面向云存储的桑蚕茧解舒检验系统设计

2022-02-15孙卫红邵铁锋

毛纺科技 2022年1期

吴彤，孙卫红，邵铁锋，韩冰，沈军

(1.中国计量大学机电工程学院，浙江杭州 310018； 2.中国计量大学茧丝绸质量检测技术研究所，浙江杭州 310018； 3.南充市纤维检验所，四川南充 637001； 4.江西省市场监督管理质量安全检查中心，江西南昌 330096)

解舒检验是蚕茧质量检验过程关键阶段之一[1]。用于解舒检验的缫丝控制仪存在存储容量小、人工操作量大以及智能化程度较低等问题[2]。

在解舒检验过程中采用人工目测、手动记录的方法统计绪下茧粒数。该方法存在工作量大、效率低等问题。随着图像处理技术的发展，一些学者以蚕茧为研究对象，提出了针对蚕茧图像的分割和计数算法。古亭等[3]提出一种基于距离变换的黏连蚕茧分割方法；黄静等[4]提出一种基于改进K-Means算法的蚕茧自动计数方法；本课题组[5]提出一种基于凹点定向腐蚀的黏连蚕茧图像分割方法。

随着互联网的发展，云存储技术以其存储海量化、共享同步化、利用智能化的特点被广泛用于各个领域[6-8]。传统缫丝控制仪存储容量不能满足需求且无法灵活调整，采用云存储可根据存储需求灵活扩充存储容量。当存储硬盘损坏时，系统自动将数据存储至其他节点，保证数据安全。解舒检验数据用于缫丝生产工艺设计研究可适当弥补传统缫丝工艺设计不足[9-10]。传统缫丝控制仪将解舒数据存储于本地硬盘，无法实现数据共享与统一管理，形成“数据孤岛”。利用云存储技术搭建云存储平台，提供标准化接口，可实现数据的统一存储与共享。

因此，本文设计一种面向云存储的桑蚕茧解舒检验系统。针对解舒检验过程中绪下茧特征，提出一种绪下茧图像分割方法，提高绪下茧图像分割精度。将软硬件与云存储技术相结合，无需构建本地存储设施，减少存储成本，可建立解舒检验数据统一存储平台。

1 系统总体设计

桑蚕茧解舒检验系统由下位机硬件、上位机软件、云服务器和工业相机4部分构成，系统总体结构图如图1所示。桑蚕茧解舒检验系统软硬件通信基于RS-232串口，通信可靠性高且传输距离较长。下位机硬件部分包括数字IO模块、通信模块、控制模块和电源模块，主要负责采集与传输缫丝机传感器信号。上位机软件系统是基于.NET平台开发的应用程序，主要包括下位机信号采集与处理、绪下茧粒数识别等功能。上位机系统外部可通过网络传输将解舒检验数据上传至云服务器。

图1 系统总体结构图Fig.1 System overall structure diagram

2 硬件电路设计

硬件电路主要由数字IO模块、通信模块、控制模块和电源模块构成。数字IO模块、通信模块与控制模块集成于一块PCB板上，与电源模块、工业控制计算机以及缫丝机上的传感器相连。

数字IO模块采用具备光耦隔离的20路数字量输入，5路数字量输出模块，实现15路传感器信号采集与转换。

通信模块为控制模块与各部件进行数据传输提供接口。工业控制计算机提供标准的RS232接口，RS232接口电平采用负逻辑电平，主控模块采用TTL电平，采用SP3232芯片转换电压后与主控模块进行数据传输。

控制模块主控芯片选用STM32单片机，利用通信模块提供接口与上位机通信，实现对解舒检验的流程控制和信号采集。

电源模块采用输出电压为12 V的开关电源。除工业控制计算机，系统其他模块输入电压为3.3 V，使用2个稳压器对开关电源输出进行电压转换，避免信号波动造成干扰[11]。

3 绪下茧粒数识别

检验开始前，用户设置巡绪周期。上位机系统根据用户设定周期生成定时器定时触发相机采集绪下茧图像。绪下茧粒数识别主要包括背景分割和绪下茧标记2个部分，算法流程如图2所示。

图2 算法流程图Fig.2 Algorithm flowchart

3.1 背景分割

蚕茧在解舒检验过程中，茧丝被不断抽出，随着茧丝脱落，蚕茧逐渐趋于透明。为使生丝纤度规格保持在22.20～24.42 dtex范围内，缫丝机添绪机构会向缫丝槽中添加新蚕茧。因此，绪下茧图像中存在两种不同状态的蚕茧，一类是茧丝未脱落的正常状态蚕茧，另一类是茧丝脱落趋于透明状态的蚕茧。若采用传统阈值分割法分割绪下茧图像，趋于透明状态的蚕茧与缫丝槽内的水融合，导致欠分割。

本文提出一种基于HSI空间的多通道分割方法，提取绪下茧图像中感兴趣区域。对图3(a)所示绪下茧图像进行颜色空间转换，由RGB颜色空间转换至HSI颜色空间[12]，提取I分量和S分量。利用K均值聚类算法对I分量图像进行聚类分割[13]，获得正常状态蚕茧图像。利用最大类间方差法[13]分割S分量图像，获取透明状态蚕茧内蚕蛹图像。对S分量和I分量分割图像进行与运算，得到感兴趣区域，如图3(b)所示。

选取20幅绪下茧图像，图像中存在处于透明状态的蚕茧。求本文分割方法与传统阈值方法分割精度SA和过分割率OR。

式中：Rs为手动分割出的参考图像像素点数，个；Ts为利用不同算法得到的分割图像像素点数，个；Os表示过分割像素点数，个。

使用本文分割方法与传统阈值分割分割精度平均值分别为81.9%和58.6%，过分割率平均值分别为7.8%和34.7%。

3.2 绪下茧标记

感兴趣区域中I通道蚕茧存在黏连现象，为保证后续绪下茧粒识别准确性，必须分割黏连蚕茧。利用Canny算子获取边缘轮廓，设定轮廓像素点阈值确定黏连蚕茧轮廓。在黏连轮廓上选取分割点分离黏连区域，分割点一般为凹点。根据凹点位置关系判据[5，14]在黏连轮廓上搜寻凹点，凹点检测结果如图3(c)所示。利用凹点匹配判据[15]构造分割线分割黏连区域，如图3(d)所示。对图中连通域进行标记，连通域的个数即绪下茧粒数，如图3(e)所示。

图3 绪下茧粒数识别Fig.3 Identification of cocoon number.(a)Cocoon; (b)ROI;(c)Concave point dection; (d)Overlapping segmentation; (e)Count

4 系统软件设计

4.1 系统界面设计

上位机软件主要包括以下界面：登录界面、参数设置界面、检验界面、查询界面和管理界面，软件功能界面图如图4所示。

图4 软件功能界面图Fig.4 Software function interface diagram

登录界面：验证用户身份信息，有检验员和管理员2种操作权限。通信串口号和缫丝机台号由管理员设置。

参数设置界面：设置解舒检验基础数据,包括检验验区号、缫丝机车速、索绪区温度、缫丝区温度、巡绪周期等。为方便检验员操作提高检验效率，在需要输入检验参数的页面内嵌数字键盘。

检验界面：调用数据处理模块对下位机信号实时处理得到5绪解舒检验数据。检验员在检验过程中可实时观察各绪生丝总长、添绪次数、吊糙次数，在添绪次数或吊糙次数异常时实时修正。

查询界面：查询历史检验单，如图5所示。用户可根据工号、缫丝机台号和检验日期查询历史检验单，自动生成检验报表。当由于断电或设备故障导致解舒检验异常中断，系统自动存储实时数据，待恢复正常可补做未完成检验。

图5 查询界面Fig.5 Query interface

管理界面：对用户和设备进行增加、删除和更新。

4.2 数据处理模块

L=R×N

解舒检验中由于缫丝机存在误添、误吊的情况，导致下位机误判吊糙及添绪次数，上位机检验界面设置修正按钮，出现误添和误吊时可实时修正数据，吊糙次数和添绪次数的修正公式如下：

D=Dz-De

T=Tz-Te

式中：D为修正后吊糙次数，次；Dz为缫丝机实时吊糙次数；De为误吊次数；T为修正后添绪次数；Tz为缫丝机实时添绪次数；Te为误添次数。

系统在检验结束后依照GB/T 9111—2015《桑蚕干茧实验方法》中解舒检验规定自动计算茧质性能指标：解舒率、解舒丝长、茧丝长、万米掉糙等。

5 云存储系统与数据存储技术

5.1 云存储系统

云存储系统需具备可扩展性强、可靠性高、成本低等特点，本文选择第三方服务商提供的阿里云服务器。云存储系统网络拓扑图如图6所示,在解舒检验现场利用前文提及的上位机与下位机采集并传输解舒数据至云服务器。云存储采用常用的4层架构，主要包括用户访问层、应用接口层、数据管理层和数据存储层。

图6 云存储网络拓扑图Fig.6 Cloud storage network topology diagram

用户访问层根据用户实际需求设计。本文设计的上位机系统可供检验员在解舒现场查询解舒数据。后续可开发基于B/S架构的解舒检验数据管理系统，用户可通过浏览器访问。

应用接口层提供标准化接口，方便用户访问云存储系统。本系统提供数据存储和调用2个接口，应用程序获得授权后通过不同接口实现解舒检验数据的存储与调用。

数据管理层是连接存储层及上层应用接口层的桥梁，对外提供高效的数据访问通道，提高访问性能。

数据存储层是云存储系统的核心,利用关系型数据库对数据进行统一存储。

5.2 数据存储技术

应用程序采用HTTP通信协议与云服务器通信，据接收与存储过程如图7所示。

图7 数据接收与存储过程Fig.7 Data receiving and stored procedures

云服务器端设置监听程序，监听HTTP协议默认端口。客户端新建一个用于通信的套接字文件描述符Socket连接云服务器。服务器监听端口接收到客户端Socket请求时被动打开，成功建立连接后通过Socket套接字监控客户端写入数据，对接收数据进行缓存与解析。数据传输完成后断开连接，利用ADO.NET数据访问技术执行SQL语句存储数据。