CN105352555B - 一种快速鉴定禽蛋贮藏时间的便携式检测装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速鉴定禽蛋贮藏时间的便携式检测装置及使用方法，包括箱体、检测系统和信号处理系统，所述检测系统和信号处理系统均与箱体连接，且所述检测系统位于箱体内部；本发明集成了称重模块和图像模块，可实现对禽蛋品质参数的多指标同步检测；将禽蛋外形参数与重量信息相融合，实现对禽蛋贮藏时间的快速鉴定；系统采用锂电池作为供电电源，ARM作为主处理器，该设计可摆脱传统装置的电线和电脑束缚，可实现装置的便携式；实现禽蛋的动态检测，可以为以后禽蛋自动化生产线检测提供依据。

Description

一种快速鉴定禽蛋贮藏时间的便携式检测装置及使用方法

技术领域

本发明属于对禽蛋贮藏时间的快速鉴定领域，特指利用机器视觉与称重相结合的一种快速鉴定禽蛋贮藏时间的便携式检测装置及使用方法。

背景技术

禽蛋尺寸大小、蛋形指数、重量及贮藏时间是禽蛋品质的重要指标，综合各项指标对禽蛋进行检测与分级有利于对禽蛋按质论价，充分体现禽蛋价值，提高附加值。此外，禽蛋孵化过程中为了保证孵化率，须保证蛋形指数在一定范围内；而禽蛋贮藏时间与其品质直接相关，是衡量禽蛋品质最重要的指标。我国禽蛋生产主要以农村的散户为主，在禽蛋收购和销售过程中对贮藏时间的检测是有必要的。目前禽蛋尺寸、蛋形指数和贮藏时间检测方法以人工目测与照蛋为主，其结果受主观因素影响较大，且检测效率低。

在禽蛋外部特征检测方面，中国发明专利“用于禽蛋尺寸与蛋形指数及重量同时检测的方法”(CN1934935)公布了一种利用机器视觉技术实现对禽蛋尺寸、蛋形指数和重量的检测方法，此专利对所采集的禽蛋图像进行二值分割、滤波和边缘检测，最后提取禽蛋相应的特征值用于检测尺寸、蛋形指数和重量，该专利可实现对禽蛋外部品质的无损、快速检测，但离实际应用还存在不少差距，主要体现在：1)计算过程较为复杂；2)禽蛋位姿需要一定的要求；3)由于重量与密度密切相关，而密度又与禽蛋种类和新鲜度相关，仅用外形尺寸计算禽蛋重量的准确性不足。

在禽蛋新鲜度检测方面，目前主要的检测技术有机器视觉技术及近红外光谱技术，郑丽敏等发表在农业工程学报的文章“基于计算机视觉的鸡蛋新鲜度无损检测”，利用机器视觉技术获取鸡蛋透射图像的颜色空间或蛋壳形态特征，检测禽蛋的新鲜度是可行的；侯卓成等(2009)利用傅立叶变换近红外反射技术对鸡蛋新鲜度进行无损检测，运用偏最小二乘法建立的预测模型具有较好的准确性和预测性。研究表明，采用机器视觉技术与近红外光谱技术对鸡蛋新鲜度的检测都是可行的，但存在以下问题：采用机器视觉技术时，鸡蛋表壳颜色、蛋壳厚度及光照强度都会对检测结果产生影响，在图像处理时需要精确提取蛋黄区域，且其检测需要在高强度光照条件下；近红外光谱技术建模工作量大，且易受温度、检测部位及环境的影响，稳定性难以保证，且成本较高。

发明内容

为了克服现有研究的不足，本发明提供一种基于机器视觉与称重技术相结合的便携式禽蛋品质及贮藏时间快速检测装置与方法。采用机器视觉技术实现禽蛋尺寸大小和蛋形指数的检测；采用称重技术实现禽蛋重量的检测；利用贮藏过程中禽蛋内部水分蒸发引起失重，而其外形尺寸不变的特性，将禽蛋尺寸大小与禽蛋重量信息相融合，实现对禽蛋贮藏时间的快速鉴定；禽蛋品质检测参数与国家标准或国际标准相对照，对禽蛋进行分级处理。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种快速鉴定禽蛋贮藏时间的便携式检测装置，包括箱体、检测系统和信号处理系统，所述检测系统和信号处理系统均与箱体连接，且所述检测系统位于箱体内部；

所述检测系统包括相机固定支架、相机、蛋托、称重传感器、直线丝杠导轨和辊子，在所述箱体上部固设有相机固定支架，相机固定支架上设有可拆卸的相机，且相机镜头竖直向下，在相机镜头的正下方设有蛋托，所述蛋托的下部与称重传感器的上端固定连接，称重传感器的下端与直线丝杠导轨的滑块固定连接，直线丝杠导轨与箱体固定连接；所述辊子的数量为2，所述两个辊子以蛋托为对称中心且通过固定支架与箱体固定连接，且两个辊子之间的最小距离大于蛋托的尺寸；所述两个辊子之间通过第二传动皮带连接，其中一个辊子通过第一传动皮带与电机连接；

所述信号处理系统包括固设于箱体外壁的ARM主处理器和固设于箱体内的电机驱动电路、电源稳压模块和信号调理模块，所述ARM主处理器与相机连接，所述ARM主处理器用于通过软件实现对所得信息进行深入分析，以获取禽蛋品质参数；所述电源稳压模块用于为整个电路提供电能；所述电机驱动电路与ARM主处理器、电机和直线丝杠导轨连接，用于接收ARM主处理器的信号，实现通过数字量对电机进行控制；所述信号调理模块与ARM主处理器和称重传感器连接，所述信号调理模块用于对称重传感器的信号进行滤波、放大，并将信号反馈给ARM主处理器；

在所述箱体的其中一侧壁上开有进样口，且所述进样口高于所述固定支架；在箱体内壁上设有光源。

进一步，所述蛋托为U型蛋托。

进一步，所述称重传感器为S型称重传感器。

进一步，在所述箱体顶壁的上表面设有提手。

进一步，在箱体其中一侧壁上设有开口，在所述开口处设有风扇。

所述的一种快速鉴定禽蛋贮藏时间的便携式检测装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1、鉴定前的信号稳定性预处理：称重传感器和光源均电源稳压模块供电和二级稳压处理，保证了输出信号的稳定性；对ARM主处理器的A/D模块进行标定，通过基线校正去除基线漂移；对称重传感器进行标定，建立输出电压与重量之间的线性关系式；称重传感器所产生的信号经信号调理模块进行放大、滤波处理，以提高信号的信噪比；

步骤2、放入样品以及样品信号的采集：采集称重传感器传输的称重信号以及相机传输的图像信号；

步骤3、信号的处理与分析：对所采集的重量信号经信号调理模块进行放大、滤波处理之后，通过端点检测与阈值约束的方法实现禽蛋重量信号平稳检测；对所采集的禽蛋图像经过图像分割方法从背景中提取，根据其形态特征提取鸡蛋长短轴，并计算实际尺寸；所述的长短轴提取方法是将禽蛋视为一椭球体，采用椭圆拟合方法将所提取的禽蛋图像边缘像素进行拟合，并将拟合椭圆的长、短轴作为禽蛋的长、短轴；所述的实际尺寸计算主要是通过多元线性回归的方法，将所提取长短轴像素尺寸与实际尺寸建立线性关系式，采用像素尺寸与线性关系式预测禽蛋实际尺寸；

所述的长轴计算公式为：y＝0.1972x+11.2863；

所述的短轴计算公式为：y＝0.1689x+13.2926；

其中x表示像素尺寸，y表示实际尺寸；

步骤4、禽蛋特征参数的计算：1)尺寸大小：主要包括长、短轴尺寸，通过所建立的线性关系式与所提取的像素尺寸计算得到禽蛋尺寸参数；2)蛋形指数：求取长轴与短轴尺寸的比例；3)重量：通过称重传感器输出电压值与传感器标定公式，计算所测禽蛋重量；4)储藏时间：将禽蛋视为一椭球体，结合禽蛋重量、长轴和短轴即可计算所测禽蛋的密度，并根据禽蛋品种与储藏环境预测禽蛋储藏天数。

有益效果：

(1)集成了称重模块和图像模块，可实现对禽蛋品质参数的多指标同步检测；

(2)将禽蛋外形参数与重量信息相融合，实现对禽蛋贮藏时间的快速鉴定；

(3)系统采用锂电池作为供电电源，ARM作为主处理器，该设计可摆脱传统装置的电线和电脑束缚，可实现装置的便携式；

(4)实现禽蛋的动态检测，可以为以后禽蛋自动化生产线检测提供依据。

附图说明

图1是本发明检测装置的结构示意图；

图2是本发明检测装置中测控系统的示意图；

图3是本发明检测过程中的软件流程图。

图中：1.ARM主处理器；2.进料口；3.第一传动皮带；4.辊子；5.固定支架；6.第二传动皮带；7.电机；8.风扇；9.直线丝杠导轨；10.电机驱动电路；11.电源稳压模块；12.信号调理模块；13.称重传感器；14.蛋托；15.相机；16.光源；17.相机固定支架；18.提手

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述：

如图1所示，一种快速鉴定禽蛋贮藏时间的便携式检测装置，包括箱体、检测系统和信号处理系统，所述检测系统和信号处理系统均与箱体连接，且所述检测系统位于箱体内部；所述检测系统包括相机固定支架17、相机15、蛋托14、称重传感器13、直线丝杠导轨9和辊子4，在所述箱体上部固设有相机固定支架17，相机固定支架17上设有可拆卸的相机15，且相机15镜头竖直向下，在相机15镜头的正下方设有蛋托14，所述蛋托14的下部与称重传感器13的上端固定连接，称重传感器13的下端与直线丝杠导轨9的滑块固定连接，直线丝杠导轨9与箱体固定连接；所述辊子4的数量为2，所述两个辊子4以蛋托14为对称中心且通过固定支架5与箱体固定连接，且两个辊子4之间的最小距离大于蛋托14的尺寸；所述两个辊子4之间通过第二传动皮带6连接，其中一个辊子4通过第一传动皮带3与电机7连接；所述信号处理系统包括固设于箱体外壁的ARM主处理器1和固设于箱体内的电机驱动电路10、电源稳压模块11和信号调理模块12，所述ARM主处理器1与相机15连接，所述ARM主处理器1用于通过软件实现对所得信息进行深入分析，以获取禽蛋品质参数；所述电源稳压模块11用于为整个电路提供电能；所述电机驱动电路10与ARM主处理器1、电机7和直线丝杠导轨9连接，用于接收ARM主处理器1的信号，实现通过数字量对电机进行控制；所述信号调理模块12与ARM主处理器1和称重传感器13连接，所述信号调理模块12用于对称重传感器13的信号进行滤波、放大，并将信号反馈给ARM主处理器1；在所述箱体的其中一侧壁上开有进样口2，为方便进样，所述进样口2的高度设置为高于所述固定支架5；在箱体内壁上设有光源16，实现箱体内均匀稳定的采光。

上述蛋托蛋托14为U型蛋托时，更能保证禽蛋的稳定性，禽蛋不易滑落。

上述称重传感器13为S型称重传感器时，更加方便安装固定。

由于本发明整体体积较小，可以所以移动，因此在所述箱体顶壁的上表面设置一提手，方便移动。

为保证所述装置的稳定性和通透性，在箱体其中一侧壁上设有开口，在所述开口处设有风扇8。

所述的一种快速鉴定禽蛋贮藏时间的便携式检测装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1、鉴定前的信号稳定性预处理：称重传感器13和光源16均电源稳压模块供电和二级稳压处理，保证了输出信号的稳定性；对ARM主处理器1的A/D模块进行标定，通过基线校正去除基线漂移；对称重传感器13进行标定，建立输出电压与重量之间的线性关系式；称重传感器13所产生的信号经信号调理模块12进行放大、滤波处理，以提高信号的信噪比；

步骤2、放入样品以及样品信号的采集：采集称重传感器13传输的称重信号以及相机15传输的图像信号；

所采集的信号主要包括有称重传感器信号和数字图像信号；如图1所示，将受测禽蛋放置于U型蛋托14，ARM主处理器1对S型称重传感器13信号进行AD采样；S型称重传感器13所产生的信号经信号调理模块12实现信号的放大与滤波处理；当信号稳定后，通过ARM主处理器1的I/O口输出控制信号，经电机驱动电路10实现直线丝杠导轨9的下降动作，并降至辊子4以下，禽蛋脱离U型蛋托14，转为被承托与两个辊子4上；电机7的驱动力经传动皮带6使得辊子4滚动，禽蛋在辊子4的作用力下调整其位姿，经过一段时间后达到稳定状态；ARM主处理器1通过视频接口控制相机15进行图像采集；采集完成后ARM主处理器1控制直线丝杠导轨9上升至初始位置。

步骤3、信号的处理与分析：对所采集的重量信号经信号调理模块12进行放大、滤波处理之后，通过端点检测与阈值约束的方法实现禽蛋重量信号平稳检测；对所采集的禽蛋图像经过图像分割方法从背景中提取，根据其形态特征提取鸡蛋长短轴，并计算实际尺寸；

所采集的重量信号经信号调理模块12进行放大、滤波处理；所述的重量信号放大由两级放大电路完成，其主芯片分别为INA114和OP07；所述的滤波处理采用了带通滤波器，滤除机械及工频噪声；禽蛋重量信号平稳检测通过端点检测与阈值约束的方法实现；所述的端点检测采用短时能量检测方法，实现对所采集电压值变化的监测；所述的阈值约束主要是用于检测信号稳定后的电压值是否符合禽蛋重量范围；所采集的禽蛋图像经过图像分割方法从背景中提取，根据其形态特征提取鸡蛋长短轴，并计算实际尺寸；所述的图像分割主要根据禽蛋颜色特征，基于R-B色差分量图像上采用固定阈值法将禽蛋从背景中分割出来；所述的长短轴提取方法是将禽蛋视为一椭球体，采用椭圆拟合方法将所提取的禽蛋图像边缘像素进行拟合，并将拟合椭圆的长、短轴作为禽蛋的长、短轴；所述的实际尺寸计算主要是通过多元线性回归的方法，将所提取长短轴像素尺寸与实际尺寸建立线性关系式，采用像素尺寸与线性关系式预测禽蛋实际尺寸。

所述的长轴计算公式为：y＝0.1972x+11.2863；

所述的短轴计算公式为：y＝0.1689x+13.2926；

其中x表示像素尺寸，y表示实际尺寸。

步骤4、禽蛋特征参数的计算：1)尺寸大小：主要包括长、短轴尺寸，通过所建立的线性关系式与所提取的像素尺寸计算得到禽蛋尺寸参数；2)蛋形指数：根据步骤3中设定的定义、公式，求取长轴与短轴尺寸的比例；3)重量：通过称重传感器输出电压值与传感器标定公式，计算所测禽蛋重量；4)储藏时间：将禽蛋视为一椭球体，结合禽蛋重量、长轴和短轴即可计算所测禽蛋的密度，并根据禽蛋品种与储藏环境预测禽蛋储藏天数。

具体检测操作过程：如图1～3所示，①通过ARM主处理器1触摸屏设置当前被检禽蛋种类；②人工将被检禽蛋放置于U型蛋托14；③ARM主处理器1通过A/D接口采集S型称重传感器13经信号调理模块12调理的信号；④针对所采集信号的电压幅值和平稳性进行分析，判断当前被检禽蛋的重量信息；⑤ARM主处理器1通过I/O接口发送脉冲信号至电机驱动电路10，控制直线丝杠导轨9执行下降动作；⑥ARM主处理器1通过I/O口控制电机7带动皮带6使得辊子4滚动，以此调整被检禽蛋在辊子4上的位姿，使长轴尽量与相机15平面平行；⑦ARM主处理器1通过视频接口控制相机15进行图像采集；⑧ARM主处理器1对所采集的图像与称重信号进行综合分析，预测当前被检禽蛋的储藏天数；⑨ARM主处理器1通过I/O接口发送脉冲信号至电机驱动电路10，控制直线丝杠导轨9执行上升动作。重复执行②～⑨操作过程，以实现同批不同禽蛋个体的检测。

Claims (2)

1.一种快速鉴定禽蛋贮藏时间的便携式检测装置，其特征在于，包括箱体、检测系统和信号处理系统，所述检测系统和信号处理系统均与箱体连接，且所述检测系统位于箱体内部；

所述检测系统包括相机固定支架（17）、相机（15）、蛋托（14）、称重传感器（13）、直线丝杠导轨（9）和辊子（4），在所述箱体上部固设有相机固定支架（17），相机固定支架（17）上设有可拆卸的相机（15），且相机（15）镜头竖直向下，在相机（15）镜头的正下方设有蛋托（14），所述蛋托（14）的下部与称重传感器（13）的上端固定连接，称重传感器（13）的下端与直线丝杠导轨（9）的滑块固定连接，直线丝杠导轨（9）与箱体固定连接；所述辊子（4）的数量为2，所述两个辊子（4）以蛋托（14）为对称中心且通过固定支架（5）与箱体固定连接，且两个辊子（4）之间的最小距离大于蛋托（14）的尺寸；所述两个辊子（4）之间通过第二传动皮带（6）连接，其中一个辊子（4）通过第一传动皮带（3）与电机（7）连接；

所述信号处理系统包括固设于箱体外壁的ARM主处理器（1）和固设于箱体内的电机驱动电路（10）、电源稳压模块（11）和信号调理模块（12），所述ARM主处理器（1）与相机（15）连接，所述ARM主处理器（1）用于通过软件实现对所得信息进行深入分析，以获取禽蛋品质参数；所述电源稳压模块（11）用于为整个电路提供电能；所述电机驱动电路（10）与ARM主处理器（1）、电机（7）和直线丝杠导轨（9）连接，用于接收ARM主处理器（1）的信号，实现通过数字量对电机进行控制；所述信号调理模块（12）与ARM主处理器（1）和称重传感器（13）连接，所述信号调理模块（12）用于对称重传感器（13）的信号进行滤波和放大，并将信号反馈给ARM主处理器（1）；

在所述箱体的其中一侧壁上开有进样口（2），且所述进样口（2）高于所述固定支架（5）；在箱体内壁上设有光源（16）；所述蛋托（14）为U型蛋托；所述称重传感器（13）为S型称重传感器；在所述箱体顶壁的上表面设有提手；在箱体其中一侧壁上设有开口，在所述开口处设有风扇（8）。

2.一种如 权利要求1所述的一种快速鉴定禽蛋贮藏时间的便携式检测装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、鉴定前的信号稳定性预处理：称重传感器（13）和光源（16）均由电源稳压模块供电和二级稳压处理，保证了输出信号的稳定性；对ARM主处理器（1）的A/D模块进行标定，通过基线校正去除基线漂移；对称重传感器（13）进行标定，建立输出电压与重量之间的线性关系式；称重传感器（13）所产生的信号经信号调理模块（12）进行放大和滤波处理，以提高信号的信噪比；

步骤2、放入样品以及样品信号的采集：采集称重传感器（13）传输的称重信号以及相机（15）传输的图像信号；

步骤3、信号的处理与分析：对所采集的称重信号经信号调理模块（12）进行放大和滤波处理之后，通过端点检测与阈值约束的方法实现禽蛋称重信号平稳检测；对所采集的禽蛋图像经过图像分割方法从背景中提取，根据其形态特征提取鸡蛋长短轴，并计算实际尺寸；所述的长短轴提取方法是将禽蛋视为一椭球体，采用椭圆拟合方法将所提取的禽蛋图像边缘像素进行拟合，并将拟合椭圆的长、短轴作为禽蛋的长、短轴；所述的实际尺寸计算主要是通过多元线性回归的方法，将所提取长短轴像素尺寸与实际尺寸建立线性关系式，采用像素尺寸与线性关系式预测禽蛋实际尺寸；

所述的长轴计算公式为：y=0.1972x+11.2863；

所述的短轴计算公式为：y=0.1689x+13.2926；

其中x表示像素尺寸，y表示实际尺寸；

步骤4、禽蛋特征参数的计算：1）尺寸大小：主要包括长、短轴尺寸，通过所建立的线性关系式与所提取的像素尺寸计算得到禽蛋尺寸参数；2）蛋形指数：求取长轴与短轴尺寸的比例；3）重量：通过称重传感器输出电压值与传感器标定公式，计算所测禽蛋重量；4）贮藏时间：将禽蛋视为一椭球体，结合禽蛋重量、长轴和短轴即可计算所测禽蛋的密度，并根据禽蛋品种与贮藏环境预测禽蛋贮藏天数。