吳 彤，孫衛(wèi)紅，邵鐵鋒，韓 冰，沈 軍

(1.中國計量大學(xué) 機電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.中國計量大學(xué) 繭絲綢質(zhì)量檢測技術(shù)研究所，浙江 杭州 310018； 3.南充市纖維檢驗所，四川 南充 637001； 4.江西省市場監(jiān)督管理質(zhì)量安全檢查中心，江西 南昌 330096)

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

在解舒檢驗過程中采用人工目測、手動記錄的方法統(tǒng)計緒下繭粒數(shù)。該方法存在工作量大、效率低等問題。隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，一些學(xué)者以蠶繭為研究對象，提出了針對蠶繭圖像的分割和計數(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K-Means算法的蠶繭自動計數(shù)方法；本課題組[5]提出一種基于凹點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，云存儲技術(shù)以其存儲海量化、共享同步化、利用智能化的特點被廣泛用于各個領(lǐng)域[6-8]。傳統(tǒng)繅絲控制儀存儲容量不能滿足需求且無法靈活調(diào)整，采用云存儲可根據(jù)存儲需求靈活擴充存儲容量。當(dāng)存儲硬盤損壞時，系統(tǒng)自動將數(shù)據(jù)存儲至其他節(jié)點，保證數(shù)據(jù)安全。解舒檢驗數(shù)據(jù)用于繅絲生產(chǎn)工藝設(shè)計研究可適當(dāng)彌補傳統(tǒng)繅絲工藝設(shè)計不足[9-10]。傳統(tǒng)繅絲控制儀將解舒數(shù)據(jù)存儲于本地硬盤，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與統(tǒng)一管理，形成“數(shù)據(jù)孤島”。利用云存儲技術(shù)搭建云存儲平臺，提供標(biāo)準(zhǔn)化接口，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲與共享。

因此，本文設(shè)計一種面向云存儲的桑蠶繭解舒檢驗系統(tǒng)。針對解舒檢驗過程中緒下繭特征，提出一種緒下繭圖像分割方法，提高緒下繭圖像分割精度。將軟硬件與云存儲技術(shù)相結(jié)合，無需構(gòu)建本地存儲設(shè)施，減少存儲成本，可建立解舒檢驗數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲平臺。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

桑蠶繭解舒檢驗系統(tǒng)由下位機硬件、上位機軟件、云服務(wù)器和工業(yè)相機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。下位機硬件部分包括數(shù)字IO模塊、通信模塊、控制模塊和電源模塊，主要負(fù)責(zé)采集與傳輸繅絲機傳感器信號。上位機軟件系統(tǒng)是基于.NET平臺開發(fā)的應(yīng)用程序，主要包括下位機信號采集與處理、緒下繭粒數(shù)識別等功能。上位機系統(tǒng)外部可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸將解舒檢驗數(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

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)控制計算機以及繅絲機上的傳感器相連。

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，實現(xiàn)15路傳感器信號采集與轉(zhuǎn)換。

通信模塊為控制模塊與各部件進行數(shù)據(jù)傳輸提供接口。工業(yè)控制計算機提供標(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行數(shù)據(jù)傳輸。

控制模塊主控芯片選用STM32單片機，利用通信模塊提供接口與上位機通信，實現(xiàn)對解舒檢驗的流程控制和信號采集。

電源模塊采用輸出電壓為12 V的開關(guān)電源。除工業(yè)控制計算機，系統(tǒng)其他模塊輸入電壓為3.3 V，使用2個穩(wěn)壓器對開關(guān)電源輸出進行電壓轉(zhuǎn)換，避免信號波動造成干擾[11]。

3 緒下繭粒數(shù)識別

檢驗開始前，用戶設(shè)置巡緒周期。上位機系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定周期生成定時器定時觸發(fā)相機采集緒下繭圖像。緒下繭粒數(shù)識別主要包括背景分割和緒下繭標(biāo)記2個部分，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

蠶繭在解舒檢驗過程中，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)，繅絲機添緒機構(gòu)會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，一類是繭絲未脫落的正常狀態(tài)蠶繭，另一類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。對圖3(a)所示緒下繭圖像進行顏色空間轉(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均值聚類算法對I分量圖像進行聚類分割[13]，獲得正常狀態(tài)蠶繭圖像。利用最大類間方差法[13]分割S分量圖像，獲取透明狀態(tài)蠶繭內(nèi)蠶蛹圖像。對S分量和I分量分割圖像進行與運算，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和過分割率OR。

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

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)定輪廓像素點閾值確定黏連蠶繭輪廓。在黏連輪廓上選取分割點分離黏連區(qū)域，分割點一般為凹點。根據(jù)凹點位置關(guān)系判據(jù)[5，14]在黏連輪廓上搜尋凹點，凹點檢測結(jié)果如圖3(c)所示。利用凹點匹配判據(jù)[15]構(gòu)造分割線分割黏連區(qū)域，如圖3(d)所示。對圖中連通域進行標(biāo)記，連通域的個數(shù)即緒下繭粒數(shù)，如圖3(e)所示。

圖3 緒下繭粒數(shù)識別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

4.1 系統(tǒng)界面設(shè)計

上位機軟件主要包括以下界面：登錄界面、參數(shù)設(shè)置界面、檢驗界面、查詢界面和管理界面，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：驗證用戶身份信息，有檢驗員和管理員2種操作權(quán)限。通信串口號和繅絲機臺號由管理員設(shè)置。

參數(shù)設(shè)置界面：設(shè)置解舒檢驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù),包括檢驗驗區(qū)號、繅絲機車速、索緒區(qū)溫度、繅絲區(qū)溫度、巡緒周期等。為方便檢驗員操作提高檢驗效率，在需要輸入檢驗參數(shù)的頁面內(nèi)嵌數(shù)字鍵盤。

檢驗界面：調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊對下位機信號實時處理得到5緒解舒檢驗數(shù)據(jù)。檢驗員在檢驗過程中可實時觀察各緒生絲總長、添緒次數(shù)、吊糙次數(shù)，在添緒次數(shù)或吊糙次數(shù)異常時實時修正。

查詢界面：查詢歷史檢驗單，如圖5所示。用戶可根據(jù)工號、繅絲機臺號和檢驗日期查詢歷史檢驗單，自動生成檢驗報表。當(dāng)由于斷電或設(shè)備故障導(dǎo)致解舒檢驗異常中斷，系統(tǒng)自動存儲實時數(shù)據(jù)，待恢復(fù)正?？裳a做未完成檢驗。

圖5 查詢界面Fig.5 Query interface

管理界面：對用戶和設(shè)備進行增加、刪除和更新。

4.2 數(shù)據(jù)處理模塊

L=R×N

解舒檢驗中由于繅絲機存在誤添、誤吊的情況，導(dǎo)致下位機誤判吊糙及添緒次數(shù)，上位機檢驗界面設(shè)置修正按鈕，出現(xiàn)誤添和誤吊時可實時修正數(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為繅絲機實時吊糙次數(shù)；De為誤吊次數(shù)；T為修正后添緒次數(shù)；Tz為繅絲機實時添緒次數(shù)；Te為誤添次數(shù)。

系統(tǒng)在檢驗結(jié)束后依照GB/T 9111—2015《桑蠶干繭實驗方法》中解舒檢驗規(guī)定自動計算繭質(zhì)性能指標(biāo)：解舒率、解舒絲長、繭絲長、萬米掉糙等。

5 云存儲系統(tǒng)與數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

5.1 云存儲系統(tǒng)

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

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

用戶訪問層根據(jù)用戶實際需求設(shè)計。本文設(shè)計的上位機系統(tǒng)可供檢驗員在解舒現(xiàn)場查詢解舒數(shù)據(jù)。后續(xù)可開發(fā)基于B/S架構(gòu)的解舒檢驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，用戶可通過瀏覽器訪問。

應(yīng)用接口層提供標(biāo)準(zhǔn)化接口，方便用戶訪問云存儲系統(tǒng)。本系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)存儲和調(diào)用2個接口，應(yīng)用程序獲得授權(quán)后通過不同接口實現(xiàn)解舒檢驗數(shù)據(jù)的存儲與調(diào)用。

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

數(shù)據(jù)存儲層是云存儲系統(tǒng)的核心,利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲。

5.2 數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

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

圖7 數(shù)據(jù)接收與存儲過程Fig.7 Data receiving and stored procedures

云服務(wù)器端設(shè)置監(jiān)聽程序，監(jiān)聽HTTP協(xié)議默認(rèn)端口?？蛻舳诵陆ㄒ粋€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)聽端口接收到客戶端Socket請求時被動打開，成功建立連接后通過Socket套接字監(jiān)控客戶端寫入數(shù)據(jù)，對接收數(shù)據(jù)進行緩存與解析。數(shù)據(jù)傳輸完成后斷開連接，利用ADO.NET數(shù)據(jù)訪問技術(shù)執(zhí)行SQL語句存儲數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種面向云存儲的桑蠶繭解舒檢驗系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計。將軟硬件技術(shù)與云存儲技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了對解舒檢驗數(shù)據(jù)的采集、計算與存儲，提高了解舒檢驗的自動化和智能化程度。應(yīng)用云存儲技術(shù)，為解舒檢驗提供數(shù)據(jù)交互和共享平臺，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。