儀器儀表數字圖像的識別及其應用

摘要:本文針對儀器儀表應用環境的實際情況，設計了數字圖像識別硬件平臺，采用STC12LE5A60S2單片機驅動圖像傳感器OV7670采集圖像，可減少由人為因素或傳感器干擾引起的數據錯誤，省去采集卡，節省了成本。通過無線通信，成功地將數字圖像識別技術應用到了檢測環境中。經過試驗，證明了系統的穩定性。

關鍵詞:圖像采集;無線通信;STC12LE5A60S2;OV7670

引言

目前。儀器儀表被廣泛地應用于各行各業的測量系統中。但是，由于某些儀器儀表只是通過LCD、LED數碼管或者表盤來顯示數值，并沒有提供數據傳送的接口。因此很難實現數據的自動采集以及保證數據的實時性和準確性，難以滿足對測量系統工作自動化的要求。現如今，隨著科學技術的不斷進步，對測量系統的管理也從人工監管方式逐步向自動管理方式轉變。為了提高系統的工作效率，需要對測量系統所采集的數據進行實時監控，控制中心要快速、準確、自動獲取所需數值，這是急需解決的問題。

為了使系統能夠很好地實現控制功能，筆者設計出基于數字圖像的儀器儀表讀數識別系統。該系統利用單片機控制圖像傳感器自動讀取儀器儀表的數字圖像，經過圖像處理和圖像識別技術、將識別結果通過無線網絡傳輸，傳送至控制中心。由控制中心對采集數據進行綜合管理，從而真正實現數據的統一管理和對系統控制的自動化。

數字圈像識別系統

儀器儀表數字圖像采集系統主要組成部分有單片機、圖像傳感器、LCD顯示器、無線收發模塊以及數據存儲器。系統功能框圖如圖1所示。單片機作為系統的控制核心，控制圖像傳感器采集儀器儀表數字圖像，將儀器儀表圖像數據存儲在擴展的外部數據存儲器中，利用數字圖像處理和模式識別技術讀取儀器儀表數字，通過無線收發模塊將儀器儀表數字發送到控制中心，控制中心可以直觀地顯示所采集的數據并對數據進行統一管理。

圖像采集電路

本設計中，儀器儀表圖像數據采集模塊選用的圖像傳感器是美國omnivision公司的彩色/黑白CMOS圖像傳感器OV7670，該傳感器可以通過I2C總線進行對其內部寄存器進行配置，使得輸出數據速率、格式都可以得到改變，且輸出數據已經做完分離，處理起來相對也比較容易。基于功能的實現和價格兩方面的考慮，本設計最終決定選取該型號圖像傳感器作為圖像數據采集的核心器件。

由于OV7670圖像傳感器的工作電壓為2.45V到3V，對外部工作時鐘頻率在10MHz到48MHz，因此控制芯片選用宏晶科技的單時鐘/機器周期的STC12LESA60S2單片機。該單片機工作電壓在2.2v到3.6V，能夠和OV7670圖像傳感器理想匹配，工作頻率在0～35MHz，且內部含有波特率發生器，最大可以產生12MHz的方波，該信號可以作為OV7670圖像傳感器的外部工作時鐘，也滿足了OV7670圖像傳感器對工作時鐘頻率的要求。圖像采集硬件電路圖如圖2所示。

圖像傳感器的SDA和SCL分別為內部寄存器配置數據線和時鐘線，單片機通過P1.2、P1.3模擬I2C總線對圖像傳感器內部寄存器進行配置，使得圖像數據輸出為QvGA格式，在QvGA的基礎之上再次對輸出數據進行水平、垂直方向分別8抽樣，使得最終輸出為像素為60×80:幀同步輸出信號vsYNC引腳接入單片機P3.2口，由P3.2引腳捕捉該信號，當捕捉到幀同步輸出信號時，開始采集儀表圖像數據，圖像有效數據是通過單片機對有效像素信號捕捉獲取的，有效像素信號是指圖像傳感器像素時鐘信號PCLK接74HC74二分頻后與行同步信號HKEF經過與非門的信號:主函數中對像素時鐘信號PCLK進行捕捉，在該信號有效時，選通圖像采集數據控制線，將圖像保存在緩存，然后使圖像數據線無效，將緩存數據存儲到62LV256存儲器中，這樣就得到了一個像素點的灰度值:行同步信號HREF接入單片機定時器TO中斷。當單片機捕捉到該信號時，行地址加1，當采集完最后一行時將標識置1。退出圖像采集程序，到此完成對一幀圖像的采集。

一幀采集完事之后通過無線收發模塊傳送至控制中心，控制中心利用該數據按照BMP格式進行組裝，生成BMP文件顯示。74HC573主要是利用分時復用技術解決單片機資源不夠的問題。

數字圖像識別流程

本系統采用c語言進行程序設計，通過控制圖像傳感器的場同步信號(VSYNC)、行同步信號(HREF)以及像素時鐘信號(pCLK)，完成一幀圖像采集，并將采集到的圖像數據存儲到擴展的外部數據存儲器中。采集到的數字圖像先經過灰度變換、均值濾波、中值濾波、二值化等預處理過程，濾除圖像中噪聲等無關信息，使圖像信息量最小化:其次對采集圖像進行字符定位:利用橫板匹配的方法進行識別，計算匹配率，匹配率最大的就是識別的結果。數字圖像識別流程圖如圖3所示。

數字圖像預處理過程如圖4所示。經過預處理后，在標準模板基礎上采用橫板匹配的方法就很容易得出數字圖像識別的結果。本系統在非理想環境下，經過大量的數據采集、識別實驗，識別結果正確率達95%以上，證明了系統的穩定性。

數字圖像識別在檢測系統中的應用

基于數字圖像識別技術的特點，我們將其應用在對建筑環境的水表識別系統中，通過無線網絡將水表的實

時數據傳送給控制中心，這樣控制中心可以根據數據對水表進行實時監控，既減少了人為因素所造成的誤判，也減少由其他傳感器干擾引起的數據錯誤，提高了工作效率。

結合水表在建筑環境中應用的特點，我們設計了一個三層的無線網絡結構來實現水表數據和控制中心之間的傳輸。無線網絡拓撲結構如圖5所示。

三層組網模式中各層之間任務有明確分工，末端節點主要實現對水表數據的采集與識別，并將識別結果傳給控制中心:考慮到傳輸距離的問題，我們在末端節點與控制中心間加入了中繼器，中繼器是末端節點和控制中心間橋梁，其作用主要是將接收到的末端節點數據加強后傳送給控制中心，同時也能將控制中心的命令發送給末端節點:控制中心接收水表的實時數據，并對這些數據進行統一的管理。設計中控制中心最大可管理255個中繼器設備，每個中繼器設備可以接收255個末端節點所發送的數據。

無線網絡拓撲結構僅僅是一個網絡模式，要真正意義上實現網絡間的可靠通信，還必須依靠相應網絡通信協議的支持。本系統采用自定義的統一的通信包進行通信，通信數據是成幀成包發送的。系統總體數據傳輸流程示意圖如圖6所示。

結語

本文設計的儀器儀表數字圖像識別系統，利用單片機驅動圖像傳感器OV7670采集數字圖像，并在硬件采集系統中實現了圖像數據的存儲和處理，硬件電路簡潔可靠，且成本低，經過實驗驗證OV7670采集儀表數字效果良好，數字圖像識別系統穩定。同時將儀表數字識別系統應用到水表數據采集系統中，通過無線組網和自定義的通信協議實現了水表與控制中心間的數據傳輸，減少了人為誤判和干擾產生的錯誤數據，該方法識別率高達97.5%，識別速度快，達到了水表數字識別的準確率和識別速度的要求。不論是在各式的現代建筑中。還是在工業、機加等惡劣的數據檢測環境，儀器儀表數字圖像識別系統都具有廣闊的應用前景。