基于計算機視覺的家庭清潔系統設計

劉昱岑 重慶大學 重慶沙坪壩 400044

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基于計算機視覺的家庭清潔系統設計

劉昱岑 重慶大學 重慶沙坪壩 400044

【文章摘要】

中國經濟的快速發展，加快了人們的生活節奏，同時也帶來了快節奏生活與低效的傳統清潔方式的劇烈沖突，人們急需一種更為高效的家居清潔方式，而計算機視覺的興起給新型的家居清潔方式帶來了可能。

【關鍵詞】

計算機視覺；家庭清潔系統；圖像處理技術

全球經濟高速發展，在給人們帶來了便捷、舒適的同時，給人們帶來更多的是快節奏生活的壓力。據調查結果可知，55.6%的40歲及以下市民認為自己的時間不夠用。在過去電子時代飛速發展的幾年里，世界范圍內平均睡眠時間有了顯著的下降，在我國，國民平均睡眠時間與五年前相比減少了一個小時。在大多人都處于睡眠不足的情況下，調查結果卻顯示平均每人花費2-2.5個小時用于做家務。無窮無盡的家務讓現代人更加疲憊的同時更壓縮了人們社交、娛樂、休息的時間。即便人們逐漸樹立起請家政人員從事家庭清潔活動的觀念，可如今全國家政市場人員嚴重短缺，以昆明為例，每年光在非春節時期就有40%的缺口，到了春節時期人員短缺的形式更為嚴峻。在嚴峻的家政市場中，高空清潔的缺口是最大的。近些年來，平均每年有上百起高空玻璃擦洗事故發生，這深刻的顯示了落后低效的傳統清潔方式與快節奏生活的劇烈沖突，人們急需從繁雜、無盡的家務清潔中解脫出來。

社會發展到今天，家庭空巢成為中國老人居住的主要方式。中華人民共和國國家統計局2005年全國1%抽樣調查報告顯示我國65歲以上的人口占總人口的7.69%，按照國際標準我國已經進入老年型社會。然而在老年人身體脆弱、行動不便的情形下，傳統清潔的方式給老人的生活帶來了更多的隱患，考慮我國人口老齡化、獨居老人的社會問題和一些行動不便的殘疾人的需要，再考慮到落后、低效的清潔方式給人們帶來的疲憊與不便，基于計算機視覺的家庭清潔系統越發具有重要意義。

1 國內外家庭新興清潔工具的研究現狀

自上個世紀八十年代起，美日韓及歐洲各國都開始致力于清潔機器人的研究、開發和生產。如今國外的研究者已經能夠輕松實現清潔機器人對環境的識別技術和自主充電的功能。在國外學者對清潔機器人進行研究的同時，近幾年來，我國的一些企業也開始了相關的研究，并成功的研制出了自己的清潔機器人。由于高空玻璃擦洗事故頻繁發生，我國政府也逐漸重視起對家庭清潔機器人的研究，加大了對這方面的經濟、人才投入。自2008年起，我國每年都會舉行如《高空清洗技術研討會》、《WAHT2012中國(北京)國際高空作業機械、安全防護用品及清洗設備展覽會暨論壇》的用于探討高空清潔發展狀況的研討交流會，并鼓勵更多的人才參與到這些項目的研發。也正是由于國家的大力支持，我國對于清潔機器人的研發技術也取得了突飛猛進的成績。比如在傳感器方面，我國能夠通過CCD攝像機、超聲波傳感器、紅外線傳感器等多種技術，實現對機器人的視覺導航定位、目標識別和地圖構造。而在路徑規劃方面，我國也能夠通過視圖法、自由空間法和柵格法等環境建模方法，利用隨機和局部遍歷規劃相結合的技術產生清掃路徑。

雖然中國乃至世界多個國家都致力于對家庭清潔工具的研究，但這類產品的應用存在著明顯的缺陷，如今的清潔工具主要分為兩類，一類是簡單的清潔工具雖然造價便宜、易于掌握但清潔效率低下，花費時間長，高空清潔的簡單工具更是導致了一幕幕從高樓跌下當場身亡的人間慘案，根本無法滿足人們的需求。另一類是以清潔機器人為主的復雜清潔工具，這類清潔工具可以代替人類從事高強度的幕墻清洗，但是造價昂貴、研發時間強，難以走進尋常百姓家，短期時間內難以普及。

目前的除清潔機器人以外的清潔工具研究中沒有引入計算機視覺技術的先例，因此導致家庭清潔工具無法在實時監測的基礎上，自動進行清潔行為。

2 基于圖像處理技術的新型家用清潔系統

本文是基于圖像處理技術和Wi-Fi無線傳輸技術設計一種新型的家用清潔系統。本系統使用CCD攝像頭對玻璃進行圖像采集，將采集到的圖像數據發送到PC機，PC機利用后續編寫的圖像處理系統對圖像進行特征提取，并實現對是否需要進行清潔的判斷，并據此向清潔助手發出控制指令，再通過Wi-Fi無線通信傳輸的方式將控制指令發送給清潔助手，清潔助手收到指令后自發控制清潔助手進行系列清潔行為，整個過程無需人的參與，徹底實現了勞動力的解放。圖1為系統結構框圖，圖2為系統軟件流程圖。

3 清潔系統應用技術

3.1圖像識別技術

基于計算機視覺的家庭清潔系統中，圖像處理模塊主要是依靠數字圖像處理技術來完成的。數字圖像處理(Digital image processing)就是利用計算機對圖像進行預處理、特征提取、數據分析、圖像識別等操作，達到增強圖像、提取圖像特征和識別特征圖像的目的，實現對玻璃清潔程度的判斷。數字圖像處理技術主要包含以下幾個方面的內容：

1)圖像預處理：運用基本的圖像增強方法，減少圖像受到的影響，強化圖像特征。

2)特征提取：提取預處理后的圖像信息，將圖像特征數據化。

3)數據分析：分析特征數據，為圖像識別提供一種判斷標準。

4)圖像識別：運用已定的標準識別玻璃的清潔程度。

3.2Wi-Fi無線傳輸數據

在PC機發出指令到清潔助手開始工作的過程中，數據傳輸方式的選擇成為了另一個重點。相比有線數據傳輸技術,無線數據傳輸技術具有更大的靈活性，故而近些年來無線技術得到了較快的發展。如今的無限數據傳輸技術主要包括Wi-Fi無線數據傳輸技術、ZigBee技術、藍牙(Bluetooth)技術。在綜合分析各種無線技術的特點之后,我們發現相比于其他無線傳輸技術，Wi-Fi技術具有傳輸數據快、傳輸距離遠、可移動性強和價格低廉的優勢.具體如下：

1)傳輸速率上,盡管三者都工作在2. 4 GHz的頻段,但Wi-Fi的傳輸速率能達到11Mbit/ s,而藍牙和ZigBee一般只能達到1Mbit / s和250 Kbit / s。

2)傳輸距離上Wi-Fi的覆蓋半徑可以達到100m遠遠強于其他無線AP ( access point)

3)WiFi技術支持無線組網,只要設置一臺有效距離的無線AP ( access point) ,就可允多臺PC對其進行訪問;藍牙只能用于點對點連接; 而ZigBee在組網復雜時,其傳輸速度會受到很大限制。

因此,我們決定選擇Wi-Fi技術來實現無線通信。Wi-Fi技術主要包括以下幾個方面：

1)Wi-Fi模塊的啟動：對模塊進行初始化處理，再使用主程序調用函數來查詢Wi-Fi狀態，通過改變電平的啟動Wi-Fi模塊。

2)與PC機進行數據傳輸：模塊使用內部集成了嵌入式 TCP / I P協議棧, 支持主流的常用協議, 如 ARP 、ICMP 、TCP 、UDP 、DHCP , 可以向用戶提供透明的UART 和 SP I數據傳輸。

3)數據封裝成數據幀：將協議數據單元封裝在一組協議頭和尾中，使的無線通訊實現模塊化并易于管理。

4)數據通過WLAN傳輸給微處理器：微處理器接收數據驅動清潔助手工作。

4 結語

基于計算機視覺的家庭清潔系統，是一種基于圖像處理技術的自動控制清潔工具的系統。這種系統改變了傳統的人主動對房屋進行清潔的模式，通過圖像處理技術，自動判斷房屋是否需要清潔并控制清潔器具的開關，達到自動完成房屋清潔的效果，整個過程無需人的參與，真正做到方便快捷。

【參考文獻】

[1]姜莉. 基于WiFi室內定位關鍵技術的研究[D].大連理工大學,2010.

[2]黃向驥. 基于CC2430的無線智能家居系統的設計[D].武漢理工大學,2010.

[3]王娟. 基于ZigBee無線傳感網絡的智能家居系統設計與實現[D].東華理工大學,2013.

[4]李曉陽. WiFi技術及其應用與發展[J].信息技術,2012,02:196-198.

劉昱岑（1995.01.08），女，漢，河南，本科，重慶大學。

圖1　系統結構框圖

圖2　系統軟件流程圖

【作者簡介】