基于互联网技术的在线金属检测系统设计

庄卓佩 张谦 马乃韬 黄顺鑫 马嘉杰

[摘 要] 针对生产线上生产工艺的现状，基于嵌入式MCU系统构架设计的金属检测系统，能够检查出有金属异物缺陷的产品，再通过Android系统平台开发的摄像程序，对缺陷外观或者是产品外观拍照，把采集到的图像数据发送到云端处理，可以实现缺陷产品外观照片的实时保存和后续管理操作，并能够进行任意时段内的缺陷数据统计和查询，便于管理部门实时掌握现场生产情况。本技术所研发的系统，提高了生产线上的品质检测水平，具有广阔的推广前景。

[关键词] MCU系统构架;Android系统;云端系统

[基金项目] 广东第二师范学院2019年度大学生创新创业训练计划项目（201914278009）;广东第二师范学院2018年度校级教学质量与改革工程项目（2018ytyr01）;广东第二师范学院2019年度校级教学质量与改革工程项目（2019xnfzsy03）

[作者简介] 庄卓佩（1999—），女，广东汕头人，广东第二师范学院计算机科学系本科生，研究方向：云计算;张 谦（通信作者）。

[中图分类号] TP319    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）40-0224-04    [收稿日期] 2019-11-09

随着生活水平的提高，人们对消费品的质量安全性越来越重视，各行业也会对品牌形象维护、智能化生产升级提出更高的要求。在生产行业里，为避免产品缺陷而导致对产品品牌的负面影响，普遍要求制造商在产品封装之前进行质量检测。在实际产品的流水线生产过程中，因为制造工艺复杂，产品需要在伺服系统控制下，对不同的材料，在不同的工艺步骤下依次完成不同的操作，因而不可避免地在工艺流程中留下铁屑、铜丝、甚至断针等金属残留物，这些缺陷对于用户来说是不可忍受的，必须通过相应的金属检测系统进行预警和剔除。

但目前市场上的检测系统还是较为传统，一般只是在流水线工作过程中对有发现的问题产品进行实时报警同时，再通过其他的辅助机构进行后续剔除处理，但对一些具有连续特征的产品，例如无纺布等，产品不具有剔除性质，只能通过停机检查的形式进行人工干预处理，然后再进行后续的管理流程操作，这种工作模式对于追求质量和效率的厂商而言，具有很大的约束。

本系统不仅实现了对包含金属异物的产品的在线检测，而且对于检测出金属异物的产品，系统在进行实时报警的同时，能够通过Android系统平台开发的摄像头进行金属异物取样拍照，并将采集到的外观照片发送到云端进行后续管理操作。

一、系统总体设计

本系统是基于“互联网+”理念的金属检测系统，可以用于自动化生产线上，整个系统上电后自动开始运行。实际运行时，系统主要由三个部分构成;如系统设计图所示：（1）基于嵌入式MCU系统构架，通过电涡流原理构造平衡线圈金属检测器，当有金属异物的产品通过时检测系统时，通过金属检测系統的接收信号，信号分频，检测出异物。（2）在“互联网+”技术下，通过自学习机制对产品的信号进行学习和类聚，并智能化地做出判决以及报警。实际运行是，当系统检测出有金属异物的产品，便启动系统相机进行缺陷外观或者是产品外观拍照，并将采集到的外观照片，发送到云端进行后续管理操作。图像采集操作通过Android系统平台开发的摄像头处理实现。（3）基于云平台的管理系统，部署在阿里云上，可以通过浏览器在任意地点登录。云端系统在实时保存Android系统相机上传的图像数据的同时，通过OPEN CV进行图像处理，对拍摄到的金属缺陷物体识别进行归类操作，实现任意时段内的缺陷统计、查询工作。系统也能定时发送缺陷统计的电子邮件，给专门的管理人员或主管，便于主管实时掌握生产现场情况，达到提高生产管理水平和效率的目的。

二、系统硬件设计与实现

（一）MCU控制的金属检测系统

本检测系统是在单片机MCU的控制下，自动进行传感器的数据分析，使用时，只需要给系统接通AC-DC直流供电电源即可。AC-DC直流电源已经固定，只要打开220V交流电源开关就可以给系统供电。系统通电后，自动开始运行。

（二）MCU系统三个模块

1.电感传感器，包括由两个0.01uF和500uH电感组成的三点式LC振荡器，根据振荡器的组成原则及反馈网络，输出信号作为LM393比较器的反相输入信号，输出可以供数字电路处理的方波。

2.MCU系统板。控制器采用ATMEGA128处理器，实现传感器信号的处理，进行金属异物判断。如果检测出金属异物，则产生报警脉冲信号，通过声光报警器进行报警。同时通过串口通知Android系统网络摄像头，进行拍照取样。

3.声光报警器及继电器模块。声光报警器采用直流24V供电，当检测出金属异物时，MCU的报警脉冲信号，通过继电器的触发端口，控制继电器常开端闭合，从而实现声光报警器报警。

（三）金属检测传感器电路

在电子线路中，信号源通常是必不可少的部分，在通信系统中信号源常采用正弦波振荡器。所谓的振荡器是不需要外部输入激励信号、自身能将直流能量转换成交流能量的装置，所以又称之为自激振荡器。根据自激振荡器产生的交流信号波形可分为正弦波和非正弦波两大类，而在通信系统中所用的高频振荡器大多为LC正反馈正弦波振荡器[1]。

本系统传感器设计采用三点式LC振荡器产生正弦波形，由于单片机MCU只能识别0和1，利用电压比较器将振荡波形转化成单片机能够识别的只有高低电平之分的整形波形，输出可以供数字电路处理的方波。

（四）MCU单片机处理传感器信号

本系统采用AVRMEGA系列单片机处理传感器输出的波形，通过计算出传感器输出波形的频率与初始设定频率的变化，判断出是否有金属异物。

波形频率的计算通过AVR单片机的输入捕获功能实现。假定上升沿触发输入捕捉事件，当一个输入捕捉事件发生时，即引脚ICP1上的逻辑电平由低变高时，T/C1的计数寄存器TCNTI的计数值将被定时计数器的硬件自动同步复制写人捕捉寄存器ICR1中，并置位输入捕获标志位ICF1，产生中断申请。即当每一次ICP1的输入信号由低变高时，TCNT1中的计数值都会再次同步复制到ICRI中。若将连续2次的ICR1数据记录下来，那么2次ICR1的差值乘以已知的计数器计数脉冲的周期，就是输入信号一个周期的时间，也就是可以得到方波的频率[2]。

（五）声光报警系统

声光报警器采用直流24V供电，当检测出金属异物时，MCU的报警脉冲信号，通过继电器的触发端口，控制继电器常开端闭合，从而实现声光报警器报警。继电器是自动开关装置，依据外部输入信号（如电压、电流、非电、时间、速度和热量等）控制电路的关闭或开启状态，且控制电路常与触点相连[3]。电磁继电器（electromagnetic relay）的工作原理是输入电路内电磁铁铁芯与衔铁间的吸力作用，其主要组成部分包括电磁铁铁芯、线圈、衔铁、触点弹簧片等。一般情况下，继电器的线圈在未通电的条件下是处于断开状态的静触点，专业术语称其为“常开触点”，除此之外还存在一种“常闭触点”。在线圈的两端加上一定数值的电压，线圈中就会通过一定的电流，在此状态下就会产生电磁效应，这样一来电磁效应会产生一定的引力，就会对于返回来的弹簧的拉力进行作用，从而会形成抵消，并且衔铁也会被吸引向铁芯，从而带动衔铁的触电和断开状态下的静态触电相互吸合[4]。

三、系统软件设计与实现

（一）Android网络摄像机系统

Android是目前最具可移植性的嵌入式操作系统，从接口到功能，都有层出不穷的变化。客户端的设计与实现基于Android操作系统以及RTSP协议，使用Open CV对图像进行边缘检测和圆形检测的基本处理[5]。

Android系统网络摄像机是接收MCU金属检测系统的串口指令，来启动拍攝的。所以，登录系统以后，需要配置串口波特率为38400，数据位为8位，无奇偶校验。配置完串口参数后，即可打开串口，系统便自动开始工作了，当有MCU指令时，就启动拍摄金属异物图片，并上传到云系统中。

自学习机制就是要使计算机模拟人的学习行为，针对各类特征知识库自动进行分类，快速准确地帮助用户进行定位，降低故障诊断的专业性和难度。自学习机制中的学习环节从环境中获得有关信息，并依据这些信息和执行环节反馈回来的相关信息修改知识库，对数据信息进行分类并做出决策，进而提高系统的执行性能[6]。

1.图像采集。现场异物的采样图片通过Android系统平台开发的摄像头处理实现。当MCU控制器检测到异物时，启动系统相机进行缺陷外观或者是产品外观拍照，并将采集到的外观照片，通过网络，发送到云端进行后续管理操作，如图2所示。

2.系统调试。Android网络摄像机分别在运行Android系统的手机和Android系统开发板上都实现了。Android网络摄像机通过读取串口数据，接收MCU控制的金属检测。

系统发送过来的启动拍照命令，对金属异物进行拍照取样，同时通过Wifi网络，将拍摄的照片发送到云端的金属检测云系统。

Android系统网络摄像机采用基于Android系统的手机或开发板开发，因为摄像机采集到的金属异物图片要上传到云服务器上，所以打开网络摄像机时，需要进行身份验证，输入用户名：test123，密码：test123后，即可登录系统，启动摄像机。

（二）基于阿里云的金属检测云系统

阿里云是全球领先的云计算服务平台之一，能为用户提供云服务器ECS、关系型数据库服务RDS、开放存储服务OSS、大数据基础服务、人工智能ET等诸多互联网数据服务。目前越来越多的企业和机构采用阿里云搭建网络数据平台，以实现数据的网络化采集、监控、存储以及分析[7]。

1.功能简介。（1）云解析：易于管理识别的域名转换为计算机用于互联通信的数字IP地址，从而将用户的访问路由到相应的网站或应用服务器。优点：稳定、安全、快速、可拓展。（2）安全云服务：在云服务器外层拥有云安全中心，保证服务器安全。（3）CA证书加密：WEB应用服务HTTPS化，使其可信，防劫持、防篡改、防监听、安全加密。（4）高性能API：采用Flask框架、Restful API架构和HTTP AUTH安全机制，实现前后端分离，减少流量，提高安全性，提高API处理效率，优化服务端性能。（5）自适应前端管理：管理员可以通过不同设备访问Bootstrap架构搭建HTML5前端管理页面查询问题产品信息。（6）产品信息存储：通过OSS对象存储和MySQL关系数据库存储产品信息。（7）产品识别处理：对问题产品照片进行图像识别，进行归类。（8）弹性伸缩：根据用户的业务需求和策略，经济的自动调整弹性计算资源的管理服务。（9）拓展性高：服务端使用Python编写的轻量级Web应用框架，可以应用目前Python中的各种库，并且容易去开拓新业务功能。（10）状态通知：服务器定期将目前系统状态通过邮件发送至管理员。

2.系统界面。金属检测云端系统，部署在阿里云上，能够实时记录Android系统相机的图像数据，并通过集成的OPEN CV库图像处理，对拍摄到的金属缺陷物体进行自动识别、归类操作，以便进行后续管理流程操作。如图5所示，金属检测云系统服务端使用Python编写的轻量级Web应用框架，可以应用目前Python中的各种库，并且容易去开拓新业务功能。服务器定期将目前系统状态通过邮件发送至管理员。

3.云系统部署。本系统部署在阿里云上，可以通过浏览器，在任何有因特网的地方登录，与访问普通网站的操作类似。登录网址：Aliyun.avtion.cn。用户名：test123密码：test123。此用户与Android系统摄像机验证的身份是一样的。登录云系统后，便可以查询所有检测分析的历史记录及统计分析结果。

四、整体运作

通过MCU控制的金属检测系统，对实际产品中包含的金属异物进行在线检测，对于检测出金属异物的产品，系统在进行实时报警的同时，通知现场相机，进行金属异物取样拍照。现场异物的采样图片通过Andorid系统平台开发的摄像头处理实现。当MCU控制器检测到异物时，启动系统相机进行缺陷外观或者是产品外观拍照，并将采集到的外观照片，通过网络，发送到云端进行后续管理操作。

金属检测云端系统，部署在阿里云上，能够实时记录Android系统相机的图像数据，并通过集成的OPEN CV库图像处理，对拍摄到的金属缺陷物体进行自动识别、归类操作，以便进行后续管理流程操作。基于云平台的管理系统，可以通过浏览器在任意地点通过网络登录，登录网址：Aliyun.avtion.cn。用户名：test123，密码：test123。并实现任意时段内的缺陷统计、查询工作。系统也能定时发送缺陷统计结果给专門的管理人员或主管，便于主管实时掌握生产现场情况，达到提高生产管理水平和效率的目的。

五、结语

本系统基于“互联网+”的金属检测云系统，针对现有生产模式的现状，结合最新的传感器技术、移动应用开发、云计算、图像处理技术，开发出具有现场检测、智能识别、云端管理的一体化系统，可以广泛由于食品加工（断针、刀片、钢丝球的检测等）、个人卫生用品的生产（铁屑、金属丝、螺丝的检测等）、药物、化妆品生产（铁屑、断针、铁钉的检测等）等领域，有利于企业利用技术手段保证生产质量，在激烈的市场竞争中占领制高点，因此，系统具有很强的借鉴价值和推广意义。

参考文献

[1]邱月友，杨会成，赵秀华.三点式LC振荡器的频率研究[J].绥化学院学报，2017，37（12）：153-156.

[2]金宁宁，武燕，王燕霜.基于AVR单片机输入捕捉功能的频率计设计[J].计测技术，2010，30（3）：38-40.

[3]钱永亮.小型继电器的线圈测试装置研究[J].通信电源技术，2019，36（3）：57-58.

[4]邢轶斌，徐海滨，康永.利用半导体自动测试设备测定负载板继电器性能[J].中国金属通报，2019（8）：191-192.

[5]肖培，王强.基于Android系统的设备巡检手机客户端设计与实现[J].网络安全技术与应用，2017（9）：102-103.

[6]成波.基于自学习机制的校园网络故障诊断系统的设计[J].内蒙古工业大学学报（自然科学版），2018，37（1）：71-74.

[7]荣峰.基于阿里云的压裂返排液处理数据监控系统设计[J].仪器仪表与分析监测，2018（2）：29-31.