李 博，李仕奇，譚振豪

LI Bo1，LI Shi-qi2，TAN Zhen-hao2

（1.電子科技大學(xué)中山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，中山 528402；2.江門(mén)市大光明電力設(shè)備廠有限公司，江門(mén) 529100）

0 引言

計(jì)量封印產(chǎn)品主要用于電能計(jì)量裝置上進(jìn)行加封[1]，防止未授權(quán)的人員非法開(kāi)啟計(jì)量裝置，達(dá)到防竅電的目的。為滿足電力企業(yè)防止封印被偽造，以及在使用上對(duì)其實(shí)施規(guī)范化、信息化、智能化管理的要求，封印產(chǎn)品上通常設(shè)置有激光打印的字符編碼、條碼等防偽特征，而且每個(gè)封印產(chǎn)品在生產(chǎn)出廠前均須將防偽信息讀取、錄入封印管理系統(tǒng)中。為增強(qiáng)防偽性能，某些型號(hào)的封印產(chǎn)品具有兩種防偽特征（如圖1所示），在正面采用條碼防偽特征，在側(cè)面采用字符編碼防偽特征，產(chǎn)品在包裝盒中的情況如圖2所示。以往對(duì)此產(chǎn)品兩種防偽信息的識(shí)別、錄入工作主要采用人工方式，由工人目檢包裝盒中的產(chǎn)品側(cè)面字符編碼是否與封印管理系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)相符；然后，人工逐個(gè)拿出產(chǎn)品用手持條碼掃描器識(shí)別條碼信息輸入管理系統(tǒng)中。由此可見(jiàn)，該項(xiàng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)綁定錄入工作的效率相當(dāng)?shù)拖?，而市?chǎng)上還沒(méi)有這方面的自動(dòng)化檢測(cè)裝置，因此，有必要研制封印產(chǎn)品字符編碼與條碼數(shù)據(jù)綁定系統(tǒng)。

本項(xiàng)目研究綜合應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)與自動(dòng)化控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)出一種封印產(chǎn)品字符編碼與條碼數(shù)據(jù)綁定系統(tǒng)。采用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品字符編碼及條碼進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，開(kāi)發(fā)了基于PLC控制的自動(dòng)化檢測(cè)夾具，應(yīng)用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW完成檢測(cè)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了封印產(chǎn)品兩種防偽特征的自動(dòng)化檢測(cè)與數(shù)據(jù)綁定錄入，大大提高了此項(xiàng)檢測(cè)工序的自動(dòng)化水平和工作效率。

圖1 具有兩種防偽特征的封印

圖2 包裝盒中的封印產(chǎn)品

1 系統(tǒng)檢測(cè)夾具設(shè)計(jì)

如圖1所示，封印產(chǎn)品的兩種防偽特征位于不同位置上，由圖2可知，產(chǎn)品在包裝盒中只能呈現(xiàn)出所有側(cè)面字符編碼，而正面的防偽條碼由于產(chǎn)品之間的相互遮擋，無(wú)法呈現(xiàn)。因此，必須設(shè)計(jì)出一種新型的自動(dòng)化檢測(cè)夾具，使產(chǎn)品放置于檢測(cè)夾具上能在兩個(gè)不同方向上自動(dòng)呈現(xiàn)出兩種防偽特征，通過(guò)在兩個(gè)方向上建立分布式機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品字符編碼和條碼兩種防偽特征的圖像采集、檢測(cè)。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的自動(dòng)化檢測(cè)夾具應(yīng)用情況如圖3所示，將產(chǎn)品放置于檢測(cè)夾具上，所有產(chǎn)品側(cè)面呈平整狀態(tài)（如圖3（a）所示），在產(chǎn)品垂直上方設(shè)置有機(jī)器視覺(jué)裝置，可以對(duì)產(chǎn)品側(cè)面的所有字符編碼進(jìn)行圖像采集。檢測(cè)夾具可以在PLC控制下向上運(yùn)動(dòng)，前后位置不同的封印產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)上升的距離不同，這樣就使產(chǎn)品能夠自動(dòng)錯(cuò)開(kāi)擺放，從而使產(chǎn)品所有的條碼特征同時(shí)呈現(xiàn)（如圖3（b）所示），在產(chǎn)品條碼正前方設(shè)置有另一個(gè)機(jī)器視覺(jué)裝置，可以對(duì)產(chǎn)品正面的所有條碼進(jìn)行圖像采集。兩次檢測(cè)采集的圖像分別傳輸入軟件系統(tǒng)中處理，將檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定再自動(dòng)錄入封印管理系統(tǒng)中。

圖3 自動(dòng)化檢測(cè)夾具應(yīng)用情況

2 系統(tǒng)檢測(cè)流程

系統(tǒng)檢測(cè)流程如圖4所示，將封印產(chǎn)品放入檢測(cè)夾具中，利用光電檢測(cè)技術(shù)探測(cè)到產(chǎn)品存在，由PLC控制器產(chǎn)生視覺(jué)裝置1的外觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)相機(jī)采集到所有封印產(chǎn)品側(cè)面編碼的圖像輸入計(jì)算機(jī)中，軟件系統(tǒng)中的字符編碼檢測(cè)程序進(jìn)行圖像處理、分析，得到字符編碼識(shí)別結(jié)果，并檢驗(yàn)產(chǎn)品是否按照編碼順序排列。字符編碼檢測(cè)合格后，計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)通過(guò)ModBus協(xié)議與PLC控制器通信，在PLC控制下使檢測(cè)夾具向上升起，呈現(xiàn)所有產(chǎn)品防偽條碼，然后產(chǎn)生視覺(jué)裝置2的外觸發(fā)信號(hào)，采集產(chǎn)品的正面條碼圖像輸入計(jì)算機(jī)中，軟件系統(tǒng)的條碼檢測(cè)程序進(jìn)行圖像處理、分析，得到所有條碼的識(shí)別結(jié)果，并檢測(cè)產(chǎn)品是否按條碼順序排列。如果兩次檢測(cè)均合格，則將產(chǎn)品上的字符編碼與條碼進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定，采用UDP通信方式輸入封印管理系統(tǒng)中，然后PLC控制夾具下降，檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)位到待機(jī)狀態(tài)，將合格品包裝出貨。在檢測(cè)中，如果出現(xiàn)字符編碼、條碼的識(shí)別錯(cuò)誤，或者產(chǎn)品順序檢驗(yàn)錯(cuò)誤，則系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并在操作界面上顯示出錯(cuò)位置，檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)位待機(jī)，將不合品剔出處理。

3 系統(tǒng)檢測(cè)原理

檢測(cè)系統(tǒng)以虛擬儀器LabVIEW為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，運(yùn)用Ni Vision development module工具包輔助完成封印產(chǎn)品字符編碼及條碼的識(shí)別、數(shù)據(jù)綁定軟件程序（軟件界面如圖5所示）。

圖4 系統(tǒng)檢測(cè)流程圖

3.1 字符編碼檢測(cè)

字符編碼檢測(cè)應(yīng)用了機(jī)器視覺(jué)OCR技術(shù)，其原理和主要流程如下：

1）首先通過(guò)自學(xué)習(xí)訓(xùn)練建立封印產(chǎn)品字符編碼模板庫(kù)，在項(xiàng)目中，根據(jù)字符在圖像分割時(shí)呈現(xiàn)的特征，針對(duì)每個(gè)字符建立多模板[2]，以增強(qiáng)模板匹配識(shí)別的適應(yīng)性。

2）根據(jù)封印產(chǎn)品在檢測(cè)夾具上的位置設(shè)定包含字符與背景的ROI（感興趣區(qū)域），并保存于計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中，檢測(cè)時(shí)由程序自動(dòng)調(diào)用。

3）對(duì)采集到的字符編碼圖像進(jìn)行圖像濾波、圖像增強(qiáng)處理；軟件程序按照設(shè)定的ROI順序分別調(diào)用所有產(chǎn)品字符編碼的ROI信息，采用局部最大方差法進(jìn)行字符圖像二值化分割，二值化后字符外存在孤立的噪聲點(diǎn)，圖像的模糊也造成字符邊緣產(chǎn)生噪聲，因此應(yīng)用形態(tài)學(xué)腐蝕運(yùn)算進(jìn)行處理，以消除孤立噪聲點(diǎn)及邊緣噪聲。

4）將二值化分割后的字符圖像與模板庫(kù)中的圖像進(jìn)行匹配運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，待識(shí)別的字符被認(rèn)為與相似度得分最高的模板一致；將各個(gè)字符編碼識(shí)別結(jié)果存入字符識(shí)別數(shù)組中。

5）檢驗(yàn)字符識(shí)別數(shù)組中字符編碼數(shù)據(jù)是否按順序排列，若是則合格，進(jìn)入下一步條碼檢測(cè)；反之，則作為不合格品剔出，系統(tǒng)復(fù)位等待下一個(gè)產(chǎn)品的檢測(cè)。

3.2 條碼檢測(cè)

條碼檢測(cè)應(yīng)用了機(jī)器視覺(jué)條碼識(shí)別技術(shù)，其原理和主要流程如下：

圖5 檢測(cè)系統(tǒng)軟件界面

1）根據(jù)產(chǎn)品在夾具上的位置設(shè)定所有待識(shí)別條碼的ROI，并保存在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中，檢測(cè)時(shí)由程序自動(dòng)調(diào)用。

2）檢測(cè)前在軟件中設(shè)定待檢產(chǎn)品的條碼類型，有一維碼（code 128）、二維碼（PDF417、QR code、Data Matrix）等四種類型選擇。

3）對(duì)采集到的條碼圖像進(jìn)行圖像濾波、圖像增強(qiáng)處理；軟件程序按照設(shè)定的ROI順序分別調(diào)用所有產(chǎn)品條碼的ROI信息，以及調(diào)用條碼圖像識(shí)別函數(shù)，完成所有條碼信息的讀取，結(jié)果存入條碼識(shí)別數(shù)組中。

4）檢驗(yàn)條碼識(shí)別數(shù)組中條碼數(shù)據(jù)是否按順序排列，若是則合格，進(jìn)入下一步數(shù)據(jù)綁定錄入環(huán)節(jié)；反之，則屬于不合格品，PLC控制夾具下降及將產(chǎn)品剔出，系統(tǒng)復(fù)位等待下一個(gè)產(chǎn)品檢測(cè)。

3.2 數(shù)據(jù)綁定錄入

在LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境中完成數(shù)據(jù)綁定錄入程序的編程，源程序子VI如圖6所示。字符編碼與條碼的識(shí)別結(jié)果分別存放在兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)組中，條碼識(shí)別成功后，將兩個(gè)數(shù)組中相同位置的元素均提取出來(lái)，組合成新的數(shù)組元素，從而形成數(shù)據(jù)綁定數(shù)組。以UDP協(xié)議方式將綁定的字符編碼和條碼數(shù)據(jù)傳輸入封印管理系統(tǒng)，按照系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)的格式要求設(shè)置好正確的格式，然后調(diào)用UDP通信函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，并與封印管理系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn)。

圖6 數(shù)據(jù)綁定錄入源程序

4 系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

從封印產(chǎn)品的兩種防偽特征來(lái)看，其字符編碼均是具有10位字符的相似印刷體，而條碼類型則有四種：一維碼（code 128）、二維碼（PDF417、QR code、Data Matrix），根據(jù)條碼類型的不同，在生產(chǎn)過(guò)程中各抽取1000盒產(chǎn)品應(yīng)用于檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)綁定試驗(yàn)。結(jié)果如表1所示，檢測(cè)成功率達(dá)到99.8%以上，而且該工序的工作效率比以往提升了超過(guò)200%。出現(xiàn)識(shí)別錯(cuò)誤的情況均為將良品誤判為不良品；由于字符編碼及條碼的識(shí)別結(jié)果均需進(jìn)行順序檢驗(yàn)，而且輸入管理系統(tǒng)后還要進(jìn)行二次校驗(yàn)，因此，出現(xiàn)將不良品誤判為良品的可能性為零。實(shí)驗(yàn)證明，該數(shù)據(jù)綁定系統(tǒng)達(dá)到了應(yīng)用于大批量自動(dòng)化生產(chǎn)的要求。

表1 數(shù)據(jù)綁定檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)封印產(chǎn)品字符編碼及條碼防偽特征自動(dòng)化綁定、錄入的需求，研究開(kāi)發(fā)了基于機(jī)器視覺(jué)的封印產(chǎn)品字符編碼與條碼數(shù)據(jù)綁定系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)出一種新型的自動(dòng)化檢測(cè)夾具，可以在PLC控制下自動(dòng)呈現(xiàn)產(chǎn)品的兩種防偽特征；應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品字符編碼及條碼進(jìn)行自動(dòng)化識(shí)別和順序檢驗(yàn)，并將識(shí)別數(shù)據(jù)綁定錄入封印管理系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)綁定系統(tǒng)適用于封印產(chǎn)品行業(yè)大批量生產(chǎn)時(shí)對(duì)產(chǎn)品防偽特征進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)與數(shù)據(jù)綁定，改變了以往過(guò)多依賴人工操作的落后現(xiàn)狀。目前，該系統(tǒng)已在江門(mén)市大光明電力設(shè)備廠有限公司使用了超過(guò)1年時(shí)間，促進(jìn)企業(yè)實(shí)施了生產(chǎn)線技術(shù)升級(jí)、改造，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化水平及生產(chǎn)效率。

[1]何志強(qiáng),徐二強(qiáng),丁濤,等.關(guān)于實(shí)現(xiàn)電能表鉛封自動(dòng)化的研究[J].電測(cè)與儀表,2011,48(12)：83.

[2]吳偉偉,王小紅,周亞南.字符識(shí)別中兩種改進(jìn)的模板匹配算法[J].傳感器世界,2008,(6)：35-37.

[3]李俊超,李克天.基于LabVIEW和Vision的二維碼檢測(cè)系統(tǒng)[J].機(jī)床與液壓,2011,39(24)：87-90.