基于圖像識別的車牌識別系統設計

楊蒙蒙，鄧三星，劉越奇，李克強，呂勇杰

（黃河交通學院 河南省智能制造技術與裝備工程技術研究中心，河南焦作，454950）

0 引言

隨著中國汽車數量逐年增加，智能交通成為當前科研研究的熱點，其中人工智能技術和圖像識別技術得到快速發展。車牌智能識別技術在智能停車場收費管理、小區門禁管理等領域有廣泛的應用[1~2]。通過單片機控制技術和圖像識別技術結合，設計一種基于OpenMV的車牌識別系統，通過OpenMV 模塊進行車牌圖像準確識別，并能夠進行語音播報，且能通過OLED 模塊顯示車輛入場的計時提示、出場的繳費提示，從而達到車牌識別系統智能控制的目的。

1 系統硬件電路設計

■1.1 設計思路

車牌識別系統的硬件部分由主控芯片STM32F103、OpenMV 模塊、OLED 顯示模塊、語音模塊以及電源等模塊構成。系統通過攝像頭進行車牌圖像采集，然后由主控芯片STM32 進行圖像處理，輸出識別結果。單片機根據識別結果計算停車時長以及費用，并驅動語音模板播報數據，最后將檢測數據實時顯示在OLED 中。

■1.2 最小系統設計

車牌識別系統的單片機最小系統由STM32F103C8T6芯片和相應的外圍電路組成。STM32F103C8T6 芯片是由2.0~3.6 V的直流電壓供電[3]。該芯片是STM32 系列64位引腳和128K flash，采用單線串行輸出，以及JTAG 接口方式，具極高性能、極低價格、極低功耗等優點。晶振電路是單片機運行的一個重要因素。由于晶振電路的頻率穩定性極好，而且這類電路能有效抵御外界因素的不利干擾，所以我們通常選擇晶振電路來產生系統參考頻率。使用晶振電路產生的頻率可以保證其頻率精度。

STM32F103C8T6 單片機最小系統包含1個8MHz 晶振、2個22pF 電容等，它是維持系統正常穩定運行的基本電路。電路組成如圖1所示。

圖1 STM32最小系統電路圖

■1.3 OpenMV 車牌識別模塊

車牌識別系統的圖像識別模塊選用OpenMV，它是一款小巧，低功耗，低成本的攝像頭模塊[4]，其主要應用于機器視覺領域。其核心為STM32F427，在緊湊的硬件模塊上，集成OV7725 攝像頭芯片，可采用C 語言高效實現機器視覺算法[5]。OpenMV 使用的STM32F427 硬件資源豐富，可 提 供UART、I2C、SPI、PWM、ADC、DAC、GPIO 接口，擴展外設功能比較方便[6]。USB 接口用于將OpenMV IDE連接到計算機，以提供編程幫助、調試和固件升級。

■1.4 顯示模塊

車牌識別系統的顯示模塊采用OLED12864 模塊，用于車牌信息、停車計時與計費信的顯示。OLED12864 顯示器分辨率為128×64, 屏幕尺寸為0.96 寸[7]。單片機系統地將控制電平信號輸入給顯示模塊中控制其顯示的內容，且該系統都由這種方式將所產生的數據顯示在這些模塊上面。OLED12864 液晶顯示屏原理圖如圖2所示。

圖2 顯示模塊電路圖

■1.5 語音播報模塊

車牌識別系統識別車輛車牌信息后，經常需要在車輛進出的時候需要播放特定的語音信息。因此本系統需要選擇一款性價比超級高，播放語音的音質特別好的語音播報的模塊，系統通過串口控制且有4 路通道，電壓范圍8 ～24V的喇叭。語音播報模塊電路如圖3所示。

圖3 語音播報模塊電路

2 系統軟件設計

■2.1 主程序設計

系統開機后，首先初始化數據，基于STM32 和OpenMV 對車牌信息進行相應的識別工作。如果檢測到信號，就通過AD 轉換傳遞給單片機處理，然后驅動語音模塊播報入場信息，單片機刷新OLED，完成車牌號顯示。當第一次識別到車牌號，判定為車輛入場，開始計時，并語音播報：“你好，歡迎停車”。第二次識別到車牌號，判定為出場，停止計時，并將停車時長顯示在OLED 顯示模塊上，并將停車費用顯示在OLED 屏上，同時語音播報：“一路順風，歡迎下次光臨”。系統主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統主程序流程圖

■2.2 子程序設計

圖像識別程序通過OpenMV 對車牌的圖像信息進行拍攝以及識別，識別結果經過模塊處理傳輸至單片機進行判斷，執行的過程如圖5所示。OLED 顯示程序設計主要是按照OLED的操作來進行程序編寫，即按照寫指令、寫數據，寫地址的方式對需要寫入的數據依次進行寫入。設計語音播報模塊，根據單片機處理識別結果之后驅動模塊進行對應的入場、出場語音播報。

圖5 OpenMV數據采集子程序流程圖

3 系統調試

■3.1 軟件調試

編程軟件選擇Keil 4 軟件，采用C 語言進行編程。首先編寫車牌識別系統設計代碼，然后在Keil 4 軟件進行代碼編譯并調試，對出現的異常情況進行排查，編譯成功將.hex文件下載至單片機，對程序燒錄，最后進行OpenMV、語音播報模塊、顯示傳感器子程序調試。觀察車輛的入場和出場是否能夠正確獲取數據，驅動語音模塊進行響應播報。程序編譯效果如圖6所示。

圖6 編譯效果圖

主要源程序如下：

#include "sys.h"

#include "delay.h"

#include "FreeRTOS.h"

#include "task.h"

#include "stdio.h"

#include "sys_cfg.h"

#include "log/log.h"

#include "sys_boot.h"

//任務句柄

TaskHandle_t StartTask_Handler;

//任務函數

void start_task(void *pvParameters);

TaskHandle_t LED0Task_Handler;

//任務函數

void led0_task(void *pvParameters);

int main()

{

HAL_Init(); //初始化HAL庫

HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYG ROUP_4);

Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9);//設置時鐘,72M

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();

__HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE();

__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();

__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();

__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();

__HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE();

//使能I/O 復用時鐘 //使能ADC1 時鐘

delay_init(72); //初始化延時函數

log_init();

sys_boot(); /*系統啟動*/

return(1);

}

void start_task(void *pvParameters)

{

taskENTER_CRITICAL(); //進入臨界區

vTaskDelete(StartTask_Handler);

//刪除開始任務

taskEXIT_CRITICAL(); //退出臨界區

}

//LED0 任務函數

void led0_task(void *pvParameters)

{

float dis = 0;

while(1)

{

printf("1111");

vTaskDelay(1000);

}

}

■3.2 硬件調試

系統首先利用OpenMV 通過對大量車牌圖像樣本進行訓練，生成模型，提高系統對車牌圖像的識別效率和正確率。模型訓練好之后，將OpenMV 模塊對準測試的車牌號就可以進行識別。訓練測試效果如圖7所示。

圖7 訓練測試效果圖

利用OpenMV 對車牌圖片訓練過程中，識別到某個字符時，拉高相應OpenMV 引腳的電平。STM32 單片機在檢測對應引腳電平過程中，檢測某引腳為高電平，判定為識別到對應的車牌，然后由主控芯片向OLED12864 顯示模塊發出指令，顯示車牌信息。

具體識別過中，首先對車輛進行進場識別，OpenMV正確識別車牌信息后，OLED12864 顯示模塊顯示歡迎停車與車牌信息，如圖8所示。

圖8 車輛進場識別效果圖

車輛出場時，OpenMV 再次對車輛信息進行出場識別，正確識別車牌信息后，OLED 12864 顯示模塊顯示停車時長，并自動計算費用，如圖9所示。

圖9 車輛出場識別效果圖

4 結語

仿人機器人的步態行走設計，利用STM32 單片機來控制開源舵機控制器，進而操作舵機，完成仿人機器人的行走、轉彎、翻滾動作，可實現在線調試與脫機運行，動作相對穩定、姿態標準。仿人機器人脫機調試時，能夠做到斷開與上位機的連接后，脫機自動運行編寫好的動作組文件，各模塊配合運行平穩，舵機角度可無級調節、扭矩大，能勝任一些較復雜動作，動作運行流暢，但是也存在一些問題，例如受限于電池包的重量體積等，故機器人續航時間較短，不能連續長時間運行，這些都需要在后期的改進中逐步優化，本設計為國內外相關仿人機器人的研究提供了一些借鑒。

基于圖像識別的車牌識別系統利用OpenMV 模塊和STM32F103C8T6 單片機，完成圖像識別硬件電路設計和軟件流程設計，通過大量車牌樣本數據的訓練，得到訓練模型，能夠實現車輛進場和出場的快速車牌識別，并通過設計語音播報模塊進行語音播報提示，最后通過OLED12864 模塊顯示車輛停車時間，并可實現自動計費功能，初步實現車牌識別系統智能控制效果，為智能停車場提供參考案例。