基于ISM頻段的直讀式抄表系統(tǒng)的研制

秦建兵 李海龍

【摘要】 本系統(tǒng)采用攝像直讀方式，通過ISM無線頻段將用戶表具圖像上傳到計(jì)費(fèi)中心服務(wù)器，由LABVIEW軟件對(duì)圖片進(jìn)行識(shí)別處理，生成表具的當(dāng)前讀數(shù)，實(shí)現(xiàn)零誤差、集中式遠(yuǎn)程抄表功能。

【關(guān)鍵詞】 ISM頻段 直讀式 抄表

一、抄表領(lǐng)域現(xiàn)狀分析

當(dāng)今家庭中使用的表具一般包括水表、氣表、電表，根據(jù)國家住建部2013年統(tǒng)計(jì)，沒有實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)抄的表具約占總數(shù)量的60%，這些表具的數(shù)據(jù)讀取仍舊依靠傳統(tǒng)的人工入戶抄表方式，費(fèi)力費(fèi)時(shí)，及時(shí)性和準(zhǔn)確性都得不到保障，尤其是國家提出到2015年底前要全面實(shí)行階梯水價(jià)，這種手工抄表方式已經(jīng)不適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展要求。

二、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的技術(shù)方案

本抄表系統(tǒng)適用于對(duì)不具備遠(yuǎn)傳功能的表具進(jìn)行遠(yuǎn)傳改造。系統(tǒng)使用ISM頻段傳輸數(shù)據(jù)，該頻段為免申請(qǐng)頻段，設(shè)計(jì)發(fā)射功率小于100mW，考慮到用戶家中的表具安放位置，選擇穿墻繞射能力好的433MHz頻率。系統(tǒng)選擇攝像直讀方式能夠?qū)崿F(xiàn)零誤差抄表，無需更換舊表具。圖像讀取設(shè)備具有低功耗工作特點(diǎn)，只有在發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)耗電，其余時(shí)間都處于極低功耗休眠模式。LABVIEW為后臺(tái)圖像識(shí)別軟件，借用LABVIEW的VISION功能庫精確實(shí)現(xiàn)表具圖像的識(shí)別，生成表具的當(dāng)前讀數(shù)。

本抄表系統(tǒng)采用主動(dòng)式上報(bào)數(shù)據(jù)方式，由表具圖像讀取裝置對(duì)表具進(jìn)行拍照，編碼壓縮，再將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器的LABVIEW軟件負(fù)責(zé)接收、處理圖片數(shù)據(jù)，將圖片識(shí)別成實(shí)時(shí)讀數(shù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

三、圖像讀取設(shè)備的工作原理

圖像讀取設(shè)備安放在用戶家中表具之上，負(fù)責(zé)對(duì)表具圖像進(jìn)行拍照，存儲(chǔ)和上傳。

OV2640是1/4寸200萬像素全集成CMOS圖像傳感器，內(nèi)部集成了JPEG圖像壓縮引擎，經(jīng)過壓縮后圖像基本在15K-40K字節(jié)之間，適合于無線傳輸。OV2640的參數(shù)配置是由單片機(jī)通過SCCB總線來完成的[1]，主要包括輸出圖片像素大小，行場分頻，自動(dòng)曝光時(shí)間，白平衡設(shè)置等。在OV240完成參數(shù)初始化后，轉(zhuǎn)入到實(shí)時(shí)圖像像素輸出模式，OV2640會(huì)產(chǎn)生像素、行、場中斷，單片機(jī)會(huì)根據(jù)中斷儲(chǔ)存8位圖像信息。

SI4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、多頻段、低功耗的EZRadioPRO系列無線收發(fā)芯片，可工作在119-1050 MHz頻段，考慮到用戶家中表具的安裝位置，本系統(tǒng)選用433MHz繞射能力強(qiáng)的頻率傳輸數(shù)據(jù)，為降低通信誤碼率，選用2400bps通信速率。由于要發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)大小在15K-40K之間，為減少和糾正無線傳輸過程中的誤碼，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分包和校驗(yàn)處理，采用高斯移頻鍵控調(diào)制GFSK來進(jìn)一步降低通信誤碼率，提高接收靈敏度。數(shù)據(jù)通信包格式如下：

本無線節(jié)點(diǎn)采用同步傳輸模式，以0x2EE2作為同步標(biāo)志碼，傳輸完同步字后才開始傳輸有效數(shù)據(jù)載荷。接收端在檢測到同步字后才開始接收數(shù)據(jù)。當(dāng)SI4432檢測到0x2EE2這個(gè)同步字后，使能接收功能，數(shù)據(jù)開始接收，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包里的設(shè)備地址與自身地址進(jìn)行匹配比對(duì)，如果與自身地址ID號(hào)相等，則繼續(xù)接收余下的數(shù)據(jù)包。

四、LABVIEW圖像識(shí)別與處理

LABVIEW是由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的圖形化編程語言，LABVIEW的Vision軟件包專門用于圖像識(shí)別、機(jī)器視覺領(lǐng)域。在實(shí)際條件下，攝像頭采集的表具圖像由于安裝傾斜、光照不均容易照成光斑、灰柵等問題，在本系統(tǒng)中使用LABVIEW軟件通過圖像處理技術(shù)改善或解決接收到的圖像畸變問題，該軟件主要完成圖像數(shù)據(jù)的接收、預(yù)處理、識(shí)別、存儲(chǔ)[2]。表具圖像識(shí)別與輸出過程如下所示：

LABVIEW負(fù)責(zé)接收?qǐng)D像讀取設(shè)備發(fā)送過來的十六進(jìn)制圖像數(shù)據(jù)流，由LABVIEW將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成JPEG文件并保存到臨時(shí)內(nèi)存中。再由VISION函數(shù)庫中的平滑去噪函數(shù)濾波。邊緣是圖像灰度變化比較劇烈的地方，在灰度變化大的地方進(jìn)行微分將產(chǎn)生高值，銳化邊緣，在數(shù)字圖像中用差分代替微分運(yùn)算，將圖像轉(zhuǎn)換成黑白兩色，再對(duì)圖片分割、模型進(jìn)行比對(duì)，自動(dòng)生成當(dāng)前表具數(shù)值。

五、結(jié)論

圖像直讀抄表具有直觀、簡單、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。上述也僅僅是在遠(yuǎn)程抄表技術(shù)中的一種應(yīng)用，除此之外還可以廣泛應(yīng)用在各種不具備遠(yuǎn)傳功能的顯示器具上，不僅可以遠(yuǎn)傳數(shù)字，也可以遠(yuǎn)傳各種文字、符號(hào)， 是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一種延伸和拓展，有很大的應(yīng)用空間。

一、抄表領(lǐng)域現(xiàn)狀分析

當(dāng)今家庭中使用的表具一般包括水表、氣表、電表，根據(jù)國家住建部2013年統(tǒng)計(jì)，沒有實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)抄的表具約占總數(shù)量的60%，這些表具的數(shù)據(jù)讀取仍舊依靠傳統(tǒng)的人工入戶抄表方式，費(fèi)力費(fèi)時(shí)，及時(shí)性和準(zhǔn)確性都得不到保障，尤其是國家提出到2015年底前要全面實(shí)行階梯水價(jià)，這種手工抄表方式已經(jīng)不適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展要求。

二、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的技術(shù)方案

本抄表系統(tǒng)適用于對(duì)不具備遠(yuǎn)傳功能的表具進(jìn)行遠(yuǎn)傳改造。系統(tǒng)使用ISM頻段傳輸數(shù)據(jù)，該頻段為免申請(qǐng)頻段，設(shè)計(jì)發(fā)射功率小于100mW，考慮到用戶家中的表具安放位置，選擇穿墻繞射能力好的433MHz頻率。系統(tǒng)選擇攝像直讀方式能夠?qū)崿F(xiàn)零誤差抄表，無需更換舊表具。圖像讀取設(shè)備具有低功耗工作特點(diǎn)，只有在發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)耗電，其余時(shí)間都處于極低功耗休眠模式。LABVIEW為后臺(tái)圖像識(shí)別軟件，借用LABVIEW的VISION功能庫精確實(shí)現(xiàn)表具圖像的識(shí)別，生成表具的當(dāng)前讀數(shù)。

本抄表系統(tǒng)采用主動(dòng)式上報(bào)數(shù)據(jù)方式，由表具圖像讀取裝置對(duì)表具進(jìn)行拍照，編碼壓縮，再將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器的LABVIEW軟件負(fù)責(zé)接收、處理圖片數(shù)據(jù)，將圖片識(shí)別成實(shí)時(shí)讀數(shù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。

三、圖像讀取設(shè)備的工作原理

圖像讀取設(shè)備安放在用戶家中表具之上，負(fù)責(zé)對(duì)表具圖像進(jìn)行拍照，存儲(chǔ)和上傳。

OV2640是1/4寸200萬像素全集成CMOS圖像傳感器，內(nèi)部集成了JPEG圖像壓縮引擎，經(jīng)過壓縮后圖像基本在15K-40K字節(jié)之間，適合于無線傳輸。OV2640的參數(shù)配置是由單片機(jī)通過SCCB總線來完成的[1]，主要包括輸出圖片像素大小，行場分頻，自動(dòng)曝光時(shí)間，白平衡設(shè)置等。在OV240完成參數(shù)初始化后，轉(zhuǎn)入到實(shí)時(shí)圖像像素輸出模式，OV2640會(huì)產(chǎn)生像素、行、場中斷，單片機(jī)會(huì)根據(jù)中斷儲(chǔ)存8位圖像信息。

SI4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、多頻段、低功耗的EZRadioPRO系列無線收發(fā)芯片，可工作在119-1050 MHz頻段，考慮到用戶家中表具的安裝位置，本系統(tǒng)選用433MHz繞射能力強(qiáng)的頻率傳輸數(shù)據(jù)，為降低通信誤碼率，選用2400bps通信速率。由于要發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)大小在15K-40K之間，為減少和糾正無線傳輸過程中的誤碼，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分包和校驗(yàn)處理，采用高斯移頻鍵控調(diào)制GFSK來進(jìn)一步降低通信誤碼率，提高接收靈敏度。數(shù)據(jù)通信包格式如下：

本無線節(jié)點(diǎn)采用同步傳輸模式，以0x2EE2作為同步標(biāo)志碼，傳輸完同步字后才開始傳輸有效數(shù)據(jù)載荷。接收端在檢測到同步字后才開始接收數(shù)據(jù)。當(dāng)SI4432檢測到0x2EE2這個(gè)同步字后，使能接收功能，數(shù)據(jù)開始接收，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包里的設(shè)備地址與自身地址進(jìn)行匹配比對(duì)，如果與自身地址ID號(hào)相等，則繼續(xù)接收余下的數(shù)據(jù)包。

四、LABVIEW圖像識(shí)別與處理

LABVIEW是由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的圖形化編程語言，LABVIEW的Vision軟件包專門用于圖像識(shí)別、機(jī)器視覺領(lǐng)域。在實(shí)際條件下，攝像頭采集的表具圖像由于安裝傾斜、光照不均容易照成光斑、灰柵等問題，在本系統(tǒng)中使用LABVIEW軟件通過圖像處理技術(shù)改善或解決接收到的圖像畸變問題，該軟件主要完成圖像數(shù)據(jù)的接收、預(yù)處理、識(shí)別、存儲(chǔ)[2]。表具圖像識(shí)別與輸出過程如下所示：

LABVIEW負(fù)責(zé)接收?qǐng)D像讀取設(shè)備發(fā)送過來的十六進(jìn)制圖像數(shù)據(jù)流，由LABVIEW將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成JPEG文件并保存到臨時(shí)內(nèi)存中。再由VISION函數(shù)庫中的平滑去噪函數(shù)濾波。邊緣是圖像灰度變化比較劇烈的地方，在灰度變化大的地方進(jìn)行微分將產(chǎn)生高值，銳化邊緣，在數(shù)字圖像中用差分代替微分運(yùn)算，將圖像轉(zhuǎn)換成黑白兩色，再對(duì)圖片分割、模型進(jìn)行比對(duì)，自動(dòng)生成當(dāng)前表具數(shù)值。

五、結(jié)論

圖像直讀抄表具有直觀、簡單、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。上述也僅僅是在遠(yuǎn)程抄表技術(shù)中的一種應(yīng)用，除此之外還可以廣泛應(yīng)用在各種不具備遠(yuǎn)傳功能的顯示器具上，不僅可以遠(yuǎn)傳數(shù)字，也可以遠(yuǎn)傳各種文字、符號(hào)， 是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一種延伸和拓展，有很大的應(yīng)用空間。