一种面向工业生产的通用异构数据采集装置及方法与流程

本发明涉及视频界面采集、图像处理和互联网数据库技术领域，特别涉及一种面向工业生产的通用异构数据采集装置及方法。

背景技术：

近年来，“互联网+工业”模式成为了工业生产领域所追求的目标，传统工业对“智能互联”的需求日益迫切。随着制造业的发展和智能互联的成熟，为了追求更好的市场响应性和适应性，工业生产从传统批量化逐渐向定置化模式转变。生产效率的提高，前提需要保证产品的质量。其最重要的手段就是对关键加工参数进行实时采集和采取产品流程回溯机制。

但在传统工业生产中，加工设备信息化程度普遍较低，没有统一数据通讯接口，难以从设备中直接获取参数等信息。前端数据采集困难严重阻碍了产品质量保证环节的实现。

为解决前端数据采集困难的问题，需要设计一种通用前端数据采集方案和装置。目前有三种常见方案用来实现前端数据采集：

方案一、在生产控制器上安装截屏软件，再将界面信息实时的通过数据通讯接口传输到后端处理；

方案二，通过设备外部的摄像机对生产界面进行拍摄，在后台进行非实时的后端处理；

方案三，与设备生产厂商沟通，对设备进行改造，获得专用的数据通讯采集接口。

但是经过实践验证，以上三种方案都存在缺点。方案一中安装截屏软件，会占用生产控制器的cpu和内存，对系统造成延迟、卡顿等不良影响；方案二的干扰因素较多，比如显示屏闪烁、屏幕反光、图像畸变、视野遮挡等；方案三受制于设备生产厂商的保密性，改造成本和难度，获取专用数据通讯接口困难。综上所述，三种方案分别只能针对个别案例，通用性不高，难以从根本上解决传统工业生产前端数据采集的问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种面向工业生产的通用异构数据采集装置，可以保证在不影响生产操作的前提下进行实时参数采集和过程记录，具有更好的普遍性、实用性和创新性。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述装置的数据采集方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种面向工业生产的通用异构数据采集装置，包括前端数据采集装置、后端处理装置和服务器；前端数据采集装置直接连接到加工设备的vga接口，对加工设备的界面进行实时采集并将其传输到后端处理装置；后端处理装置将设备操作界面复原，利用字符识别技术提取加工参数，将其同生产过程信息通过通信方式传输至服务器；服务器对接收的信息进行分类，存储到相应数据库，提供给生产者进行生产回溯。

优选的，前端数据采集装置包含vga显示扩展和vga信号采集两种功能；将输入采集装置的vga信号扩展为多路，其中一路用于vga界面采集，其余保证生产界面显示。

优选的，前端数据采集装置与后端处理装置之间通过usb总线通信。

优选的，前端数据采集装置包括vga接口、vga驱动放大模块、模拟-数字转换模块、和usb控制模块；加工设备的界面vga信号输入本装置后，通过vga驱动放大模块输出多路vga信号，部分用于驱动显示器，另有其中一路信号经过模拟-数字转换模块成为数字信号，经过usb控制模块先完成rgb24到rgb565的标准格式转换后，再将数据传输到后端处理装置。

具体的，前端数据采集装置的vga驱动放大模块中，包括匹配阻抗和缓冲芯片，防止出现过大信号衰减和失真。

具体的，前端数据采集装置的vga模拟-数字转换模块通过adc芯片将rgb模拟信号经过采样、保持、量化、编码后转换成为数字信号。

具体的，前端数据采集装置的usb控制模块的芯片有16位的数据总线，而经过adc采样后的像素为24位；所以将r分量的高5位连接到usb芯片数据总线的第15位到第11位；将g分量的高6位连接到usb芯片数据总线的第10位到第5位；将b分量的高5位连接到usb芯片总线的第4位到第0位；实现rgb24到rgb565标准视频的格式转换。

优选的，前端数据采集装置包括usb接口，由usb接口的直流电平供电。

优选的，前端数据采集装置包括电平转换模块，外部直流电源通过电平转换模块产生各个电路模块所需的电平进行供电。

优选的，前端数据采集装置包括led显示灯，用于指示本装置的工作模式和电源工作情况。

优选的，后端处理装置是计算机或者嵌入式处理器。

优选的，后端处理装置上具有以太网接口和无线通信模块。

优选的，后端处理装置将前端数据采集装置的视频流数据转换为图像帧序列，并利用存储器将每帧图像进行顺序保存；然后逐帧进行图像处理，从图像中识别提取加工参数、物料信息。

优选的，后端处理装置可运行图形用户界面操作系统，方便用户进行开发。

优选的，待采集界面的加工设备、前端数据采集装置和后端处理装置相互连接，在纵向上构成一个数据节点，横向上多个这样的数据节点连接到相同的服务器，建立统一的数据库，形成完整的参数采集和过程回溯的异构数据网络体系。

一种面向工业生产的通用异构数据采集方法，包括以下步骤：

(1)根据不同类型的生产界面，在后端处理装置制定参数提取方案，通过嵌入式编程实现算法，将实现程序嵌入本装置；

(2)将待采集装置界面的vga输出接口接入前端数据采集装置的输入接口，将前端数据采集装置usb接口连接到后端处理装置；

(3)将前端数据采集装置的vga显示输出接口连接到显示器，提供操作界面给操作人员进行生产操作；

(4)后端处理装置对数据流进行图像压缩、图像格式转换、图像拼接操作，将界面图像复原显示，然后通过图像处理技术识别图像帧中的窗体区域，对重要参数字符进行提取，将不同类别和不同区域的参数进行聚类；

(5)后端处理装置将聚类后的不同类别的参数按照规范的协议传输到服务器端；

(6)服务器保存生产过程的界面视频以及聚类后的重要参数，包括设备id、加工参数，进行分类存储，构建生产加工的数据库；

(7)一旦产品质量不如意，管理人员可以在数据库查看设备在加工时的参数设置是否合理或者是否出现非正常工作状态，从而回溯导致次品的加工过程以及操作人员的违规操作。

优选的，服务器内的数据库工作原理是：生产线上未出现质量问题时，不需要进行生产追溯，数据库自动清除规定时间外的数据信息；一旦生产线出现问题，则立刻停止生产，根据数据库中的加工信息和生产过程界面来回溯问题来源。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明在前端采集部分提出了一种具有创新性的通用采集方法，前端数据采集装置进行数据采集工作时不需要标准数据通讯接口，而是通过vga显示信号获取设备的操作界面图像，采取间接采集的方法解决了前端数据难以获取的问题。较好避开没有统一数据通讯接口的问题，以vga显示接口为突破口，解决了阻碍传统工业生产前端数据采集的障碍。同时前端数据采集装置的“显示扩展+数据采集”架构较好保证了本套装置能够在进行生产加工的时候无影响的运行，具有更好的通用性。本装置和方法可以保证在不影响生产操作的前提下进行实时参数采集和过程记录，具有更好的普遍性、实用性和创新性。

本发明的三部分在纵向上组成一个从数据采集、数据处理和数据库建立的单一数据节点。并且，本装置的服务器部分充分发挥了互联网的优势，在横向将多套设备和采集装置组成的数据节点连接成了完整的参数采集和过程回溯的数据节点网络。大大提高了大规模生产产品质量监控的效率。

附图说明

图1是装置原理框架图。

图2是前端数据采集装置的原理框架图。

图3是装置在工业采集中工作模式下的示意图。

图4是装置在多显示器工作模式下的示意图。

图5是装置在界面采集工作模式下的示意图。

图6是装置的单个数据节点原理框架图。

图7是采集方法的实施流程图。

图8是数据采集处理节点网络示意图。

图9是装置在后端进行参数提取和分类的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种由前端采集、后端处理和服务器三部分组成的工业异构数据采集装置，原理如图1所示。整套装置包括了前端数据采集装置、后端处理装置和服务器。前端数据采集装置对加工设备的界面进行实时采集并将其传输到后端处理装置；后端处理装置将设备操作界面复原，利用字符识别技术提取加工参数，将其同生产过程信息通过通信方式传输至服务器；服务器对接收的信息进行分类，存储到相应数据库，提供给生产者进行生产回溯。

前端数据采集装置，原理结构如图2所示，集成了显示界面扩展与界面采集功能，既确保了设备操作界面的正常显示，又允许在生产同时进行界面采集工作。本前端数据采集装置可以在不影响生产操作的前提下进行数据采集，适用于具有数据实时采集需求的企业。将输入采集装置的vga信号扩展为多路，其中一路用于vga界面采集，其余保证生产界面显示。前端数据采集装置与后端处理装置之间通过usb总线通信。

前端数据采集装置适用于多领域应用，具有三种主要工作模式：第一种模式是面向工业生产，一方面扩展界面用于显示，另一方面对界面进行实时采集，如图3；第二种模式是显示扩展功能，该模式主要运用于教学、安防监控等多显示领域，如图4；第三种模式是数据采集，可用于无专用显示器的场景，如图5。

所述的前端数据采集装置包含vga显示扩展和vga信号采集两种功能。生产界面的vga信号输入本装置后，通过vga驱动放大模块后输出多路vga信号用于驱动显示器，另有其中一路信号经过ad模拟-数字转换模块成为数字信号，经过usb控制模块先完成rgb24到rgb565的标准格式转换后，再将数据传输到后端处理装置。本装置采用的创新架构，确保数据采集和界面显示能够同时进行。

前端数据采集装置既可以由usb接口的5.0v直流电平供电，也可以通过外部直流电源进行供电，然后通过电平转换模块产生各个电路模块所需的电平，装置的电源开关位于如图2的右下角，可以在此位置接入外接电源为装置供电。

前端数据采集装置的vga驱动放大模块中，需要为rgb信号匹配75欧姆的阻抗，保证模拟信号阻抗匹配，在此基础上利用缓冲芯片对vga信号中的数字和模拟信号进行驱动，防止出现过大信号衰减和失真。如图2，该电路通过原始vga信号产生三路完全相同的vga信号，其中两路通过输出接口输出用于驱动显示器，另一路输送到模拟-数字转换模块。

前端数据采集装置的vga模拟数字转换模块，通过adc芯片将rgb模拟信号经过采样、保持、量化、编码后转换成为并行rgb24格式的数字信号。(rgb24:红绿蓝分量的分辨率都为8比特)。

前端数据采集装置的usb控制模块的芯片有16位的数据总线，而经过adc采样后的像素为24位。所以将r(红色)分量的高5位连接到usb芯片数据总线的第15位到第11位；将g(绿色)分量的高6位连接到usb芯片数据总线的第10位到第5位；将b(蓝色)分量的高5位连接到usb芯片总线的第4位到第0位。以上是前端数据采集装置实现rgb24到rgb565标准视频格式转换的技术方案。

前端数据采集装置的usb接口位于如图2的左上方，该接口用于和后端处理装置相连进行数据传输控制。在装置usb接口下方是led显示灯，用于指示本装置的工作模式和电源工作情况。

后端处理装置主要是将前端采集到的数据进行压缩、编码，继而将数据流还原成界面图像，并且在还原之后通过本装置进行加工参数识别提取、生产过程记录。后端处理装置既可以是计算机也可以是嵌入式处理器。后端处理装置上具有以太网接口和无线通信模块，可以通过不同的方式将信息传输到服务器。所述的服务器，支持多数据节点的通信，将多个后端处理装置传输过来的信息存储在相应的生产数据库中，方便生产者对生产参数进行核实，对生产过程进行回溯，从而实现保证产品质量的重要环节。后端装置和服务器的关系，如图6所示。

后端处理装置可运行图形用户界面操作系统，方便用户进行开发。后端处理装置会将前端数据采集装置的视频流数据转换为图像帧序列，并利用存储器将每帧图像进行顺序保存。然后逐帧进行图像处理，从图像中识别提取加工参数、物料信息。最后，利用以太网或无线通信模块将信息传输至服务器的数据库。

服务器通过协议将不同的信息分类，存储到相应的数据库。生产管理者可依据数据库中的信息，对设备加工参数进行检查，会生产过程进行回溯，便于解决问题，保证生产的产品质量。

实施例2

如图7所示，一种面向工业生产的通用异构数据采集方法，包括以下步骤：

(1)根据不同类型的生产界面，在后端处理装置制定参数提取方案，通过嵌入式编程实现算法，将实现程序嵌入本装置。

(2)将待采集装置界面的vga输出接口接入前端数据采集装置的输入接口，将前端数据采集装置usb接口连接到后端处理装置，通过后端装置的usb接口供电。

(3)将前端数据采集装置的vga显示输出接口连接到显示器，提供操作界面给操作人员进行生产操作。

(4)后端处理装置对数据流进行图像压缩、图像格式转换、图像拼接操作，将界面图像复原显示，然后通过图像处理技术识别图像帧中的窗体区域，对重要参数字符进行提取，将不同类别和不同区域的参数进行聚类。

(5)后端处理装置利用以太网或者无线通信模块，将聚类后的不同类别的参数按照规范的协议传输到服务器端。

(6)服务器拥有较大的存储空间，不仅可以保存生产过程的界面视频，对生产过程进行回溯。还可以将聚类后的重要参数，比如设备id、加工参数等重要信息进行分类存储，构建起生产加工的数据库。

(7)一旦产品质量不如意，管理人员可以在数据库查看设备在加工时的参数设置是否合理或者是否出现非正常工作状态，从而回溯导致次品的加工过程以及操作人员的违规操作。

实施例3

前端数据采集装置、后端处理装置和待采集界面的加工设备在纵向上构成一个数据节点。在实际生产现场，可能会存在多个这样的数据节点。而在横向将多套待采集界面的加工设备和前后端装置组成的数据节点通过连接到相同的服务器，建立统一的数据库，形成完整的参数采集和过程回溯的异构数据网络体系。方便生产者对大量加工设备进行统一管理和产品质量监控，提高产品质量监控的效率，如图8所示。

服务器将多个数据节点的信息进行汇总，实现多个独立的数据节点之间的数据互联网。在服务器终端，管理者对所有加工设备的信息进行分类，按类别存入建立的数据库，存储的数据皆是生产回溯过程的重要依据。

整套装置可以实时工作，服务器内的数据库是提供给生产管理者进行产品加工过程回溯的重要依据。数据库工作原理是：生产线上未出现质量问题时，不需要进行生产追溯，数据库自动清除规定时间外的数据信息；一旦生产线出现问题，则立刻停止生产，根据数据库中的加工信息和生产过程界面来回溯问题来源。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。