楊東興　劉春俠

摘 ?要：針對(duì)傳統(tǒng)紙張計(jì)數(shù)無(wú)法達(dá)到精準(zhǔn)、無(wú)損、高效識(shí)別紙張數(shù)目的不足，設(shè)計(jì)了一款基于FDC2214分段線性回歸紙張識(shí)別裝置。該裝置采用平行板電容法原理，以STM32F103C8T6為主控單元、FDC2214電容傳感器和金屬板作為數(shù)據(jù)采集單元、以O(shè)LED屏幕作為顯示單元。通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元對(duì)電容值進(jìn)行采集，在MCU里利用分段式回歸算法進(jìn)行運(yùn)算實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練、識(shí)別。同時(shí)引入簡(jiǎn)單機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)一步提高了整個(gè)裝置的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在數(shù)據(jù)處理時(shí)用卡爾曼濾波、溫度補(bǔ)償?shù)人惴ㄟM(jìn)行誤差補(bǔ)償，提高了整個(gè)裝置抗干擾能力。該裝置在訓(xùn)練模式下對(duì)紙張數(shù)目進(jìn)行學(xué)習(xí)并對(duì)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，然后在測(cè)試模式下經(jīng)過(guò)算法運(yùn)算、數(shù)據(jù)比對(duì)從而準(zhǔn)確輸出紙張數(shù)目。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該裝置能夠達(dá)到準(zhǔn)確、穩(wěn)定、高效地輸出紙張數(shù)目。

關(guān)鍵詞：分段線性回歸算法;FDC2214;紙張識(shí)別;電容采集;卡爾曼濾波算法;溫度補(bǔ)償;機(jī)器學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：TP181 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）31-0084-03

Abstract： Aiming at the situation that the shortage of traditional paper counting can not achieve accurate， lossless and efficient identification of paper number， a paper identification device based on FDC2214 piecewise linear regression is designed. The device adopts the principle of parallel plate capacitance method， with STM32F103C8T6 as the main control unit， FDC2214 capacitance sensor and metal plate as the data acquisition unit， and OLED screen as the display unit. The capacitance value is collected by the data acquisition unit， and the training and recognition are realized in MCU by using the subsection regression algorithm. At the same time， a simple machine learning algorithm is introduced to further improve the stability and accuracy of the whole device. In data processing， Kalman filter， temperature compensation and other algorithms are used for error compensation， which improves the anti-interference ability of the whole device. The device learns the number of paper and stores the data in the training mode， and then outputs the number of paper accurately through algorithm operation and data comparison in the test mode. The experiments show that the device can output the number of paper accurately， stably and efficiently.

Keywords： piecewise linear regression algorithm; FDC2214; paper identification; capacitance acquisition; Kalman filter algorithm; temperature compensation; machine learning

引言

隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的快速發(fā)展，印刷、造紙行業(yè)對(duì)紙張計(jì)數(shù)也提出了更高的要求，精準(zhǔn)識(shí)別紙張數(shù)目就顯得尤為重要。紙張計(jì)數(shù)經(jīng)歷從最開(kāi)始的人工計(jì)數(shù)到現(xiàn)在機(jī)械微控制計(jì)數(shù)。人工計(jì)數(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)效率低、出錯(cuò)率高，而機(jī)械微控制計(jì)數(shù)在計(jì)數(shù)的過(guò)程中可能會(huì)對(duì)紙張產(chǎn)生影響，造成紙張磨損等情況。當(dāng)前驗(yàn)鈔機(jī)就是機(jī)械微控制計(jì)數(shù)，在點(diǎn)鈔的時(shí)候會(huì)對(duì)紙張有磨損，甚至可能出現(xiàn)損傷紙張的情況。為了完善以上不足，設(shè)計(jì)出一款高效、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的紙張識(shí)別裝置更符合現(xiàn)代潮流趨勢(shì)。本設(shè)計(jì)采用平行板電容法，通過(guò)改變放入兩極板中不同紙張會(huì)引起電容值改變的原理，設(shè)計(jì)出新的紙張識(shí)別裝置。該裝置可以用在銀行識(shí)別鈔票數(shù)目、造紙廠識(shí)別紙張數(shù)目等方面。

1 系統(tǒng)工作原理

本裝置采用平行板電容器法來(lái)進(jìn)行測(cè)量：用兩片金屬片（50mm*50mm）作為信號(hào)采集的直接裝置，中間放入紙張進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)原理通過(guò)C0=（H為極板間距，S為極板有效面積，ε為空氣相對(duì)介電常數(shù)，C0為實(shí)測(cè)電容值，ε0為真空介電常數(shù)），在控制變量法的原則下，當(dāng)插入紙張數(shù)量不同，會(huì)引起兩極板間的介電常數(shù)ε會(huì)發(fā)生改變，從而得到的電容值的改變。用FDC2214電容數(shù)字轉(zhuǎn)化芯片作為信號(hào)采集的處理芯片，將實(shí)際電容值等效成一個(gè)高精度的數(shù)字電容值。當(dāng)紙張放到兩極板之間后，在FDC2214芯片內(nèi)部發(fā)生簡(jiǎn)諧變化產(chǎn)生一個(gè)諧振頻率，通過(guò)計(jì)算將頻率轉(zhuǎn)化成一個(gè)等效電容值。

DATAx=

（DATAx：計(jì)算出的值，fSENSOR：傳感器得到的值，fREF：?jiǎn)纹瑱C(jī)提供參考頻率）

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

在構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)時(shí)，既要考慮到外界強(qiáng)電場(chǎng)、含鐵物質(zhì)對(duì)該系統(tǒng)的影響又要兼顧該系統(tǒng)的可行性和獨(dú)特性。硬件機(jī)械裝置采用亞克力板和3D打印模型為主材料，下面是硬件機(jī)械裝置立體圖如圖1所示。硬件電路主要有以下部分構(gòu)成：主控單元、信號(hào)采集單元、輸出顯示單元、操作單元，使用5V直流電源供電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖如圖2所示。

2.2 主控MCU的選擇

本裝置主控MCU選擇STM32F103C8T6的32位單片機(jī)，最高主頻能達(dá)到72MHz，片內(nèi)有128K的Flash和20KB的ROM，支持多種協(xié)議，內(nèi)置資源豐富，具有低功耗、高性能、低成本完全適合本產(chǎn)品。

2.3 信號(hào)采集單元

信號(hào)采集單元由FDC2214電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片、兩片（50mm*50mm）的錫紙片和SHT30傳感器組成。

FDC2214電容數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片低功耗、高分辨率，多通道，采用EMI架構(gòu)具有抗電磁干擾，即在高噪聲環(huán)境中也能維持性能的不變。FDC2214傳感器電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

電容器極板采用兩片（50mm*50mm）錫紙片，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比錫紙片比鐵片、銅片實(shí)驗(yàn)效果更好一點(diǎn)，電容變化的范圍大，易于后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。

SHT30傳感器是一個(gè)高精度數(shù)字溫濕度傳感器，具有很高的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，響應(yīng)迅速，抗干擾能力強(qiáng)。該傳感器在本系統(tǒng)中進(jìn)行溫度補(bǔ)償，減小誤差的影響，提高整個(gè)裝置的精度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)現(xiàn)功能

本裝置為紙張識(shí)別裝置，通過(guò)FDC2214電容數(shù)字轉(zhuǎn)化芯片和平行板電容器收集到電容值變化情況，進(jìn)行紙張識(shí)別。在本系統(tǒng)中有兩個(gè)模式：訓(xùn)練模式和測(cè)試模式。在訓(xùn)練模式下，對(duì)不同紙張進(jìn)行數(shù)據(jù)收集并記錄。訓(xùn)練分為1-10張淺度訓(xùn)練、11-20張中度訓(xùn)練、20-30張深度訓(xùn)練，總的訓(xùn)練時(shí)間不超過(guò)4分鐘。在測(cè)試模式下，放入紙張進(jìn)行測(cè)試，按下啟動(dòng)鍵后，蜂鳴器響后，屏幕準(zhǔn)確顯示紙張數(shù)目，整個(gè)過(guò)程不超過(guò)2秒。

3.2 實(shí)現(xiàn)算法

本系統(tǒng)使用的算法模型是在MATLAB軟件上通過(guò)多組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合出來(lái)，分階段進(jìn)行線性回歸擬合方程的算法，這樣既提高了輸出結(jié)果的準(zhǔn)確率，又改進(jìn)了單純查表法的一些弊端，進(jìn)一步提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.3 系統(tǒng)流程

如圖4所示是整個(gè)系統(tǒng)工作流程。

在使用前確定周圍環(huán)境盡量避開(kāi)強(qiáng)電場(chǎng)，這樣降低環(huán)境中的干擾因素。在開(kāi)機(jī)后，系統(tǒng)各項(xiàng)進(jìn)行初始化后顯示開(kāi)機(jī)界面，接著系統(tǒng)會(huì)判斷是否兩極板接觸短路，短路會(huì)報(bào)警蜂鳴器響起、屏幕提示。之后系統(tǒng)自校準(zhǔn)進(jìn)入訓(xùn)練模式，進(jìn)行對(duì)紙張的訓(xùn)練，訓(xùn)練紙張一般為1-20張紙，訓(xùn)練結(jié)束后，數(shù)據(jù)集進(jìn)行保存到MCU里。在自校準(zhǔn)結(jié)束后，整個(gè)系統(tǒng)正常工作，可以開(kāi)始正常測(cè)試。

3.4 數(shù)據(jù)處理

3.4.1 引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法

在系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)處理時(shí)時(shí)分為兩種模式：訓(xùn)練模式和測(cè)試模式，第一次使用需要在訓(xùn)練模式下進(jìn)行1-20張紙的訓(xùn)練，訓(xùn)練后的數(shù)據(jù)集保存到MCU里，每次訓(xùn)練都會(huì)產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)集。在測(cè)試模式下會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行抽樣，把抽樣值經(jīng)過(guò)算法處理判斷是否記錄到新數(shù)據(jù)集里，進(jìn)一步補(bǔ)充數(shù)據(jù)集的完整性，提高了本系統(tǒng)在工作環(huán)境中的準(zhǔn)確性。

3.4.2 引入溫度補(bǔ)償算法

本裝置采用平板電容器電容法的原理進(jìn)行紙張測(cè)量，在測(cè)量時(shí)外界環(huán)境會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)有影響，為了降低溫濕度變化帶來(lái)的影響，本系統(tǒng)中引入溫度補(bǔ)償算法。

H（x）=A（f1（x））+B（f2（x））+C

H（x）：輸出溫度補(bǔ)償值;f1（x）、f2（x）：傳遞溫、濕度函數(shù)值;A、B：溫、濕度補(bǔ)償系數(shù);C：系統(tǒng)誤差。

當(dāng)溫濕度變化大時(shí)，會(huì)直接影響后期處理的結(jié)果，所以在不同溫濕度下進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步提高系統(tǒng)輸出的準(zhǔn)確率。

本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)集最大是15組，在訓(xùn)練模式下的數(shù)據(jù)集會(huì)一直保存，若其他數(shù)據(jù)集大于14組，數(shù)據(jù)集會(huì)進(jìn)一步更新。若超過(guò)訓(xùn)練紙張數(shù)目，根據(jù)算法會(huì)進(jìn)行判別記錄數(shù)據(jù)集，同時(shí)顯示輸出結(jié)果。采集數(shù)據(jù)處理圖如圖5所示。

3.4.3 數(shù)據(jù)誤差處理

本裝置對(duì)輸入信號(hào)的質(zhì)量要求很高，在采集裝置到FDC2214采用時(shí)分復(fù)用兩路信號(hào)進(jìn)行采集，在不同時(shí)刻進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣通過(guò)一階平滑濾波處理后，這樣間接消除單通道偶然因素影響，再通過(guò)卡爾曼濾波算法進(jìn)一步消除系統(tǒng)中的噪聲和干擾，這樣處理后的數(shù)據(jù)可信度更高。數(shù)據(jù)誤差處理框圖如6所示。

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)測(cè)試，在1-50張紙的正確率為99.75%，在51-80張紙的正確率為98.62%，在81-150張紙的正確率為95.89%。下面表1展示出測(cè)試1-18張紙的數(shù)據(jù)變化，其中檢測(cè)電容值是通過(guò)系統(tǒng)處理后的值。實(shí)驗(yàn)中測(cè)1-18張紙張的數(shù)據(jù)如表1所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出基于FDC2214分段線性回歸紙張識(shí)別裝置設(shè)計(jì)，該裝置實(shí)現(xiàn)了紙張精準(zhǔn)計(jì)數(shù)、快速識(shí)別、操作簡(jiǎn)單，測(cè)量過(guò)程中不損傷紙張等特點(diǎn)，解決了人工計(jì)數(shù)效率低、出錯(cuò)率大，機(jī)械計(jì)數(shù)對(duì)紙張磨損等問(wèn)題。該裝置具有精度高、有制作成本低、操作簡(jiǎn)單、低功耗等特點(diǎn)，有望在銀行、印刷業(yè)能夠廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭霞，譚亞麗，申淼.基于FDC2214的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2018，37（12）：90-92.

[2]張輝，卜雯意，施豪.基于FDC2214電容傳感器的手勢(shì)識(shí)別裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].巢湖學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，20（06）：84-90.

[3]彭丁聰.卡爾曼濾波的基本原理及應(yīng)用[J].軟件導(dǎo)刊，2009，8（11）：32-34.

[4]王玨，石純一.機(jī)器學(xué)習(xí)研究[J].廣西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003（02）：1-15.