文｜鄭州楷源儀表有限公司 申峰

水表作為供水貿(mào)易結(jié)算的主要計(jì)量?jī)x表之一，準(zhǔn)確與否，成為供水企業(yè)與用戶(hù)關(guān)注的焦點(diǎn)。機(jī)械水表的普遍使用，使得現(xiàn)行抄表收費(fèi)大多是人工抄表、人工收費(fèi)和結(jié)算，效率低、差錯(cuò)率高，已不適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)管理的要求。

提高水表抄表系統(tǒng)的智能化、信息化勢(shì)在必行。由于互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式硬件的小型化、計(jì)算機(jī)性能的提高和開(kāi)源的視覺(jué)算法庫(kù)，現(xiàn)代的智能抄表系統(tǒng)已經(jīng)向集采集、識(shí)別、收費(fèi)管理于一體的綜合系統(tǒng)，大大降低了勞動(dòng)力、人為誤差同時(shí)提高了智能型和準(zhǔn)確度。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外自動(dòng)抄表系統(tǒng)有基于總線制、IC卡式與無(wú)線遠(yuǎn)傳抄表系統(tǒng)。其中無(wú)線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳在表具上加載無(wú)線發(fā)射裝置，這種裝置不用敷設(shè)線路，逐步成為主流。但是，智能水表的維護(hù)和后期的處理也存在一系列問(wèn)題。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1、智能抄表裝置設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

擬采用Windows的服務(wù)器進(jìn)行上位機(jī)控制，下位機(jī)手持式抄表終端完成圖像采集與遠(yuǎn)傳，采集到的圖像在服務(wù)器端進(jìn)行圖像識(shí)別處理，在PC客戶(hù)端進(jìn)行用戶(hù)和數(shù)據(jù)管理。上位機(jī)管理軟件采用MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)具有體積小、速度快、總體擁有成本低和開(kāi)放源碼的特點(diǎn)，結(jié)合Qt應(yīng)用框架構(gòu)成C/S架構(gòu)的水表管理系統(tǒng)。圖1所示為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。

1.2 抄表裝置的硬件選型

1.2.1 4G通訊模塊

EC20通訊模塊是一款支持PCI Express Mini Card 標(biāo)準(zhǔn)接口的LTE模塊，支持最大下行速率150Mbps和最大上行速率50Mbps，兼容EDGE和GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，確保在缺乏3G和4G網(wǎng)絡(luò)的偏遠(yuǎn)地區(qū)也能工作，也包含GPS北斗定位和TTS語(yǔ)言等。

1.2.2 處理芯片的選用

由于抄表裝置在獲取數(shù)據(jù)沒(méi)有實(shí)時(shí)處理的要求，同時(shí)不需要高性能與大量數(shù)據(jù)運(yùn)算，故選用的處理芯片型號(hào)是STM32F407VET6，可以滿足終端系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水表表盤(pán)圖像的采集任務(wù)。

1.2.3 攝像頭的選用

攝像頭是將采集的圖像用于后期圖像識(shí)別的電子器件。一種為電荷耦合器件CCD，CCD成本高，靈敏度高，分辨率高，噪聲低，另一種為CMOS圖像傳感器相對(duì)與CCD存在一些缺陷，但是CMOS圖像傳感器體積小且成本低、滿足手持要求，工作電壓為3.3V、相對(duì)于CCD功耗小很多，所需的外圍電路比較簡(jiǎn)單，因此本系統(tǒng)選擇CMOS圖像傳感器當(dāng)作圖像采集單元。

1.2.4 液晶屏選用

來(lái)自德國(guó)的Siempelkamp(辛北爾康普)，這是一個(gè)代表質(zhì)量的名字。辛北爾康普能生產(chǎn)用于制造刨花板、MDF、OSB、CSL等人造板的成套設(shè)備，包括前端技術(shù)、燃燒能力為10到100MW的能源工廠、分選器、干燥機(jī)、成型和壓機(jī)線、帶儲(chǔ)存、鋸切和處理技術(shù)的后處理線，整個(gè)自動(dòng)化和可視化技術(shù)，以及所有核心部件。ContiRoll?第9代連續(xù)壓機(jī)，能以高達(dá)2 500 mm/s的速度連續(xù)運(yùn)行，是國(guó)際一流的成型和壓機(jī)生產(chǎn)線。辛北爾康普擁有令人信服的質(zhì)量保證。

由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要人機(jī)交互，才能采集符合圖像識(shí)別所需的圖像，因此需要一塊液晶屏。采用3.5寸TFTLCD 電阻式觸摸模塊，480×320分辨率、視角廣、顯示細(xì)膩、不刺眼和16位顏色深度色彩還原度好。

2、水表圖像的數(shù)字和二維碼識(shí)別

圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，為設(shè)備的智能化提供了技術(shù)支持，將圖像識(shí)別技術(shù)運(yùn)用到水表的字輪度數(shù)和二維碼識(shí)別，能提高售水管理的信息化和避免原先人工抄表的各種弊端。

2.1 圖像識(shí)別方案

根據(jù)手持式攝像智能抄表的總體設(shè)計(jì)方案，攝像頭把采集的水表圖像通過(guò)STM32控制EC20通訊模塊傳輸?shù)絎indows系統(tǒng)的服務(wù)器中進(jìn)行圖像的識(shí)別處理后將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)中。字輪數(shù)字識(shí)別流程圖如2圖所示。

2.2 圖像預(yù)處理

圖像在采集的過(guò)程中難免會(huì)在拍攝的時(shí)候受到水表長(zhǎng)期使用的灰塵、光線不均勻等因素造成識(shí)別難度的增加，所以為了提高準(zhǔn)確度需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，減少不確定因素的影響。

2.2.1 圖像灰度化

由于OV2640攝像頭采集的圖片是16位色的BMP文件，需要先將16位位圖轉(zhuǎn)換為8位位圖的灰度圖像，然后再進(jìn)行后面的圖像預(yù)處理。水表識(shí)別度數(shù)算法是基于圖像幾何特征進(jìn)行分析，對(duì)圖像的彩色信息不感興趣而且灰度圖像比彩色圖像節(jié)省三分之二的內(nèi)存，可以大大提高圖形處理運(yùn)行時(shí)間。系統(tǒng)圖像灰度化采用加權(quán)平均值法，計(jì)算如式（3-1）：

圖2 字輪數(shù)字識(shí)別流程圖

2.2.2 直方圖均衡化

采集的水表圖像，由于受到LED和自然光的不均勻光照，造成圖像亮度分布不均勻的效果給后續(xù)處理帶來(lái)極大的困難。需要調(diào)整圖像灰度值使整張圖像灰度值分布均勻，突出感興趣區(qū)域?；叶壤斓挠?jì)算公式如式（3-2）：

2.2.3 圖像濾波去噪

圖像采集終端在拍照，遠(yuǎn)傳的過(guò)程中會(huì)受到噪聲的干擾，比如高斯噪聲和椒鹽噪聲。本系統(tǒng)采用高斯濾波，特別適合高斯噪聲的過(guò)濾會(huì)產(chǎn)生邊緣模糊但對(duì)感興趣區(qū)域沒(méi)有影響，二維高斯函數(shù)如式（3-3）：

2.2.4 圖像二值化

圖像二值化是灰度圖像轉(zhuǎn)化為只有0或1的二值圖像，有利用后面圖像字輪區(qū)域的定位，利用Canny邊緣檢測(cè)算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，將圖像中的邊緣最大化的檢測(cè)出來(lái)，得到邊緣圖像，其中像素點(diǎn)值不為零點(diǎn)的構(gòu)成圖像的邊緣。

2.3 水表圖像字輪區(qū)的定位

對(duì)水表表盤(pán)中字輪區(qū)數(shù)字進(jìn)行識(shí)別，首先需要找出字輪在水表中的位置，然后進(jìn)行數(shù)字字符的提取和識(shí)別。但是水表表盤(pán)數(shù)字以外的區(qū)域仍然會(huì)對(duì)圖像字輪區(qū)域的定位產(chǎn)生干擾，因此利用霍夫圓檢測(cè)消除表盤(pán)以外區(qū)域的區(qū)域，然后利用霍夫直線及矩形輪廓檢測(cè)進(jìn)行字輪區(qū)域的定位。

通過(guò)水表區(qū)域的定位，此過(guò)程將水表中的數(shù)字區(qū)域進(jìn)一步縮小，然后通過(guò)將區(qū)域中單個(gè)數(shù)字分割開(kāi)并利用模板匹配數(shù)字識(shí)別得到最后的度數(shù)。

2.4 數(shù)字字符的分割

通過(guò)水表區(qū)域的定位，此過(guò)程將水表中的數(shù)字區(qū)域進(jìn)一步縮小，然后通過(guò)將區(qū)域中單個(gè)數(shù)字分割開(kāi)并利用模板匹配數(shù)字識(shí)別得到最后的度數(shù)可以減少識(shí)別的難度和提高準(zhǔn)確度。采取將字符先分割開(kāi)，再分別識(shí)別的方案。

2.5 數(shù)字字符的識(shí)別

模板匹配對(duì)待識(shí)別的圖像或區(qū)域中的若干特征量進(jìn)行提取，再與模板中相應(yīng)的特征量逐一進(jìn)行比較，通過(guò)計(jì)算他們之間規(guī)格化的相關(guān)量找到其中相關(guān)性最大的一個(gè)即表示其間相似度最高，即可將圖像歸類(lèi)于相應(yīng)的類(lèi)。由于水表數(shù)字字符可能是完整的一個(gè)字符圖像，也可能是不完整的半字字符圖像，因此在識(shí)別處理過(guò)程分開(kāi)處理。先確定字符是整字字符還是圖像還是半字字符，分別使用不同的圖像識(shí)別算法進(jìn)行識(shí)別，最終將識(shí)別結(jié)果輸出顯示。

2.6 二維碼的識(shí)別

由于拍攝角度的問(wèn)題水表的二維碼圖像可能存在角度問(wèn)題，識(shí)別主要利用圖像處理的濾波、二值化、膨脹（腐蝕）操作、邊緣檢測(cè)、霍夫直線檢測(cè)、定位角點(diǎn)、反射變換校正和利用開(kāi)源軟件Zbar進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別流程圖3所示。

3、水表收費(fèi)管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水表收費(fèi)管理信息系統(tǒng)是后端用戶(hù)資料、用水統(tǒng)計(jì)和自動(dòng)結(jié)算的信息管理平臺(tái)，為供水部門(mén)提供智能化管理提供保障。整個(gè)系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)界面兩部份組成。

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是研究如何高效的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的技術(shù)，隨著對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展和演進(jìn)已經(jīng)發(fā)展為關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫(kù)，例如開(kāi)源的MySQL為數(shù)據(jù)庫(kù)的開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)，加快了研發(fā)過(guò)程減少不必要的重復(fù)勞動(dòng)。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用業(yè)界普遍采用的C/S（Client/Server）體系結(jié)構(gòu)模型，Client（客戶(hù)機(jī)）通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)信息，提供用戶(hù)的信息資料，用水情況和打印報(bào)表信息，Server（服務(wù)器）的功能主要是對(duì)采集的水表圖像進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)給客戶(hù)機(jī)提供處理后的數(shù)據(jù)信息。如圖4 C/S架構(gòu)。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用開(kāi)源的MySQL，具有體積小、速度快、成本低與開(kāi)放源碼等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)可以分為需求分析、概念設(shè)計(jì)、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。

圖3 二維碼識(shí)別流程圖

圖4 C/S架構(gòu)