基于機器視覺的智能抄表系統設計

侯建勤

(上海工業自動化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

工業領域中存在大量的儀表。這些儀表時刻監控著生產制造的各個環節。傳統抄表方法采用人工抄表，存在以下問題：成本高、頻次低；設備運行狀況難以實時跟蹤監控；效率低、錯誤率高，安全難以保證；部分儀表抄表困難。此外，一般車間儀表數量較大，如果將車間儀表全部更換為智能數字儀表不但成本高昂，而且會影響現有的生產。為此，設計一套低成本、大連接、靈活有效的智能無線視覺抄表系統是非常有必要的[1]。

本文所設計的基于機器視覺的智能抄表系統可以定時采集表盤信息，并采用機器視覺[2-4]、大數據處理與分析以及多種輔助分析模型等技術對數據進行識別和分析。當數據出現異常時，系統以短信的形式將數據推送給用戶，以保證工廠安全、可靠運行。該系統無需布線、停機，即安即用；可賦能各種高危高難度抄表，適應各種惡劣環境。

1 系統總體架構設計

窄帶物聯網(narrow band-Internet of Things,NB-IoT)基于長期演進(long term evolution,LTE)蜂窩移動網絡技術， 具有低成本、低功耗、大連接、廣覆蓋[5-7]等優勢，非常適合智能物流、智慧抄表等低速物聯網應用領域。考慮到工廠儀表比較分散且布線困難，為了保證儀表安裝的靈活、方便，本文采用NB-IoT無線通信技術作為數據傳輸網絡,借助于運營商的基站，將數據快速、靈活地接入云端。

智能抄表系統架構如圖1所示。

圖1 智能抄表系統架構圖Fig.1 Intelligent meter reading system architecture diagram

智能抄表系統由感知層、通信層、物聯網(internet of things,IoT)平臺層、應用服務層和用戶層[8]組成。第一層為感知層，主要為智能視覺抄表終端，負責采集表盤的信息，并將信息上傳給通信層的NB-IoT基站。第二層為通信層，主要承擔感知層NB-IoT設備無線空口接入的任務，并與IoT核心網絡連接。核心網絡可以利用控制面板以及用戶端優化銜接，調整流量大小，避免出現信息擁堵，其安全性優于普通網絡[9]。第三層為中國電信IoT平臺層，負責匯入IoT的相關數據，并根據不同感知的數據類型轉發給相關的應用層。第四層為應用服務層。智能抄表系統布署在云端，向用戶提供用戶管理服務、數據趨勢服務、終端管理服務、安裝綁定服務、儀表讀數服務、告警與報表服務等應用程序(application program interface,API)接口。第五層為用戶層。用戶可以使用桌面的Web瀏覽器、手機應用(application,APP)、微信小程序和工廠電子看板查看儀表讀數。

2 管理平臺功能設計

智能抄表系統管理平臺的應用服務布置在云端，采用目前流行的spring cloud微服務解決方案。該方案將復雜的應用解耦為數據通信解析、視覺識別處理、客戶應用、系統管理等單獨服務，從而更高效地分配及擴展計算資源。其開發布署更加靈活，布署拓展也可獨立開展。其中，數據解析服務采用高性能的網絡通信框架Netty與硬件進行交互，大大提升了系統的并發量和網絡傳輸性能。平臺采用前后端分離設計，使用git工具進行代碼和版本的管理，使模型迭代更新更加迅速。其應用服務和數據存儲實行分離設計，使外網不能直接訪問到數據服務器，因而數據安全可靠。

管理平臺主要功能包括用戶管理服務、終端管理服務、數據趨勢服務、安裝綁定服務、儀表讀數服務、告警與報表服務。用戶管理服務根據賦予的權限不同，訪問的范圍也有所不同。數據趨勢服務主要以折線圖或者柱狀圖的形式展現感知層感知的表盤數據情況。終端管理服務主要是對感知層設備的狀態、信號、流量、使用流量和使用期限進行管理。安裝綁定服務主要實現對感知層設備的綁定，包括模板名稱、類型、系列號等信息。儀表讀數服務主要實現讀取感知層感知的儀表表盤圖像、數據識別以及感知終端的信號質量、拍攝時段、拍攝亮度和拍攝頻率等信息。告警與報表服務主要實現對發生的事件進行告警提醒，并顯示告警類型、告警信息、日期、時間和設備位置，以及對識別分析的表盤信息以報表形式進行查詢和打印。

3 系統感知層設計

系統的感知層為智能視覺抄表終端，負責表盤信息的采集，是智能抄表系統的關鍵技術之一。其設計主要包括三部分，分別為外殼結構設計、電路板硬件設計和軟件設計。

3.1 外殼結構設計

考慮到現場安裝環境比較復雜、布線困難，視覺抄表終端采用電池和無線通信。外殼結構設計包括電路板主倉、背蓋板、電池倉、安裝支架。其中，電路板主倉主體設計有拍攝孔、燈光孔。攝像頭由專門的固定裝置固定在電路板主倉上，保證攝像頭與拍攝設備成平行平面。主倉材料采用專門的透明材料，以保證燈光的透光率。背蓋板上預留有天線的安裝孔和產品相關的標識。電池倉里面可放置1塊19AH的鋰亞電池，以保證電池的續航能持續1年。為了更好地適應現場防水、防塵及振動場景，電路板主倉會經過注膠處理，以確保電路板整體保護在密封膠內。

3.2 電路板硬件設計

視覺抄表終端的電路板硬件設計主要包括電源模塊、圖像采集模塊、電池電壓采集模塊、微控制單元(micro control unit,MCU)模塊、調試模塊和NB-IoT通信模塊。視覺抄表終端原理如圖2所示。

圖2 視覺抄表終端原理框圖Fig.2 Block diagram of visual meter reading terminal

①電源模塊設計。

電源模塊主要包括兩部分，即供電電源和電源管理，整體實現視覺抄表終端的能量供給和電源分配管理。為了降低更換頻次，本文在設計的時候選擇低功耗的器件。供電電源采用放電緩慢、容量大的一次性鋰亞電池。電源管理模塊為終端設備的各個模塊進行供電。為了保證設備的電源持久耐用，電源管理模塊全部選擇超低功耗RT9080系列的低壓差線性穩壓器(low drop-out linear regulator,LDO)芯片。該芯片具有2 μA的超低靜態電流、0.1 μA的關斷電流、500 mA最大輸出電流。同時，針對攝像頭、功耗比較大的通信模組等器件，模塊采用單獨電源控制方案。當MCU處于休眠狀態下，系統關閉攝像頭、通信模組的電源，從而盡可能地省電。同時，閃光燈可以單獨提供脈沖寬度調制(pulse width modulation nare,PWM)波以控制其亮滅，在拍照完成的情況下關閉閃光燈。

②圖像采集模塊設計。

圖像采集模塊是終端設備的核心，也是實現智能抄表的關鍵。該模塊體積小、電壓低，內置數字信號處理(digital signal processing,DSP)單元，且價格較低，非常適合嵌入式產品的開發。模塊在設計時采用3.3 V電源，經過2路LDO降壓處理，可提供1.5 V和2.8 V的電源，分別為模組內部的模擬電路和數字電路供電。模塊經過1路有源晶振，給攝像頭提供12 MHz時鐘信號。考慮到拍照時攝像頭與表盤平行，擬對攝像頭的外形進行定制，從而將其固定在外殼上。

③電池電壓采集模塊設計。

電池電壓采集模塊采用電阻分壓的原理，通過MCU內置的12 bit 模數轉換器(analag-to-digital converter,ADC)轉換電路采集電池的電量。

④MCU模塊設計。

為了滿足產品低功耗設計需要，MCU模塊采用STM32L4系列芯片。這是一款帶浮點運算器(floating point unit,FPU)內核的超低功耗單片機。Cortex-M4內核具有512 KB Flash、128 K RAM資源，在STOP2模式實時時鐘(real-time clock,RTC)運行的情況下功耗為1.4 μA、D指令集，支持12 Bit ADC，以及3路集成電路總線(inter-integrated circuit,IIC)、6路通用異步收發傳輸器(unirersal asynchronais receiver transmitter,UART)、3路串行外設接口(serial preripherall interface,SPI)等。

⑤調試模塊設計。

調試模塊包括串行調試(serial wire debug,SWG)程序模塊和串口監視模塊兩部分。設備運行時，串口監視模塊可以顯示設備運行的相關信息，包括設備的版本號、NB信號、拍照等相關信息，從而診斷設備情況。

⑥NB-IoT通信模塊設計。

NB-IoT通信模塊主要給平臺端提供通信服務。由于本次設計要兼顧戶外和振動場景需求，所以在設計中采用內置Esim卡的NB模組作為本次設計的通信模組。硬件設計考慮到模組的電平電壓為1.8 V，而MCU端的電壓為3.3 V，為了使兩邊的電平統一，在MCU端與模組端之間加了電平轉換電路。同時，電路中也設計了三極管轉換功能，以實現MCU端與模組端更好的通信。

3.3 電路板軟件設計

視覺抄表終端軟件流程如圖3所示。

圖3 視覺抄表終端軟件流程圖Fig.3 Visual meter reading terminal software flowchart

視覺抄表終端的電路板軟件自設備上電后，讀取配置區，獲取終端相關參數信息，包括服務器的IP地址、端口號、照片尺寸、閃光燈亮度等參數，并根據IP地址和端口號連接平臺端，同時發送鑒權請求指令。平臺端根據系統固件更新需求和用戶要求反饋信息給視覺抄表終端。視覺抄表終端進行固件設備升級或者參數調整，并按照調整后的信息拍攝照片上傳給平臺端。上傳完畢之后，視覺抄表終端進入休眠狀態，等待下一次的喚醒。

為了后續能靈活地實現遠程程序更新，本研究設計了空中下載技術(over-the-air technology,OTA)升級模塊。OTA升級模塊由BootLoad、APP、APP配置區組成[10]。APP的指令支持從平臺獲取最新版本的固件，并寫入OTA區域。在對新的固件校驗成功之后，APP更新固件升級標志位置，返回BootLoad。BootLoad將OTA區的固件寫入APP段，并跳轉至APP，從而實現固件升級。

OTA升級模塊流程如圖4所示。

圖4 OTA升級模塊流程圖Fig.4 OTA upgrade module flowchart

4 結論

本文設計的基于機器視覺的智能抄表系統性能穩定、效率高[11]、可擴展性好，能夠按照用戶需求定時上傳表盤信息，還能對上傳信息進行實時識別和分析，對超過閾值的數據進行預警提示，并以短信的形式發送給用戶。這將避免不必要的經濟損失，保證工廠安全、經濟運行。視覺抄表終端的認證測試結果表明，設備的防護等級可高達IP68，適應各種戶外復雜場景；設計的多場景安裝支架，為用戶提供一站式的解決方案，保證了現場更大范圍的推廣應用，將助力企業能源管理的數字化轉型。