攝像式智能儀表監測系統的開發

摘 要：本文介紹了攝像式智能儀表監測系統的開發背景，開發過程中采用的技術路線以及關鍵技術，該套系統是全自動抄表系統的一種產品升級，給用戶提供多一種抄表方案的選擇同時，將圖像技術首次應用于抄表領域。

關鍵詞：嵌入式系統； 圖像壓縮 ；圖像模糊識別

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A

一、概述

自動抄表早在1996年就出現，被應用在小區的抄表工作中。經過十多年的產業發展，技術早已升級，由分線制到總線制，由脈沖式遠傳水表到現在的光電直讀式電子遠傳水表，為用戶提供更多、更好的產品選擇。從產品的穩定性、可靠性、計數準確性來說，光電直讀的電子遠傳水表市場占有率最高。但是計量儀表的使用周期在計量法中是有規定的，如居民用水表為6年。對于光電直讀水表，使用的電子器件壽命一般在10年以上，電子部分已經固化在表內部，6年只能整表更換，這樣不但電子部分浪費了，還增加用戶的更換成本。

針對這種情況，攝像式智能儀表監測系統的開發，使抄表系統具有了光電直讀水表的優點，又可避免光電直讀表周期更換費用高的缺點。因為攝像式圖像采集裝置與儀表是可以分離的，更換時，只需更換基表部分即可，電子部分可以重復利用。同時，當用戶對收費的抄表數據有異議時，可以隨時調取當時的圖像資料，避免產生爭議。

二、項目總體技術方案及需解決的關鍵技術問題。

1系統總體技術設計方案

基于嵌入式技術、圖像壓縮編碼技術和網絡傳輸控制技術的綜合應用，是攝像式智能儀表監測系統的核心技術。該系統基于Linux平臺的遠程儀表圖像監控設計方案，整個系統建立在嵌入式結構上，實現高質量的儀表圖像采集和實時處理功能。攝像式智能儀表監測系統攝像式圖像采集裝置、嵌入式圖像集中監測設備監控中心PC機三個部分。攝像式圖像采集裝置通過攝像頭捕捉現場儀表的字輪讀數圖像，通過MBUS通訊接口將圖像傳輸到嵌入式圖像集中監測設備上，由開發板上的圖像采集處理模塊進行圖像數據處理，通過LCD觸摸屏顯示友好圖形操作界面，實現現場圖像在終端上的實時顯示和JPEG圖片的保存。利用Linux下Libjpeg庫編碼壓縮圖像，通過以太網接口實時傳輸到監控中心PC機上，通過接收解碼顯示現場儀表讀數圖像，實現遠程圖像監測。

2需解決的關鍵技術問題

2.1 圖像的采集、壓縮處理

圖像的采集是整個系統的數據采集部分，是系統的前端，圖像采集就是講圖像源輸出的模擬信號通過特定的處理轉變成數字信號，并將這些信息壓縮、存儲的過程。攝像頭抓拍的儀表字輪讀數圖像具有很好的清晰度和穩定的感光度，有利于對字輪讀數進行相應的識別與后期處理。

目前圖像壓縮的束腰方法有硬件壓縮和軟件壓縮，考慮到圖像的軟壓縮方法占用很多資源而且效率不高，嵌入式系統本身資源也有限，因此在本項目中，圖像的壓縮由硬件完成，圖像的質量由硬件完成。

2.2 遠程圖像數據的傳輸

如何實現遠程圖像的遠程傳輸是另外一個需要解決的關鍵技術問題。圖像的數據量非常大，如果采用移動的GPRS方式傳輸到監控中心，流量的費用，一般的用戶難以接受。所以在項目中，現場的圖像集中監測設備到監控中心的傳輸，采用網絡傳輸技術，通過以太網實現圖像數據傳輸。

2.3 圖像模糊識別處理技術

抓取來的儀表字輪讀數圖像，傳輸到監控中心的PC機后，在系統管理中，除了可以看到圖像外，還需要對圖像進行自動模糊識別，識別出儀表字輪讀數圖像的實際讀數。只有將圖像信息轉化成數字后，才能計算出儀表用量。進行下步的數據分析，例如異常用量報警等。

一般的圖像都是模擬圖像，即圖像上的信息是連續變化的模擬量。如一幅黑白灰度照片上的物體是通過照片上各點的光的強度不同體現出來的，而照片上的光強是一個連續變化的量，也就是說，在一定的范圍內，光強的任何值都可能體現。對于這種模擬圖像只能采用模擬的處理方式進行處理，例如按照光學原理用透鏡將照片放大。計算機不能接受和處理模擬信號，只有將圖像在空間和灰度上都離散化為數字信號后，或者說將模擬圖像變換為數字圖像方能接受。 而數字圖像是將連續的模擬圖像經過離散化處理后變成計算機能夠辨識的點陣圖像。嚴格的數字圖像是一個經過等矩形網格采樣，對幅度進行等間隔量化的二維函數，因此，數字圖像實際上就是被量化的二維采樣數組。

三、項目技術創新性及項目完成時主要技術指標。

1本項目的技術創新點

1.1圖像數據的JPEG編解碼

網絡傳輸前對原始圖像數據進行壓縮處理，利用UG（Independent JPEG Group）提供的libjpeg庫進行圖像編解碼。參照libjpeg庫中編解碼過程，實現了類MYJPEG中壓縮與解壓縮成員函數。壓縮函數中參數可以靈活對壓縮圖像分辨率大小和質量屬性進行設置，參數pSize返回壓縮后圖像圖像的大小。而解壓縮圖像時，壓縮圖像的大小則通過參數pSize傳入。

1.2嵌入式Linux系統結構的圖像集中監測設備

采用四路處理器并行的工作模式，可以保證在短時間內完成對所管轄的儀表圖像的處理與傳輸。根據需要，可靈活的對設備進行配置，事項任一時間點的定時自動采集儀表字輪讀數圖像，采集后的圖像保存在設備中，供用戶隨時查閱或上傳到PC管理主機。圖像集中監測設備自帶NEC3.5英寸TET真彩液晶屏，并通過以太網通訊電路接口與監控中心的管理PC主機連接，上傳圖像。

1.3儀表字輪讀數的模糊識別

儀表字輪讀數的的自動識別是攝像式智能儀表檢測系統中的重要一環，它在儀表的數據讀取和檢測中占有很重要的地位。一般情況下，我們我們抓取的圖像是彩色的，彩色圖像中含有大量的顏色信息，需要占用的大量的存儲空間資源，處理起來浪費較多的系統資源，降低系統的執速度。將彩色圖像通過算法進行灰度處理，我們把圖像分為目標和背景兩部分。這樣得到的圖像只有兩個灰度級：0和l，通常情況是目標區的像素取1，而背景區的像素取O。形成二值圖像。在圖像抓取過程中，因光線、天氣、曝光度等因素的影響，各圖像的清晰度不同，需要對其進行灰度變化，增強圖像的層次。

2項目完成時的主要技術指標

2.1存儲功能

①水表信息（表編號、表讀數圖像、表狀態、類型、安裝位置）

②實時數據（抄表時間、表讀數圖像、表狀態）

③事件記錄（參數更改、異常狀態報警、讀表信息歷史記錄）

④操作記錄（讀表、設置表、人工轉發報警信息）

2.2 統計功能

①報表統計（單表日、月、年的信息統計）

②曲線（單表日月年的流量曲線）

2.3查詢功能

①水表信息（表編號、表讀數圖像、表狀態、類型、抄表時間）

②歷史記錄（抄表時間、表讀數圖像、表狀態）

③事件記錄（參數更改、異常狀態報警、讀表信息歷史記錄）

④作記錄（讀表、設置表、人工轉發報警信息）

2.4自動翻譯

拍攝的表讀數照片可自動翻譯成數字存入計算機數據庫，可編排收費打單等。當用戶有收費糾紛時，可調出某月的圖像為證，以圖像為準繩，設有翻譯瀏覽監視，如因個別有錯以圖像為準，不用入戶\"對表\"就可以準確地修正。

2.5報警功能

①異常用量報警

②水表故障報警

③設備故障

3產品實現的技術路線

A.在攝像式圖像采集裝置中安裝鏡頭，對儀表的字輪讀數進行識別與拍照。并設計了濾波電路、放大電路、雙向比較電路，以提高信號檢測的靈敏度，同時設計了模數轉換A/D驅動。

B.圖像抓取功能的實現。設計圖像采集器與傳輸接口電路的設計，采用交互指令設計驅動程序并實現JPEG的圖像采集。

C.以太網遠程傳輸功能的實現。完成以太網模塊的開關機啟動電路、工作狀態的指示電路和數據輸入、輸出電路等外圍電路的設計。CPU處理器與G24之間通過AT指令實現數據的接收與發送，并設計了相應的通訊協議和圖像傳輸軟件。

D.將嵌入式Linux操作系統移值到LPC2292處理器上。在Linux操作系統下，將應用程序按其功能劃分作業控制任務、圖像采集任務、遠程通訊任務、鍵盤控制任務、GUI任務等，實現多任務化操作。

E.PC管理主機的軟件設計。完成了圖像監控中心的網絡連接方案設計，并使用VisualC設計PC機圖像監測平臺的各功能模塊，實現了通過網絡遠程讀取終端的圖像以及向終端儀表發送指令數據的功能，完成整個嵌入式遠程圖像監測系統的功能設計。

4項目涉及的環保污染治理措施。

本產品所需要原材料均為無毒、無污染物質，生產過程中焊接電路板有少量氣體及煙塵產生，廠房中安裝抽風機，將其排放到室外大氣中，對大氣無任何侵害，完全滿足國家廢氣排放標準。流量校驗用水可以循環使用，故沒有廢水排放。生產中約有1%的次品，可以經返修再利用，故也沒有廢物排出，車間中只要采取常規環保措施即可。系統在安裝、運行的過程不會產生新的污染物，對周遍環境保護是安全的。

結語

市場的需求是多樣化的，客戶的實際情況也是千差萬別，單一的產品遠遠不能滿足實際的市場需要。抄表系統的今后發展應該是多樣化的，不僅在抄表方式選擇有無線方式、全自動方式、便攜式的，通信選擇上可以是RS485或者M-Bus，機電轉換原理可以是脈沖計數、光電直讀和攝像式，由客戶根據實際需要進行選擇。計量儀表智能化，不僅一種技術趨勢，也是用戶選擇的必然。

參考文獻

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