接云服務(wù)器。服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)端口接收到客戶(hù)端Socket請(qǐng)求時(shí)被動(dòng)打開(kāi)，成功建立連接后通過(guò)Socket套接字監(jiān)控客戶(hù)端寫(xiě)入數(shù)據(jù)，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存與解析。數(shù)據(jù)傳輸完成后斷開(kāi)連接，利用ADO.NET數(shù)據(jù)訪問(wèn)技術(shù)執(zhí)行SQL語(yǔ)句存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種面向云存儲(chǔ)的桑蠶繭解舒檢驗(yàn)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)。將軟硬件技術(shù)與云存儲(chǔ)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)解舒檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算與存儲(chǔ)，提高了解舒檢驗(yàn)的自動(dòng)化和智能化程度。應(yīng)用云存儲(chǔ)技術(shù)，為解舒檢驗(yàn)提供數(shù)據(jù)交互和共享平臺(tái)，為影響解舒性能因素的研究提供可靠充足的數(shù)據(jù)支持。