李博豪，殷曉平，牛競(jìng)飛，張 俠，李信軍

(常熟市進(jìn)出口檢驗(yàn)檢疫局，江蘇常熟 215500)

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便攜式木材自動(dòng)檢尺儀的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

李博豪，殷曉平，牛競(jìng)飛，張 俠，李信軍*

(常熟市進(jìn)出口檢驗(yàn)檢疫局，江蘇常熟 215500)

材積檢測(cè)是木材加工、貿(mào)易的重要環(huán)節(jié)，自動(dòng)化、便攜式原木材積檢測(cè)儀的缺乏嚴(yán)重影響著我國(guó)林木產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。該研究詳細(xì)分析了現(xiàn)代林業(yè)生產(chǎn)對(duì)便攜式、自動(dòng)檢測(cè)儀的需求，從硬件集成、軟件開(kāi)發(fā)、應(yīng)用測(cè)試3個(gè)方面闡述了便攜式木材自動(dòng)檢尺儀的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

自動(dòng)化；便攜式；計(jì)算機(jī)視覺(jué)；木材檢尺儀

原木材積的檢測(cè)是木材加工、木材貿(mào)易的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響著原木的使用率和出材率[1]。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11716-1999，原木材積是由測(cè)得的木材端面的長(zhǎng)徑、短徑和木材長(zhǎng)度查表得出。目前普遍采用的原木材積檢測(cè)方法為人工檢尺法，即利用卜尺、直尺測(cè)量木材的長(zhǎng)徑、短徑和木材長(zhǎng)度值，經(jīng)材積換算公式或者查表得出材積值[2]。人工檢尺受人為因素影響很大，檢測(cè)誤差大，而且檢尺過(guò)程需要逐根搬動(dòng)木材，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)節(jié)惡劣甚至伴隨一定的危險(xiǎn)。

隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，有學(xué)者提出了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的材積檢測(cè)方法[3]。如欒新等采用攝像機(jī)作為圖像獲取手段，分別計(jì)算成堆原木大頭和小頭端面的直徑，然后分別計(jì)算兩側(cè)端面的總面積，取這2個(gè)總面積的平均值，再乘以原木長(zhǎng)度得到總材積數(shù)[4]。基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的材積檢測(cè)方法雖然有效克服人工檢尺法的不足，提高了檢尺的效率和精度，但該檢尺方法的實(shí)施過(guò)程比較復(fù)雜，不僅涉及到相機(jī)、計(jì)算機(jī)、測(cè)距儀等眾多硬件設(shè)備，同時(shí)還涉及圖像信號(hào)校正、原木圖像信息處理、材積自動(dòng)計(jì)算等數(shù)據(jù)處理過(guò)程，這要求操作人員具有一定的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，否則該方法難以順利實(shí)施或者檢尺的可信度難以保證，極大地限制了該方法的推廣運(yùn)用[5-6]。鑒于此，筆者提出從硬件系統(tǒng)集成和軟件開(kāi)發(fā)兩個(gè)方面出發(fā)，開(kāi)發(fā)一款自動(dòng)化、便攜式原木材積檢測(cè)儀，減低自動(dòng)檢尺的操作難度，提高檢尺的精度和效率。

1 總體設(shè)計(jì)思路

木材自動(dòng)檢尺儀的設(shè)計(jì)須滿(mǎn)足木材檢尺操作的實(shí)時(shí)性、適應(yīng)性以及操作簡(jiǎn)便。

(1)檢尺操作的實(shí)時(shí)性。一般木材檢尺都是在現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)，在量測(cè)現(xiàn)場(chǎng)須得到檢測(cè)數(shù)據(jù)，因此要求開(kāi)發(fā)的木材檢尺儀滿(mǎn)足木材檢尺操作的實(shí)時(shí)性。

(2)檢尺操作的適應(yīng)性。原木檢尺工作通常在自然光條件下進(jìn)行，且工作環(huán)節(jié)復(fù)雜，這就要求檢尺儀能夠在不同的光照環(huán)境、氣候條件下均能工作，因此開(kāi)發(fā)的檢尺儀應(yīng)該對(duì)光照、溫度、濕度等具有很好的適應(yīng)性。

(3)檢尺過(guò)程操作簡(jiǎn)便。簡(jiǎn)單易用是木材自動(dòng)檢尺儀能夠得到推廣應(yīng)用的基本要求。這就要求制作人員必須將檢尺過(guò)程涉及到的不同硬件進(jìn)行集成與封裝，同時(shí)編寫(xiě)相應(yīng)的支撐軟件，在保證檢尺精度的情況下使檢尺操作變得簡(jiǎn)單。

2 木材自動(dòng)檢尺儀設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)配置、部件造型與軟件平臺(tái)選擇針對(duì)檢測(cè)精度的要求，采用高像素?cái)z像頭來(lái)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集，并采用先進(jìn)的圖像處理算法進(jìn)行圖像的分析和處理；為保證其操作過(guò)程的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性，預(yù)裝一塊備用電池；為保證數(shù)據(jù)的顯示，安裝液晶屏顯示信息；選用三星S5PV210開(kāi)發(fā)板進(jìn)行開(kāi)發(fā)，其處理器可滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求，且具有升級(jí)功能；儀器采用方形定制的鋁制外殼，提高其環(huán)境適應(yīng)能力。

系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)如下：

(1)處理器。采用三星S5PV210平臺(tái)，主頻為1 GHz。

(2)DDR2。選用128M×8pcs DDR2。

(3)Nandflash。采用1G，SLC K9K8G08。

(4)觸摸屏。7寸(14.2 cm×10.67 cm)，分辨率800×480，電阻觸摸。

(5)CMOS攝像頭。采用OV9650模組，130萬(wàn)像素。這種攝像頭常用于手持設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備。

(6)測(cè)距模塊。采用帶溫度補(bǔ)償?shù)某暅y(cè)距模塊，量程可達(dá)8 m，盲區(qū)在1 cm，精度為3 mm，最高可達(dá)1 mm。

(7)輸出信號(hào)。輸出信號(hào)為兩路繼電器線圈信號(hào)。

(8)輸入信號(hào)。輸入信號(hào)為兩路開(kāi)關(guān)量。

2.2 硬件系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)自動(dòng)檢尺儀的系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示，具體包含核心板、內(nèi)存、flash、輸入、輸出、單元、測(cè)距、攝像頭和觸摸屏等。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架示意

2.3 軟件設(shè)計(jì)框架構(gòu)建硬件平臺(tái)后，需要開(kāi)發(fā)相應(yīng)的支撐軟件，才能檢尺儀的功能得以實(shí)現(xiàn)[7]。軟件部分之間的關(guān)系及其工作流程如圖2所示。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化工作，即先通過(guò)引導(dǎo)程序(Bootloader)完成對(duì)ARM處理器的初始化操作，并且將嵌入式操作系統(tǒng)映像(OS Image)加載到內(nèi)存。然后初始化外圍硬件設(shè)備(主要為L(zhǎng)CD模塊、CMOS攝像頭模塊和測(cè)距模塊等)和設(shè)置各個(gè)模塊的參數(shù)(CMOS攝像頭模塊參數(shù)設(shè)置和測(cè)距模塊參數(shù)的設(shè)置等)。至此，系統(tǒng)初始化工作已經(jīng)完成并處于待命狀態(tài)，接下來(lái)就是根據(jù)操作人員的具體指令，調(diào)用相應(yīng)的模塊，完成對(duì)應(yīng)的操作。

圖2 系統(tǒng)軟件的基本流程

2.4 應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件主要包含以下模塊：

(1)Main——程序入口函數(shù)。

(2)Stdinputwindow——標(biāo)準(zhǔn)輸入框，在進(jìn)行模式檢尺前，需要在此窗口中輸入檢尺參數(shù)。

(3)Welcomewindow——?dú)g迎輸入框，用于顯示歡迎界面，提示用戶(hù)選擇檢尺模式。

(4)Mainwindown——程序主界面，拍照輸入等的主窗口。

(5)Datamanager——數(shù)據(jù)管理模塊。

(6)Adcmanager——電壓管理模塊。

(7)Cameramanager——攝像頭管理模塊。

(8)Relaymananger——繼電器管理模塊。

(9)Rtcmananger——rtc管理模塊。

(10)Physicalbuttonmanager——物理鍵管理模塊。

(11)Exploremanager——記錄瀏覽模塊。

(12)Distancemanager——距離管理模塊。

(13)Usbcamera——USB攝像頭模塊。

(14)Serial——串口調(diào)用模塊。

2.5 系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)燒寫(xiě)鏡像的步驟如下[8]：

(1)u-boot.bin——系統(tǒng)的bootloader，U-Boot，全稱(chēng) Universal Boot Loader，是遵循GPL條款的開(kāi)放源碼項(xiàng)目。從FADSROM、8xxROM、PPCBOOT逐步發(fā)展演化而來(lái)。其源碼目錄、編譯形式與Linux內(nèi)核很相似，事實(shí)上，不少U-Boot源碼就是根據(jù)相應(yīng)的Linux內(nèi)核源程序進(jìn)行簡(jiǎn)化而形成的，尤其是一些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，這從U-Boot源碼的注釋中能體現(xiàn)這一點(diǎn)。

(2)zImage.bin——采用linux內(nèi)核，Linux是一套免費(fèi)使用和自由傳播的類(lèi)Unix操作系統(tǒng)，是一個(gè)基于POSIX和UNIX的多用戶(hù)、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。它能運(yùn)行主要的UNIX工具軟件、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它支持32位和64位硬件。Linux繼承了Unix以網(wǎng)絡(luò)為核心的設(shè)計(jì)思想，是一個(gè)性能穩(wěn)定的多用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。

(3)rootfs.bin——采用QT4.5文件系統(tǒng)。Qt是面向?qū)ο蟮目蚣埽褂锰厥獾拇a生成擴(kuò)展(稱(chēng)為元對(duì)象編譯器(Meta Object Compiler，moc))以及一些宏，易于擴(kuò)展，允許組件編程。

(4)WoodMeasureCam——原木測(cè)量的APP程序。系統(tǒng)啟動(dòng)會(huì)默認(rèn)啟動(dòng)這個(gè)應(yīng)用程序。

3 應(yīng)用測(cè)試

2013年12月，攜帶該研究開(kāi)發(fā)的便攜式木材自動(dòng)檢測(cè)儀到常熟港碼頭，實(shí)地拍攝木材堆垛圖片，計(jì)算標(biāo)定轉(zhuǎn)換公式，并與人工檢尺比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 自動(dòng)檢尺儀與人工檢測(cè)的結(jié)果對(duì)比

由表1可知，該研究開(kāi)發(fā)的自動(dòng)檢尺儀與人工檢尺誤差最大值為3.26%，誤差在可接受范圍內(nèi)。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，效率高，具有較強(qiáng)可行性，同時(shí)具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

4 結(jié)語(yǔ)

該研究從滿(mǎn)足木材檢尺的實(shí)時(shí)性、適應(yīng)性以及操作簡(jiǎn)便等角度出發(fā)，通過(guò)硬件集成和軟件開(kāi)發(fā)，研制了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的便攜式木材自動(dòng)檢尺儀。應(yīng)用測(cè)試表明，開(kāi)發(fā)的木材自動(dòng)檢尺儀可以確保檢尺結(jié)果的精確，具有較好的實(shí)用性。研究有利于提高木材利用率，維護(hù)交易的公平，提高我國(guó)木材加工設(shè)備自動(dòng)化的研究和應(yīng)用水平。

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[3] 龍德帆，樊尚春.計(jì)算機(jī)視覺(jué)在原木材積檢測(cè)中的應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25(4)：1024-1025.

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[8] 孫瓊.嵌入式 Linux 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)詳解[M].北京：人民郵電出版，2006.

Development of Portable Instrument for Log Volume Inspection

LI Bo-hao, YIN Xiao-ping, NIU Jing-fei, LI Xin-jun*et al

(Changshu Entry and Exit Inspection and Quarantine Bureau, Changshu, Jiangsu 215500)

The measurement of log volume plays a key role in wood processing industry and timber trade. The lack of portable instrument for log volume inspection influences economic benefit of forestry. The requirements of log volume inspection instrument was analyzed. This paper introduced the integration of hardware, the software development, application in testing in log volume inspection instrument.

Automatic; Portable; Computer vison; Log volume inspection instrument

常熟市社會(huì)發(fā)展類(lèi)項(xiàng)目(CS201309)。

李博豪(1984-)，男，江蘇常熟人，助理工程師，碩士，從事出入境檢驗(yàn)檢疫工作。*通訊作者，從事出入境檢驗(yàn)檢疫工作。

2014-12-12

S 126；TS 64

A

0517-6611(2015)04-349-02