應用視覺識別技術(shù)實現(xiàn)機械水表智能化抄表研究

文｜鄭州楷源儀表有限公司 申峰

水表作為供水貿(mào)易結(jié)算的主要計量儀表之一，準確與否，成為供水企業(yè)與用戶關注的焦點。機械水表的普遍使用，使得現(xiàn)行抄表收費大多是人工抄表、人工收費和結(jié)算，效率低、差錯率高，已不適應現(xiàn)代企業(yè)管理的要求。

提高水表抄表系統(tǒng)的智能化、信息化勢在必行。由于互聯(lián)網(wǎng)、無線通信技術(shù)、嵌入式硬件的小型化、計算機性能的提高和開源的視覺算法庫，現(xiàn)代的智能抄表系統(tǒng)已經(jīng)向集采集、識別、收費管理于一體的綜合系統(tǒng)，大大降低了勞動力、人為誤差同時提高了智能型和準確度。當前國內(nèi)外自動抄表系統(tǒng)有基于總線制、IC卡式與無線遠傳抄表系統(tǒng)。其中無線數(shù)據(jù)遠傳在表具上加載無線發(fā)射裝置，這種裝置不用敷設線路，逐步成為主流。但是，智能水表的維護和后期的處理也存在一系列問題。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1、智能抄表裝置設計

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

擬采用Windows的服務器進行上位機控制，下位機手持式抄表終端完成圖像采集與遠傳，采集到的圖像在服務器端進行圖像識別處理，在PC客戶端進行用戶和數(shù)據(jù)管理。上位機管理軟件采用MySQL關系型數(shù)據(jù)庫具有體積小、速度快、總體擁有成本低和開放源碼的特點，結(jié)合Qt應用框架構(gòu)成C/S架構(gòu)的水表管理系統(tǒng)。圖1所示為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。

1.2 抄表裝置的硬件選型

1.2.1 4G通訊模塊

EC20通訊模塊是一款支持PCI Express Mini Card 標準接口的LTE模塊，支持最大下行速率150Mbps和最大上行速率50Mbps，兼容EDGE和GSM/GPRS網(wǎng)絡，確保在缺乏3G和4G網(wǎng)絡的偏遠地區(qū)也能工作，也包含GPS北斗定位和TTS語言等。

1.2.2 處理芯片的選用

由于抄表裝置在獲取數(shù)據(jù)沒有實時處理的要求，同時不需要高性能與大量數(shù)據(jù)運算，故選用的處理芯片型號是STM32F407VET6，可以滿足終端系統(tǒng)對現(xiàn)場水表表盤圖像的采集任務。

1.2.3 攝像頭的選用

攝像頭是將采集的圖像用于后期圖像識別的電子器件。一種為電荷耦合器件CCD，CCD成本高，靈敏度高，分辨率高，噪聲低，另一種為CMOS圖像傳感器相對與CCD存在一些缺陷，但是CMOS圖像傳感器體積小且成本低、滿足手持要求，工作電壓為3.3V、相對于CCD功耗小很多，所需的外圍電路比較簡單，因此本系統(tǒng)選擇CMOS圖像傳感器當作圖像采集單元。

1.2.4 液晶屏選用

來自德國的Siempelkamp(辛北爾康普)，這是一個代表質(zhì)量的名字。辛北爾康普能生產(chǎn)用于制造刨花板、MDF、OSB、CSL等人造板的成套設備，包括前端技術(shù)、燃燒能力為10到100MW的能源工廠、分選器、干燥機、成型和壓機線、帶儲存、鋸切和處理技術(shù)的后處理線，整個自動化和可視化技術(shù)，以及所有核心部件。ContiRoll?第9代連續(xù)壓機，能以高達2 500 mm/s的速度連續(xù)運行，是國際一流的成型和壓機生產(chǎn)線。辛北爾康普擁有令人信服的質(zhì)量保證。

由于在系統(tǒng)設計中，需要人機交互，才能采集符合圖像識別所需的圖像，因此需要一塊液晶屏。采用3.5寸TFTLCD 電阻式觸摸模塊，480×320分辨率、視角廣、顯示細膩、不刺眼和16位顏色深度色彩還原度好。

2、水表圖像的數(shù)字和二維碼識別

圖像識別技術(shù)的發(fā)展，為設備的智能化提供了技術(shù)支持，將圖像識別技術(shù)運用到水表的字輪度數(shù)和二維碼識別，能提高售水管理的信息化和避免原先人工抄表的各種弊端。

2.1 圖像識別方案

根據(jù)手持式攝像智能抄表的總體設計方案，攝像頭把采集的水表圖像通過STM32控制EC20通訊模塊傳輸?shù)絎indows系統(tǒng)的服務器中進行圖像的識別處理后將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中。字輪數(shù)字識別流程圖如2圖所示。

2.2 圖像預處理

圖像在采集的過程中難免會在拍攝的時候受到水表長期使用的灰塵、光線不均勻等因素造成識別難度的增加，所以為了提高準確度需要對圖像進行預處理，減少不確定因素的影響。

2.2.1 圖像灰度化

由于OV2640攝像頭采集的圖片是16位色的BMP文件，需要先將16位位圖轉(zhuǎn)換為8位位圖的灰度圖像，然后再進行后面的圖像預處理。水表識別度數(shù)算法是基于圖像幾何特征進行分析，對圖像的彩色信息不感興趣而且灰度圖像比彩色圖像節(jié)省三分之二的內(nèi)存，可以大大提高圖形處理運行時間。系統(tǒng)圖像灰度化采用加權(quán)平均值法，計算如式（3-1）：

圖2 字輪數(shù)字識別流程圖

2.2.2 直方圖均衡化

采集的水表圖像，由于受到LED和自然光的不均勻光照，造成圖像亮度分布不均勻的效果給后續(xù)處理帶來極大的困難。需要調(diào)整圖像灰度值使整張圖像灰度值分布均勻，突出感興趣區(qū)域。灰度拉伸的計算公式如式（3-2）：

2.2.3 圖像濾波去噪

圖像采集終端在拍照，遠傳的過程中會受到噪聲的干擾，比如高斯噪聲和椒鹽噪聲。本系統(tǒng)采用高斯濾波，特別適合高斯噪聲的過濾會產(chǎn)生邊緣模糊但對感興趣區(qū)域沒有影響，二維高斯函數(shù)如式（3-3）：

2.2.4 圖像二值化

圖像二值化是灰度圖像轉(zhuǎn)化為只有0或1的二值圖像，有利用后面圖像字輪區(qū)域的定位，利用Canny邊緣檢測算法對圖像進行處理，將圖像中的邊緣最大化的檢測出來，得到邊緣圖像，其中像素點值不為零點的構(gòu)成圖像的邊緣。

2.3 水表圖像字輪區(qū)的定位

對水表表盤中字輪區(qū)數(shù)字進行識別，首先需要找出字輪在水表中的位置，然后進行數(shù)字字符的提取和識別。但是水表表盤數(shù)字以外的區(qū)域仍然會對圖像字輪區(qū)域的定位產(chǎn)生干擾，因此利用霍夫圓檢測消除表盤以外區(qū)域的區(qū)域，然后利用霍夫直線及矩形輪廓檢測進行字輪區(qū)域的定位。

通過水表區(qū)域的定位，此過程將水表中的數(shù)字區(qū)域進一步縮小，然后通過將區(qū)域中單個數(shù)字分割開并利用模板匹配數(shù)字識別得到最后的度數(shù)。

2.4 數(shù)字字符的分割

通過水表區(qū)域的定位，此過程將水表中的數(shù)字區(qū)域進一步縮小，然后通過將區(qū)域中單個數(shù)字分割開并利用模板匹配數(shù)字識別得到最后的度數(shù)可以減少識別的難度和提高準確度。采取將字符先分割開，再分別識別的方案。

2.5 數(shù)字字符的識別

模板匹配對待識別的圖像或區(qū)域中的若干特征量進行提取，再與模板中相應的特征量逐一進行比較，通過計算他們之間規(guī)格化的相關量找到其中相關性最大的一個即表示其間相似度最高，即可將圖像歸類于相應的類。由于水表數(shù)字字符可能是完整的一個字符圖像，也可能是不完整的半字字符圖像，因此在識別處理過程分開處理。先確定字符是整字字符還是圖像還是半字字符，分別使用不同的圖像識別算法進行識別，最終將識別結(jié)果輸出顯示。

2.6 二維碼的識別

由于拍攝角度的問題水表的二維碼圖像可能存在角度問題，識別主要利用圖像處理的濾波、二值化、膨脹（腐蝕）操作、邊緣檢測、霍夫直線檢測、定位角點、反射變換校正和利用開源軟件Zbar進行識別，識別流程圖3所示。

3、水表收費管理信息系統(tǒng)設計

水表收費管理信息系統(tǒng)是后端用戶資料、用水統(tǒng)計和自動結(jié)算的信息管理平臺，為供水部門提供智能化管理提供保障。整個系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、管理系統(tǒng)界面兩部份組成。

3.1 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

數(shù)據(jù)庫技術(shù)是研究如何高效的對數(shù)據(jù)進行存儲的技術(shù)，隨著對數(shù)據(jù)庫的發(fā)展和演進已經(jīng)發(fā)展為關系型的數(shù)據(jù)庫，例如開源的MySQL為數(shù)據(jù)庫的開發(fā)提供了基礎，加快了研發(fā)過程減少不必要的重復勞動。

3.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

本系統(tǒng)采用業(yè)界普遍采用的C/S（Client/Server）體系結(jié)構(gòu)模型，Client（客戶機）通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫存儲信息，提供用戶的信息資料，用水情況和打印報表信息，Server（服務器）的功能主要是對采集的水表圖像進行識別，同時給客戶機提供處理后的數(shù)據(jù)信息。如圖4 C/S架構(gòu)。

3.3 數(shù)據(jù)庫設計

本系統(tǒng)采用開源的MySQL，具有體積小、速度快、成本低與開放源碼等特點。數(shù)據(jù)庫的設計可以分為需求分析、概念設計、邏輯結(jié)構(gòu)設計、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。

圖3 二維碼識別流程圖

圖4 C/S架構(gòu)