基于視頻圖像技術的遠程抄表系統的設計

文｜總后建筑設計研究院 王云峰

301醫院基建營房處 羅 進

1 引言

近年來，隨著國家經濟的發展，人民生活水平的不斷提高，智能住宅小區的大量涌現，單表、多表遠傳系統得到了廣泛的應用；然而，現在普遍使用的一些遠程抄表系統還存在很多不足。

目前普遍使用的遠程抄表系統主要應用在具有物業管理的小區內，需要大量的連線，不適合老樓的改造及計量表具安裝在計量井室內的新樓。而且，目前的遠傳抄表系統大都是采用脈沖計數的方式來計算水、氣、電等的實際用量，因此需要對原有表具進行改造，又因脈沖信號在傳輸過程中極易受到干擾，所以系統在投入使用后不能斷電，否則就需要重新修正計量結果，并且可靠性不高，后期維修量大。

大規模集成電路的發展及應用，使得使用視頻圖像技術的成本越來越低，利用視頻圖像技術組成一種新的遠傳抄表系統成為可能。利用該方法組成的遠傳抄表系統可以實現遠程集中式管理水、氣、電等計量表具的直讀遠傳抄表功能，從而實現小區居民日常生活的智能化。

2 系統結構

基于視頻圖像技術的遠程抄表系統由水、氣、電數據圖像采集器，智能控制器，雙向視頻放大器，管理機，物業機，控制處理計算機等組成，如圖1所示。

控制處理計算機通過控制總線下達讀表指令，智能控制器將水、氣、電數據圖像采集器和可視對講終端的圖像信號通過視頻總線經雙向視頻放大器送到控制處理計算機，控制處理計算機對水、氣、電數據圖像采集器的模擬視頻圖像信號進行采集，并將其轉變成數據圖像信號，再對數據圖像信號進行識別，并將其轉變成數據信號，供管理者讀取。所有控制均由控制處理計算機通過控制總線下達指令執行。

3 系統硬件設計

基于視頻圖像技術的遠程抄表系統的硬件組成主要包括：計量表具；不間斷電源及自動充電電路；智能控制器；數據圖像采集器。

（1）計量表具設計

電能表選用輸出3200imp/kWh或1600imp/kWh的數字化電度表，利用其脈沖信號作為系統計量依據。

水表、煤氣表在傳統計量表具的基礎上增加磁電感應元件，將流量信號以脈沖信號形式傳輸出來（因其磁電感應元件加在千分之一位上，所以其向外發送的脈沖以百分之一為計量單位，完全符合國家民用計量表具1.0級精度標準），并且采用磁屏蔽等保護措施。

（2）不間斷電源及自動充電電路設計

為避免因市電停電給系統帶來不利影響，保證停電時對水、氣的計量檢測不中斷，在數據采集機上增加不間斷電源——免維護電池。而為了保證不間斷電源能夠正常工作，需要對電池的過充電和過放電及不間斷電源投入進行保護和控制。

圖1 系統結構框圖

（3）智能控制器的硬件電路設計

智能控制器的硬件電路包括標準視頻信號阻抗變換電路，視、音頻信號雙向傳輸電路，數字信號與模擬信號采集電路，控制電路，通信電路以及為智能控制器提供工作電源的電源電路。

智能控制器的系統構成如圖2所示。

數據圖像采集器安裝在用戶計量表具上，用于采集計量表具的計量數值圖像。表具的計量數值圖像由智能控制器控制，通過視頻總線傳遞到數據處理控制計算機，經數據處理控制計算機圖像采集卡采集后，由圖像處理軟件處理并顯示在用戶使用量信息欄中。

實際使用中每個智能控制器可以接16個或32個數據圖像采集器，每個數據圖像采集器由1根3芯線和智能控制器相連，每個單元門內的智能控制器數量可根據用戶使用計量表具數量計算。各路計量數值圖像信號分時通過視頻總線傳送到數據處理控制計算機。

（4）數據圖像采集器設計

數據圖像采集器由瞄準設備、CCD圖像攝取系統、圖像采集系統和計算機系統組成，如圖3所示。瞄準設備平時用來測量水平角，在方位瞄準時確定安裝角度以標定方向。讀數系統是該設備重要的組成部分，由水平度盤、讀數顯微鏡和螺旋測微器組成，其元件性能對整個儀器的精度有著重要的影響。

圖2 智能控制器結構框圖

圖3 系統框圖

CCD圖像攝取系統通過專用裝夾裝置把瞄準設備讀數系統中的讀數顯微鏡固定于眼點位置，以攝取全景視場模擬圖像信號。圖像采集系統是基于PCI總線的彩色圖像采集卡，它利用數字解碼器對模擬信號作A/D變換，再將其解碼成紅、綠、藍24bit數字信號，通過PCI總線傳到PC機系統內存。圖像傳送速度很快，可實現像機圖像到計算機內存的可靠實時傳送。

4 系統軟件設計

基于視頻圖像技術的遠程抄表系統軟件設計主要包括：

◆ 儀表數字的識別研究；

◆ 控制處理計算機設計；

◆ 智能管理機的軟件設計。

（1）儀表數字的識別研究

本系統應用攝像頭拍攝儀表面板圖像并輸入計算機，由計算機“讀取”圖像中的數字。儀表數字有較高的變化頻率（最高可達每秒9次），而現有的較為成熟的識別算法大部分注重識別的準確率，在一定程度上忽視了識別速度，因此研究高準確率下的快速識別算法對儀表數字識別具有非常現實的意義。

在采集的圖像中，數字區域具有相對固定的位置，因此為提高系統整體識別速度，可用手動定位的方法標識出全體數字所在區域，然后對數字區域進行二值化處理。

要實現數字的識別，必須先將單個數字準確地分割出來?？梢圆捎么址指钆c細分割相結合的方法：粗分割采用傳統的水平投影法，根據數字間距部分在水平方向上的投影會出現局部最小值的原理，粗略獲取數字的左右邊界；細分割采用行列掃描的方法，去除數字上下左右的空白行，求出包圍數字的最小矩形區域。

特征提取是模式識別的第一步，其目的是獲取一組特征數目少且區分度高的特征向量。常用的特征提取方法大致可分為兩類，即基于統計的方法和基于結構的方法。統計特征通常包括筆道密度特征、矩特征等，結構特征通常包括圈、端點、交叉點、輪廓等。這兩類特征各有優勢：使用統計特征的分類易于訓練，特征提取算法的復雜度較低，并且在給定的訓練集上能得到較高的識別率；基于結構特征的方法在識別過程中可充分利用數字的結構特征，結果可靠性較高，但其特征的提取往往比較復雜，并且易受干擾。根據上述特征提取的基本原則，筆者對儀表數字進行了大量的采樣分析，最終確定了7維區分度高且計算簡單的統計特征。設分割后的單個數字存放在m×n的矩陣M中，記矩陣M中心點為O（m/2，n/2），以O為中心，將矩陣M均分為4個子矩陣（Mlt，Mrt，Mlb，Mrb），引入最后一項特征可以有效地區分數字0和8。

（2）控制處理計算機軟件設計

控制處理計算機主要有兩大功能：一是利用通信網絡讀取/發送相關住戶的能耗表具的數據，二是依小區管理的需要對住戶數據庫進行各種操作。

經通信網絡控制傳輸的住戶能耗表具的數據設置為三種形式：

◆ 隨機監測某一住戶能耗表具的數據；

◆ 讀取住戶能耗表具的數據；

◆ 發送住戶能耗表具的數據。

在這三種形式中，發送住戶能耗表具的數據有操作級別限制，即只有管理員級才可以執行此項操作，而操作員級則不能執行此項操作。在系統軟件啟動后，需輸入個人在系統內的注冊號，以確定可操作的等級；只有注冊成功后，方可進入系統操作界面。系統數據庫可實現編輯各種參數、查詢住戶用量信息、數據維護、統計用量數據、打印收費及統計等功能。

圖4為運行軟件框圖。

圖4 運行軟件框圖

（3）智能管理機軟件設計

智能管理機的軟件功能主要有三：讀取住戶數據采集機的數據并處理；與PC系列機通信，傳送數據；獨立成系統時的結算、打印、顯示等操作。根據上述功能，我們可以設置兩個讀取住戶數據采集機的程序啟動點：一是定時（30分鐘至2小時）啟動，二是隨機地由本機鍵盤或PC機命令啟動。因本機操作由鍵盤實現，故為其設置一個中斷，從而使本機主程序處于等待PC機通信命令狀態。數據傳輸基本流程如圖5所示。

圖6 智能軟件邏輯框圖

圖5 數據傳輸流程示意圖

在智能管理機上增加對數據的校驗功能，就可有效地防止在某個采集機受干擾等故障狀態下發生傳輸錯誤數據的情況，又可發現故障機，以便操作維護人員進行處理。圖6為智能軟件邏輯框圖。

5 結束語

本文提出了一種基于視頻圖像技術的遠程抄表系統的設計方案，該方案通過軟件和硬件結合，可以有效地提高遠程抄表系統的精度。利用該方案可以實現遠程集中式管理“水、氣、電”等計量表具的直讀遠傳抄表功能，采集的計量數值圖像直接傳送到數據處理控制計算機，中間不經過任何計算，計量準確且可以克服市區停電對計量的影響，抗干擾能力強、可靠性高。

基于視頻圖像技術的遠程抄表系統已在示范小區安裝使用，結果表明該系統工作過程穩定可靠，具有良好的品質指標，證明了本文提出方案的有效性。