基于ISM頻段的直讀式抄表系統的研制

秦建兵 李海龍

【摘要】 本系統采用攝像直讀方式，通過ISM無線頻段將用戶表具圖像上傳到計費中心服務器，由LABVIEW軟件對圖片進行識別處理，生成表具的當前讀數，實現零誤差、集中式遠程抄表功能。

【關鍵詞】 ISM頻段 直讀式 抄表

一、抄表領域現狀分析

當今家庭中使用的表具一般包括水表、氣表、電表，根據國家住建部2013年統計，沒有實現遠抄的表具約占總數量的60%，這些表具的數據讀取仍舊依靠傳統的人工入戶抄表方式，費力費時，及時性和準確性都得不到保障，尤其是國家提出到2015年底前要全面實行階梯水價，這種手工抄表方式已經不適應社會的發展要求。

二、遠程抄表系統的技術方案

本抄表系統適用于對不具備遠傳功能的表具進行遠傳改造。系統使用ISM頻段傳輸數據，該頻段為免申請頻段，設計發射功率小于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。系統選擇攝像直讀方式能夠實現零誤差抄表，無需更換舊表具。圖像讀取設備具有低功耗工作特點，只有在發射數據時耗電，其余時間都處于極低功耗休眠模式。LABVIEW為后臺圖像識別軟件，借用LABVIEW的VISION功能庫精確實現表具圖像的識別，生成表具的當前讀數。

本抄表系統采用主動式上報數據方式，由表具圖像讀取裝置對表具進行拍照，編碼壓縮，再將數據上傳到數據服務器，數據服務器的LABVIEW軟件負責接收、處理圖片數據，將圖片識別成實時讀數并存儲到數據庫中。

三、圖像讀取設備的工作原理

圖像讀取設備安放在用戶家中表具之上，負責對表具圖像進行拍照，存儲和上傳。

OV2640是1/4寸200萬像素全集成CMOS圖像傳感器，內部集成了JPEG圖像壓縮引擎，經過壓縮后圖像基本在15K-40K字節之間，適合于無線傳輸。OV2640的參數配置是由單片機通過SCCB總線來完成的[1]，主要包括輸出圖片像素大小，行場分頻，自動曝光時間，白平衡設置等。在OV240完成參數初始化后，轉入到實時圖像像素輸出模式，OV2640會產生像素、行、場中斷，單片機會根據中斷儲存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，本系統選用433MHz繞射能力強的頻率傳輸數據，為降低通信誤碼率，選用2400bps通信速率。由于要發送的圖像數據大小在15K-40K之間，為減少和糾正無線傳輸過程中的誤碼，需要對數據進行分包和校驗處理，采用高斯移頻鍵控調制GFSK來進一步降低通信誤碼率，提高接收靈敏度。數據通信包格式如下：

本無線節點采用同步傳輸模式，以0x2EE2作為同步標志碼，傳輸完同步字后才開始傳輸有效數據載荷。接收端在檢測到同步字后才開始接收數據。當SI4432檢測到0x2EE2這個同步字后，使能接收功能，數據開始接收，對接收到的數據包里的設備地址與自身地址進行匹配比對，如果與自身地址ID號相等，則繼續接收余下的數據包。

四、LABVIEW圖像識別與處理

LABVIEW是由美國國家儀器（NI）公司研制開發的圖形化編程語言，LABVIEW的Vision軟件包專門用于圖像識別、機器視覺領域。在實際條件下，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，在本系統中使用LABVIEW軟件通過圖像處理技術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據的接收、預處理、識別、存儲[2]。表具圖像識別與輸出過程如下所示：

LABVIEW負責接收圖像讀取設備發送過來的十六進制圖像數據流，由LABVIEW將數據流轉換成JPEG文件并保存到臨時內存中。再由VISION函數庫中的平滑去噪函數濾波。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行微分將產生高值，銳化邊緣，在數字圖像中用差分代替微分運算，將圖像轉換成黑白兩色，再對圖片分割、模型進行比對，自動生成當前表具數值。

五、結論

圖像直讀抄表具有直觀、簡單、準確的特點。上述也僅僅是在遠程抄表技術中的一種應用，除此之外還可以廣泛應用在各種不具備遠傳功能的顯示器具上，不僅可以遠傳數字，也可以遠傳各種文字、符號， 是物聯網技術的一種延伸和拓展，有很大的應用空間。

一、抄表領域現狀分析

當今家庭中使用的表具一般包括水表、氣表、電表，根據國家住建部2013年統計，沒有實現遠抄的表具約占總數量的60%，這些表具的數據讀取仍舊依靠傳統的人工入戶抄表方式，費力費時，及時性和準確性都得不到保障，尤其是國家提出到2015年底前要全面實行階梯水價，這種手工抄表方式已經不適應社會的發展要求。

二、遠程抄表系統的技術方案

本抄表系統適用于對不具備遠傳功能的表具進行遠傳改造。系統使用ISM頻段傳輸數據，該頻段為免申請頻段，設計發射功率小于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。系統選擇攝像直讀方式能夠實現零誤差抄表，無需更換舊表具。圖像讀取設備具有低功耗工作特點，只有在發射數據時耗電，其余時間都處于極低功耗休眠模式。LABVIEW為后臺圖像識別軟件，借用LABVIEW的VISION功能庫精確實現表具圖像的識別，生成表具的當前讀數。

本抄表系統采用主動式上報數據方式，由表具圖像讀取裝置對表具進行拍照，編碼壓縮，再將數據上傳到數據服務器，數據服務器的LABVIEW軟件負責接收、處理圖片數據，將圖片識別成實時讀數并存儲到數據庫中。

三、圖像讀取設備的工作原理

圖像讀取設備安放在用戶家中表具之上，負責對表具圖像進行拍照，存儲和上傳。

OV2640是1/4寸200萬像素全集成CMOS圖像傳感器，內部集成了JPEG圖像壓縮引擎，經過壓縮后圖像基本在15K-40K字節之間，適合于無線傳輸。OV2640的參數配置是由單片機通過SCCB總線來完成的[1]，主要包括輸出圖片像素大小，行場分頻，自動曝光時間，白平衡設置等。在OV240完成參數初始化后，轉入到實時圖像像素輸出模式，OV2640會產生像素、行、場中斷，單片機會根據中斷儲存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，本系統選用433MHz繞射能力強的頻率傳輸數據，為降低通信誤碼率，選用2400bps通信速率。由于要發送的圖像數據大小在15K-40K之間，為減少和糾正無線傳輸過程中的誤碼，需要對數據進行分包和校驗處理，采用高斯移頻鍵控調制GFSK來進一步降低通信誤碼率，提高接收靈敏度。數據通信包格式如下：

本無線節點采用同步傳輸模式，以0x2EE2作為同步標志碼，傳輸完同步字后才開始傳輸有效數據載荷。接收端在檢測到同步字后才開始接收數據。當SI4432檢測到0x2EE2這個同步字后，使能接收功能，數據開始接收，對接收到的數據包里的設備地址與自身地址進行匹配比對，如果與自身地址ID號相等，則繼續接收余下的數據包。

四、LABVIEW圖像識別與處理

LABVIEW是由美國國家儀器（NI）公司研制開發的圖形化編程語言，LABVIEW的Vision軟件包專門用于圖像識別、機器視覺領域。在實際條件下，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，在本系統中使用LABVIEW軟件通過圖像處理技術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據的接收、預處理、識別、存儲[2]。表具圖像識別與輸出過程如下所示：

LABVIEW負責接收圖像讀取設備發送過來的十六進制圖像數據流，由LABVIEW將數據流轉換成JPEG文件并保存到臨時內存中。再由VISION函數庫中的平滑去噪函數濾波。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行微分將產生高值，銳化邊緣，在數字圖像中用差分代替微分運算，將圖像轉換成黑白兩色，再對圖片分割、模型進行比對，自動生成當前表具數值。

五、結論

圖像直讀抄表具有直觀、簡單、準確的特點。上述也僅僅是在遠程抄表技術中的一種應用，除此之外還可以廣泛應用在各種不具備遠傳功能的顯示器具上，不僅可以遠傳數字，也可以遠傳各種文字、符號， 是物聯網技術的一種延伸和拓展，有很大的應用空間。