智能工厂中的生产设备数据采集装置及方法与流程

本发明涉及数据采集技术领域，特别涉及一种智能工厂中的生产设备数据采集装置及方法。

背景技术：

在工业4.0蓝图中，连接一切的信息物理网络（CPS）是实现智能工厂、智能生产的基础，而CPS将源源不断的获取所有生产设备、感知装备、联网终端，包括生产者本身产生的数据，这些数据将会渗透到企业运营、价值链乃至产品的整个生命周期，是工业4.0和制造革命的基石。

但CPS网络模型只是一个相当理想的参考架构，在CPS网络模型中并没有给出解决异构系统及设备间的连通性问题的技术实现方法和路径。比如智能工厂中的生产设备，要从其中获取并传输所有可能产生的数据，有很多实际的困难需要解决。如老式的生产设备没有通讯接口，仪表都是模拟的；新式的生产设备虽然基本上都有中控电脑或PLC，但它们的通讯协议及接口也是五花八门的，有RS232，485，以太网等，即使有相同的接口形式，其数据格式和规则可能都不一样，甚至有些会对数据进行加密。

目前对生产设备的数据进行采集常用的技术有以下两种：

第一种是通过在设备内部加装传感器来采集有关数据。这种方法对于旧式和新式的生产设备都适用，但存在以下缺陷：一是由于传感器是加装的，获取的参数和设备本身显示的参数可能会不一致。如老式设备的模拟仪表盘或新式设备的中控电脑显示屏上显示的数据与加装传感器采集后传输到服务器中的数据不一致，会给现场工人的生产带来混乱；二是由于需要拆开设备在内部加装传感器，存在影响设备正常运行的隐患，设备厂商也可能因为这些后续加装的传感器，在设备出现问题时拒绝保修。

第二种是利用生产设备的输出接口来采集有关数据。这种方法只适用于新式的生产设备，另外还存在的缺陷是用这种方式采集数据将面对各种各样的物理接口和通讯协议，对每一种协议都要分析它的数据格式，有些可能无法分析，甚至有些被加密而无法采集。

以上两种常用的数据采集系统中常采用有线网络将设备侧采集到的数据传输到服务器后台系统，对于设备众多，摆放密集的大型工厂部署这些系统往往需要很高的施工难度和建网成本。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种智能工厂中的生产设备数据采集装置及方法，该智能工厂中的生产设备数据采集装置可以避免旧式设备降低生产设备数据采集的难度和建立众多设备采集数据传输网络的成本。

为了解决上述问题，本发明提供一种智能工厂中的生产设备数据采集装置，该智能工厂中的生产设备数据采集装置包括：摄像头、AD采样电路、射频传输电路和微处理器，其中，摄像头获取设备仪表或显示器显示的图像，AD采样电路将摄像头获得的模拟信号转变为数字信号后送入微处理器，微处理器对仪表图像进行处理和解析，射频传输电路对解析成功的数据上传给服务器后台系统。

进一步地说，所述摄像头包括CCD摄像头。

进一步地说，所述图像处理包括图像增强和/或图像二值化处理。

进一步地说，所述图像处理包括降低数据量的归一化和剔除虚假点的低通滤波处理。

本发明还提供另一种智能工厂中的生产设备数据采集装置，该智能工厂中的生产设备数据采集装置包括：摄像头、AD采样电路、射频传输电路、微处理器、机电控制电路和机电控制臂，其中。摄像头获取设备仪表或显示器显示的图像，AD采样电路将摄像头获得的模拟信号转变为数字信号后送入微处理器，微处理器对仪表图像进行图像数字处理和数据解析，射频传输电路对解析成功的数据上传给服务器后台系统，并且通过机电控制电路控制机电控制臂。

进一步地说，所述摄像头包括CCD摄像头。

进一步地说，所述图像处理包括图像增强和/或图像二值化处理。

进一步地说，所述图像处理还包括降低数据量的归一化和剔除虚假点的低通滤波处理。

本发明还提供一种仪表盘指示的数值准确采集方法。仪表盘指示的数值准确采集方法，包括：

制作背景模板，将摄像头的光轴设置为与仪表盘中心轴重合，以此获取仪表盘的图像，并将剔除指针后的仪表盘图像作为背景模板；

划分扇面，以仪表盘中心点为圆点将仪表盘的盘面划分成多个的扇面，再以仪表盘中心点为圆点将每个扇面内每个指针最小刻度单位划分成多个分扇面；

制作识别模板，将每个扇面外的区域分别涂黑，扇面内部区域留白，形成多个不同的识别模板，再将每个分扇面外的区域分别涂黑，分扇面内部区域留白，形成多个不同的分识别模板；

仪表盘指针位置识别，采集当前的仪表盘图像后先与背景模板进行差影运算处理获得指针图像，再将指针图像逐一与识别模板进行叠加运算处理，当运算结果与当前识别模板完全相同时，则指针未在该识别模板中，并依次确定下一识别模板中是否有指针，当运算结果与当前识别模板不完全相同时，采用确定识别模板中的指针位置确定指针位于该识别模板中具体分识别模板位置，获得指针指示的数值。

进一步地说，在指针的转轴位置设置一个与仪表盘同心圆，该同心圆与仪表盘各扇面内部留白，外部全涂黑。

进一步地说，所述图像处理包括图像增强和/或图像二值化处理。

进一步地说，所述图像数字处理还包括降低数据量的归一化和剔除虚假点的低通滤波处理。

本发明还提供一种显示器显示图像准确的数据采集方法。该显示器显示图像准确的数据采集方法，包括在微处理器中预设采集的数据在显示器上位置，在获得的显示器图像预设的位置进行图像处理，提取显示相应的数值。

本发明智能工厂中的生产设备数据采集装置，包括摄像头、AD采样电路、射频传输电路和微处理器，其中摄像头获取设备仪表或显示器显示的图像，AD采样电路将摄像头获得的模拟信号转变为数字信号后送入微处理器，微处理器对仪表图像进行图像处理和解析，射频传输电路对解析后的数据上传给服务器后台系统。对于老式或新式生产设备，通过CMOS摄像头获取仪表盘或显示屏的图像后，对图像进行处理和解析，并将解析后的数据通过射频传输电路上传到服务器后台系统。该数据采集装置对具有仪表盘的老式设备或显示屏的新式设备所显示的数据信息都可以准确无误的采集并传输到后台系统，既不需要破译分析不同设备的不同接口和协议，也不需要在生产设备内部加装传感器而可能影响其正常运行，具有广泛的适应性，安装简便，部署的难度和成本都比原有技术降低很多。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，而描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1 是生产设备数据采集装置第一实施例电气原理图。

图2 是生产设备数据采集装置第二实施例电气原理图。

图3 是仪表盘指示的数值准确采集方法流程图。

图4 是仪表盘背景模板示意图。

图5 是识别模板示图。

图6是以仪表盘最小刻度划分的分识别模板示意图。

图7是剔除指针图像示意图。

下面结合实施例，并参照附图，对本发明目的的实现、功能特点及优点作进一步说明。

具体实施方式

为了使要发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种智能工厂中的生产设备数据采集装置实施例。

该智能工厂中的生产设备数据采集装置包括：包括摄像头1、AD采样电路2、射频传输电路4和微处理器3，其中，所述摄像头1用于获取设备仪表或显示器显示的图像，AD采样电路2将摄像头获得的模拟信号转变为数字信号后送入微处理器3，所述微处理器3对仪表或显示器显示图像进行处理和解析，所述射频传输电路4对解析后的数据上传给服务器后台系统。

具体地说，所述摄像头1包括采用CCD光感传感器的摄像头。所述图像处理包括对图像增强和/或图像二值化处理，还包括对图像降低数据量的归一化和剔除虚假点的低通滤波等处理。

由于数据采集装置对具有仪表盘的老式设备或显示屏的新式设备所显示的数据信息都可以准确无误的采集并传输到后台系统，既不需要破译分析不同设备的不同接口和协议，也不需要在生产设备内部加装传感器而可能影响其正常运行，具有广泛的适应性，安装简便，部署的难度和成本都比原有技术降低很多。

在本实施例中，也可以采用CMOS光感传感器，由于CMOS传感器内部自带AD采样电路，直接能输出数字信号，因此仅需将上述实施例中的AD采样电路删除即可，各电路的连接关系和功能与上述相同，不再赘述。

如图2所示，本发明还提供另一种智能工厂中的生产设备数据采集装置，该智能工厂中的生产设备数据采集装置包括：摄像头1、AD采样电路2、射频传输电路4、微处理器3、机电控制电路5和与机电控制电路5连接的机电控制臂，其中，摄像头1获取设备仪表或显示器显示的图像，AD采样电路2将摄像头获得的模拟信号转变为数字信号后送入微处理器，微处理器3对仪表图像进行图像处理和解析，射频传输电路4对解析后的数据上传给服务器后台系统，并且通过机电控制电路5控制机电控制臂动作。

具体地说，所述摄像头1包括采用CCD传感器的光感传感器。所述图像处理包括对图像增强和/或图像二值化处理，还包括对图像降低数据量的归一化和剔除虚假点的低通滤波等处理。在本实施例中，也可以采用CMOS光感传感器，由于CMOS传感器内部自带AD采样电路，直接能输出数字信号，因此仅需将上述实施例中的AD采样电路删除即可，各电路的连接关系和功能与上述相同，不再赘述。

由于数据采集装置对具有仪表盘的老式设备或显示屏的新式设备所显示的数据信息都可以准确无误的采集并传输到后台系统，既不需要破译分析不同设备的不同接口和协议，也不需要在生产设备内部加装传感器而可能影响其正常运行，具有广泛的适应性，安装简便，部署的难度和成本都比原有技术降低很多。

如图3所示，本发明不提供一种针对老式生产设备的仪表盘指示的数值准确采集方法。该仪表盘指示的数值准确采集方法针方法包括，

步骤S10，制作背景模板，将摄像头的光轴设置为与仪表盘中心轴重合，以此获取仪表盘的图像，并将剔除指针后的仪表盘图像作为背景模板，如图4所示；

步骤S11，划分扇面，以仪表盘中心点为圆点将仪表盘的盘面划分成多个的扇面，再以仪表盘中心点为圆点将每个扇面内每个指针最小刻度单位划分成多个分扇面；具体地说，可以如图5所示划分出了5个识别模板，即识别模板-1、识别模板-2、识别模板-3…..识别模板-5，如图6所示每个识别模板按其最小刻度划分成分识别模板A、分识别模板B…. 分识别模板J等，每个识别模板中都不应包含指针图像；

步骤S12，制作识别模板，将每个扇面外的区域分别涂黑，扇面内部区域留白，形成多个不同的识别模板，再将每个分扇面外的区域分别涂黑，分扇面内部区域留白，形成多个不同的分识别模板，如图7就是剔除了指针图像；所述涂黑可以采用人工方式在PC上用专用软件，如Photoshop或画图软件将扇面外的区域涂黑；

步骤S13，仪表盘指针位置识别，采集当前的仪表盘图像后先与背景模板进行差影运算处理获得指针图像，即当前仪表盘图像减去背景模板获得指针图像，再将指针图像逐一与识别模板进行叠加运算处理，当运算结果与当前识别模板完全相同时，则指针未在该识别模板中，并依次确定下一识别模板中是否有指针，当运算结果与当前识别模板不完全相同时，采用确定识别模板中的指针位置确定指针位于该识别模板中具体分识别模板位置，获得指针指示的数值；上述5个识别模板及每个识别模板对应的数个分识别模板位置预设有数据库内，在采集到当前的仪表盘图像后分别与每个识别模板进行运算比对，第一步用图像识别算法确定指针位于哪个识别模板，第二步采用同的方式在确定指针位置的识别模板内的分识别模板上确定指针的具体位置，比如确定指针位于识别模板-1中，说明表盘数据在0~50之间，则进一步将当前的仪表盘图像后分别和识别模板-1划分出的第二阶段的识别模板进行运算，参与运算的识别模板有识别模板-4和识别模板-5，用图像识别算法很容易确定指针位于分识别模板中具体位置，说明仪表数据在30~35之间，根据对采集数据精度的要求可以用常用的图像识别算法确定指针位置对应30~35之间的哪一个数。

上述所述图像处理包括图像增强和/或图像二值化处理，还包括降低数据量的归一化和剔除虚假点的低通滤波处理等处理。为了去除指针尾部的干扰，在图像中增加一个小同心圆在指针的转轴位置设置一个与仪表盘同心圆，该同心圆与仪表盘各扇面内部留白，外部全涂黑。

对有显示器的新式设备，本发明还提供一种显示器显示图像准确的数据采集方法。该显示器显示图像准确的数据采集方法，包括在微处理器中预设采集的数据在显示器上位置，在获得的显示器图像预设的位置进行图像处理，提取显示相应的数值。

具体以从显示器提取当前油温的数据和油缸当前位置的数据为例说明，获取的图像位置是静止不动的，而显示器显示上述数据的位置也是固定的，因此可以从当前图像中截取左下角坐标(Xa1,Ya1)到右上角坐标(Xa2,Ya2)的长方形区域作为第一区块，截取左下角坐标(Xb1,Yb1)到右上角坐标(Xb2,Yb2)的长方形区域作为第二区块；从第一区块中采用常用识别算法识别出的数据即为当前油温的数据，从第二区块中采用常用识别算法识别出的数据即为油缸当前位置的数据，从而实现从显示器显示的图像中采集相关数据。

所述以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。