儀器儀表數(shù)字圖像的識別及其應(yīng)用

摘要:本文針對儀器儀表應(yīng)用環(huán)境的實際情況，設(shè)計了數(shù)字圖像識別硬件平臺，采用STC12LE5A60S2單片機驅(qū)動圖像傳感器OV7670采集圖像，可減少由人為因素或傳感器干擾引起的數(shù)據(jù)錯誤，省去采集卡，節(jié)省了成本。通過無線通信，成功地將數(shù)字圖像識別技術(shù)應(yīng)用到了檢測環(huán)境中。經(jīng)過試驗，證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞:圖像采集;無線通信;STC12LE5A60S2;OV7670

引言

目前。儀器儀表被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)的測量系統(tǒng)中。但是，由于某些儀器儀表只是通過LCD、LED數(shù)碼管或者表盤來顯示數(shù)值，并沒有提供數(shù)據(jù)傳送的接口。因此很難實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集以及保證數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性，難以滿足對測量系統(tǒng)工作自動化的要求?，F(xiàn)如今，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，對測量系統(tǒng)的管理也從人工監(jiān)管方式逐步向自動管理方式轉(zhuǎn)變。為了提高系統(tǒng)的工作效率，需要對測量系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，控制中心要快速、準(zhǔn)確、自動獲取所需數(shù)值，這是急需解決的問題。

為了使系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)控制功能，筆者設(shè)計出基于數(shù)字圖像的儀器儀表讀數(shù)識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單片機控制圖像傳感器自動讀取儀器儀表的數(shù)字圖像，經(jīng)過圖像處理和圖像識別技術(shù)、將識別結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，傳送至控制中心。由控制中心對采集數(shù)據(jù)進行綜合管理，從而真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和對系統(tǒng)控制的自動化。

數(shù)字圈像識別系統(tǒng)

儀器儀表數(shù)字圖像采集系統(tǒng)主要組成部分有單片機、圖像傳感器、LCD顯示器、無線收發(fā)模塊以及數(shù)據(jù)存儲器。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。單片機作為系統(tǒng)的控制核心，控制圖像傳感器采集儀器儀表數(shù)字圖像，將儀器儀表圖像數(shù)據(jù)存儲在擴展的外部數(shù)據(jù)存儲器中，利用數(shù)字圖像處理和模式識別技術(shù)讀取儀器儀表數(shù)字，通過無線收發(fā)模塊將儀器儀表數(shù)字發(fā)送到控制中心，控制中心可以直觀地顯示所采集的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理。

圖像采集電路

本設(shè)計中，儀器儀表圖像數(shù)據(jù)采集模塊選用的圖像傳感器是美國omnivision公司的彩色/黑白CMOS圖像傳感器OV7670，該傳感器可以通過I2C總線進行對其內(nèi)部寄存器進行配置，使得輸出數(shù)據(jù)速率、格式都可以得到改變，且輸出數(shù)據(jù)已經(jīng)做完分離，處理起來相對也比較容易。基于功能的實現(xiàn)和價格兩方面的考慮，本設(shè)計最終決定選取該型號圖像傳感器作為圖像數(shù)據(jù)采集的核心器件。

由于OV7670圖像傳感器的工作電壓為2.45V到3V，對外部工作時鐘頻率在10MHz到48MHz，因此控制芯片選用宏晶科技的單時鐘/機器周期的STC12LESA60S2單片機。該單片機工作電壓在2.2v到3.6V，能夠和OV7670圖像傳感器理想匹配，工作頻率在0～35MHz，且內(nèi)部含有波特率發(fā)生器，最大可以產(chǎn)生12MHz的方波，該信號可以作為OV7670圖像傳感器的外部工作時鐘，也滿足了OV7670圖像傳感器對工作時鐘頻率的要求。圖像采集硬件電路圖如圖2所示。

圖像傳感器的SDA和SCL分別為內(nèi)部寄存器配置數(shù)據(jù)線和時鐘線，單片機通過P1.2、P1.3模擬I2C總線對圖像傳感器內(nèi)部寄存器進行配置，使得圖像數(shù)據(jù)輸出為QvGA格式，在QvGA的基礎(chǔ)之上再次對輸出數(shù)據(jù)進行水平、垂直方向分別8抽樣，使得最終輸出為像素為60×80:幀同步輸出信號vsYNC引腳接入單片機P3.2口，由P3.2引腳捕捉該信號，當(dāng)捕捉到幀同步輸出信號時，開始采集儀表圖像數(shù)據(jù)，圖像有效數(shù)據(jù)是通過單片機對有效像素信號捕捉獲取的，有效像素信號是指圖像傳感器像素時鐘信號PCLK接74HC74二分頻后與行同步信號HKEF經(jīng)過與非門的信號:主函數(shù)中對像素時鐘信號PCLK進行捕捉，在該信號有效時，選通圖像采集數(shù)據(jù)控制線，將圖像保存在緩存，然后使圖像數(shù)據(jù)線無效，將緩存數(shù)據(jù)存儲到62LV256存儲器中，這樣就得到了一個像素點的灰度值:行同步信號HREF接入單片機定時器TO中斷。當(dāng)單片機捕捉到該信號時，行地址加1，當(dāng)采集完最后一行時將標(biāo)識置1。退出圖像采集程序，到此完成對一幀圖像的采集。

一幀采集完事之后通過無線收發(fā)模塊傳送至控制中心，控制中心利用該數(shù)據(jù)按照BMP格式進行組裝，生成BMP文件顯示。74HC573主要是利用分時復(fù)用技術(shù)解決單片機資源不夠的問題。

數(shù)字圖像識別流程

本系統(tǒng)采用c語言進行程序設(shè)計，通過控制圖像傳感器的場同步信號(VSYNC)、行同步信號(HREF)以及像素時鐘信號(pCLK)，完成一幀圖像采集，并將采集到的圖像數(shù)據(jù)存儲到擴展的外部數(shù)據(jù)存儲器中。采集到的數(shù)字圖像先經(jīng)過灰度變換、均值濾波、中值濾波、二值化等預(yù)處理過程，濾除圖像中噪聲等無關(guān)信息，使圖像信息量最小化:其次對采集圖像進行字符定位:利用橫板匹配的方法進行識別，計算匹配率，匹配率最大的就是識別的結(jié)果。數(shù)字圖像識別流程圖如圖3所示。

數(shù)字圖像預(yù)處理過程如圖4所示。經(jīng)過預(yù)處理后，在標(biāo)準(zhǔn)模板基礎(chǔ)上采用橫板匹配的方法就很容易得出數(shù)字圖像識別的結(jié)果。本系統(tǒng)在非理想環(huán)境下，經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)采集、識別實驗，識別結(jié)果正確率達95%以上，證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

數(shù)字圖像識別在檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

基于數(shù)字圖像識別技術(shù)的特點，我們將其應(yīng)用在對建筑環(huán)境的水表識別系統(tǒng)中，通過無線網(wǎng)絡(luò)將水表的實

時數(shù)據(jù)傳送給控制中心，這樣控制中心可以根據(jù)數(shù)據(jù)對水表進行實時監(jiān)控，既減少了人為因素所造成的誤判，也減少由其他傳感器干擾引起的數(shù)據(jù)錯誤，提高了工作效率。

結(jié)合水表在建筑環(huán)境中應(yīng)用的特點，我們設(shè)計了一個三層的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)水表數(shù)據(jù)和控制中心之間的傳輸。無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

三層組網(wǎng)模式中各層之間任務(wù)有明確分工，末端節(jié)點主要實現(xiàn)對水表數(shù)據(jù)的采集與識別，并將識別結(jié)果傳給控制中心:考慮到傳輸距離的問題，我們在末端節(jié)點與控制中心間加入了中繼器，中繼器是末端節(jié)點和控制中心間橋梁，其作用主要是將接收到的末端節(jié)點數(shù)據(jù)加強后傳送給控制中心，同時也能將控制中心的命令發(fā)送給末端節(jié)點:控制中心接收水表的實時數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的管理。設(shè)計中控制中心最大可管理255個中繼器設(shè)備，每個中繼器設(shè)備可以接收255個末端節(jié)點所發(fā)送的數(shù)據(jù)。

無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅僅是一個網(wǎng)絡(luò)模式，要真正意義上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的可靠通信，還必須依靠相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的支持。本系統(tǒng)采用自定義的統(tǒng)一的通信包進行通信，通信數(shù)據(jù)是成幀成包發(fā)送的。系統(tǒng)總體數(shù)據(jù)傳輸流程示意圖如圖6所示。

結(jié)語

本文設(shè)計的儀器儀表數(shù)字圖像識別系統(tǒng)，利用單片機驅(qū)動圖像傳感器OV7670采集數(shù)字圖像，并在硬件采集系統(tǒng)中實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的存儲和處理，硬件電路簡潔可靠，且成本低，經(jīng)過實驗驗證OV7670采集儀表數(shù)字效果良好，數(shù)字圖像識別系統(tǒng)穩(wěn)定。同時將儀表數(shù)字識別系統(tǒng)應(yīng)用到水表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通過無線組網(wǎng)和自定義的通信協(xié)議實現(xiàn)了水表與控制中心間的數(shù)據(jù)傳輸，減少了人為誤判和干擾產(chǎn)生的錯誤數(shù)據(jù)，該方法識別率高達97.5%，識別速度快，達到了水表數(shù)字識別的準(zhǔn)確率和識別速度的要求。不論是在各式的現(xiàn)代建筑中。還是在工業(yè)、機加等惡劣的數(shù)據(jù)檢測環(huán)境，儀器儀表數(shù)字圖像識別系統(tǒng)都具有廣闊的應(yīng)用前景。