基于視頻圖像技術(shù)的遠程抄表系統(tǒng)的設(shè)計

文｜總后建筑設(shè)計研究院 王云峰

301醫(yī)院基建營房處 羅 進

1 引言

近年來，隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，智能住宅小區(qū)的大量涌現(xiàn)，單表、多表遠傳系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用；然而，現(xiàn)在普遍使用的一些遠程抄表系統(tǒng)還存在很多不足。

目前普遍使用的遠程抄表系統(tǒng)主要應(yīng)用在具有物業(yè)管理的小區(qū)內(nèi)，需要大量的連線，不適合老樓的改造及計量表具安裝在計量井室內(nèi)的新樓。而且，目前的遠傳抄表系統(tǒng)大都是采用脈沖計數(shù)的方式來計算水、氣、電等的實際用量，因此需要對原有表具進行改造，又因脈沖信號在傳輸過程中極易受到干擾，所以系統(tǒng)在投入使用后不能斷電，否則就需要重新修正計量結(jié)果，并且可靠性不高，后期維修量大。

大規(guī)模集成電路的發(fā)展及應(yīng)用，使得使用視頻圖像技術(shù)的成本越來越低，利用視頻圖像技術(shù)組成一種新的遠傳抄表系統(tǒng)成為可能。利用該方法組成的遠傳抄表系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程集中式管理水、氣、電等計量表具的直讀遠傳抄表功能，從而實現(xiàn)小區(qū)居民日常生活的智能化。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于視頻圖像技術(shù)的遠程抄表系統(tǒng)由水、氣、電數(shù)據(jù)圖像采集器，智能控制器，雙向視頻放大器，管理機，物業(yè)機，控制處理計算機等組成，如圖1所示。

控制處理計算機通過控制總線下達讀表指令，智能控制器將水、氣、電數(shù)據(jù)圖像采集器和可視對講終端的圖像信號通過視頻總線經(jīng)雙向視頻放大器送到控制處理計算機，控制處理計算機對水、氣、電數(shù)據(jù)圖像采集器的模擬視頻圖像信號進行采集，并將其轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)圖像信號，再對數(shù)據(jù)圖像信號進行識別，并將其轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)信號，供管理者讀取。所有控制均由控制處理計算機通過控制總線下達指令執(zhí)行。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于視頻圖像技術(shù)的遠程抄表系統(tǒng)的硬件組成主要包括：計量表具；不間斷電源及自動充電電路；智能控制器；數(shù)據(jù)圖像采集器。

（1）計量表具設(shè)計

電能表選用輸出3200imp/kWh或1600imp/kWh的數(shù)字化電度表，利用其脈沖信號作為系統(tǒng)計量依據(jù)。

水表、煤氣表在傳統(tǒng)計量表具的基礎(chǔ)上增加磁電感應(yīng)元件，將流量信號以脈沖信號形式傳輸出來（因其磁電感應(yīng)元件加在千分之一位上，所以其向外發(fā)送的脈沖以百分之一為計量單位，完全符合國家民用計量表具1.0級精度標準），并且采用磁屏蔽等保護措施。

（2）不間斷電源及自動充電電路設(shè)計

為避免因市電停電給系統(tǒng)帶來不利影響，保證停電時對水、氣的計量檢測不中斷，在數(shù)據(jù)采集機上增加不間斷電源——免維護電池。而為了保證不間斷電源能夠正常工作，需要對電池的過充電和過放電及不間斷電源投入進行保護和控制。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（3）智能控制器的硬件電路設(shè)計

智能控制器的硬件電路包括標準視頻信號阻抗變換電路，視、音頻信號雙向傳輸電路，數(shù)字信號與模擬信號采集電路，控制電路，通信電路以及為智能控制器提供工作電源的電源電路。

智能控制器的系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

數(shù)據(jù)圖像采集器安裝在用戶計量表具上，用于采集計量表具的計量數(shù)值圖像。表具的計量數(shù)值圖像由智能控制器控制，通過視頻總線傳遞到數(shù)據(jù)處理控制計算機，經(jīng)數(shù)據(jù)處理控制計算機圖像采集卡采集后，由圖像處理軟件處理并顯示在用戶使用量信息欄中。

實際使用中每個智能控制器可以接16個或32個數(shù)據(jù)圖像采集器，每個數(shù)據(jù)圖像采集器由1根3芯線和智能控制器相連，每個單元門內(nèi)的智能控制器數(shù)量可根據(jù)用戶使用計量表具數(shù)量計算。各路計量數(shù)值圖像信號分時通過視頻總線傳送到數(shù)據(jù)處理控制計算機。

（4）數(shù)據(jù)圖像采集器設(shè)計

數(shù)據(jù)圖像采集器由瞄準設(shè)備、CCD圖像攝取系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)組成，如圖3所示。瞄準設(shè)備平時用來測量水平角，在方位瞄準時確定安裝角度以標定方向。讀數(shù)系統(tǒng)是該設(shè)備重要的組成部分，由水平度盤、讀數(shù)顯微鏡和螺旋測微器組成，其元件性能對整個儀器的精度有著重要的影響。

圖2 智能控制器結(jié)構(gòu)框圖

圖3 系統(tǒng)框圖

CCD圖像攝取系統(tǒng)通過專用裝夾裝置把瞄準設(shè)備讀數(shù)系統(tǒng)中的讀數(shù)顯微鏡固定于眼點位置，以攝取全景視場模擬圖像信號。圖像采集系統(tǒng)是基于PCI總線的彩色圖像采集卡，它利用數(shù)字解碼器對模擬信號作A/D變換，再將其解碼成紅、綠、藍24bit數(shù)字信號，通過PCI總線傳到PC機系統(tǒng)內(nèi)存。圖像傳送速度很快，可實現(xiàn)像機圖像到計算機內(nèi)存的可靠實時傳送。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于視頻圖像技術(shù)的遠程抄表系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括：

◆ 儀表數(shù)字的識別研究；

◆ 控制處理計算機設(shè)計；

◆ 智能管理機的軟件設(shè)計。

（1）儀表數(shù)字的識別研究

本系統(tǒng)應(yīng)用攝像頭拍攝儀表面板圖像并輸入計算機，由計算機“讀取”圖像中的數(shù)字。儀表數(shù)字有較高的變化頻率（最高可達每秒9次），而現(xiàn)有的較為成熟的識別算法大部分注重識別的準確率，在一定程度上忽視了識別速度，因此研究高準確率下的快速識別算法對儀表數(shù)字識別具有非?，F(xiàn)實的意義。

在采集的圖像中，數(shù)字區(qū)域具有相對固定的位置，因此為提高系統(tǒng)整體識別速度，可用手動定位的方法標識出全體數(shù)字所在區(qū)域，然后對數(shù)字區(qū)域進行二值化處理。

要實現(xiàn)數(shù)字的識別，必須先將單個數(shù)字準確地分割出來?？梢圆捎么址指钆c細分割相結(jié)合的方法：粗分割采用傳統(tǒng)的水平投影法，根據(jù)數(shù)字間距部分在水平方向上的投影會出現(xiàn)局部最小值的原理，粗略獲取數(shù)字的左右邊界；細分割采用行列掃描的方法，去除數(shù)字上下左右的空白行，求出包圍數(shù)字的最小矩形區(qū)域。

特征提取是模式識別的第一步，其目的是獲取一組特征數(shù)目少且區(qū)分度高的特征向量。常用的特征提取方法大致可分為兩類，即基于統(tǒng)計的方法和基于結(jié)構(gòu)的方法。統(tǒng)計特征通常包括筆道密度特征、矩特征等，結(jié)構(gòu)特征通常包括圈、端點、交叉點、輪廓等。這兩類特征各有優(yōu)勢：使用統(tǒng)計特征的分類易于訓(xùn)練，特征提取算法的復(fù)雜度較低，并且在給定的訓(xùn)練集上能得到較高的識別率；基于結(jié)構(gòu)特征的方法在識別過程中可充分利用數(shù)字的結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果可靠性較高，但其特征的提取往往比較復(fù)雜，并且易受干擾。根據(jù)上述特征提取的基本原則，筆者對儀表數(shù)字進行了大量的采樣分析，最終確定了7維區(qū)分度高且計算簡單的統(tǒng)計特征。設(shè)分割后的單個數(shù)字存放在m×n的矩陣M中，記矩陣M中心點為O（m/2，n/2），以O(shè)為中心，將矩陣M均分為4個子矩陣（Mlt，Mrt，Mlb，Mrb），引入最后一項特征可以有效地區(qū)分數(shù)字0和8。

（2）控制處理計算機軟件設(shè)計

控制處理計算機主要有兩大功能：一是利用通信網(wǎng)絡(luò)讀取/發(fā)送相關(guān)住戶的能耗表具的數(shù)據(jù)，二是依小區(qū)管理的需要對住戶數(shù)據(jù)庫進行各種操作。

經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)控制傳輸?shù)淖裟芎谋砭叩臄?shù)據(jù)設(shè)置為三種形式：

◆ 隨機監(jiān)測某一住戶能耗表具的數(shù)據(jù)；

◆ 讀取住戶能耗表具的數(shù)據(jù)；

◆ 發(fā)送住戶能耗表具的數(shù)據(jù)。

在這三種形式中，發(fā)送住戶能耗表具的數(shù)據(jù)有操作級別限制，即只有管理員級才可以執(zhí)行此項操作，而操作員級則不能執(zhí)行此項操作。在系統(tǒng)軟件啟動后，需輸入個人在系統(tǒng)內(nèi)的注冊號，以確定可操作的等級；只有注冊成功后，方可進入系統(tǒng)操作界面。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫可實現(xiàn)編輯各種參數(shù)、查詢住戶用量信息、數(shù)據(jù)維護、統(tǒng)計用量數(shù)據(jù)、打印收費及統(tǒng)計等功能。

圖4為運行軟件框圖。

圖4 運行軟件框圖

（3）智能管理機軟件設(shè)計

智能管理機的軟件功能主要有三：讀取住戶數(shù)據(jù)采集機的數(shù)據(jù)并處理；與PC系列機通信，傳送數(shù)據(jù)；獨立成系統(tǒng)時的結(jié)算、打印、顯示等操作。根據(jù)上述功能，我們可以設(shè)置兩個讀取住戶數(shù)據(jù)采集機的程序啟動點：一是定時（30分鐘至2小時）啟動，二是隨機地由本機鍵盤或PC機命令啟動。因本機操作由鍵盤實現(xiàn)，故為其設(shè)置一個中斷，從而使本機主程序處于等待PC機通信命令狀態(tài)。數(shù)據(jù)傳輸基本流程如圖5所示。

圖6 智能軟件邏輯框圖

圖5 數(shù)據(jù)傳輸流程示意圖

在智能管理機上增加對數(shù)據(jù)的校驗功能，就可有效地防止在某個采集機受干擾等故障狀態(tài)下發(fā)生傳輸錯誤數(shù)據(jù)的情況，又可發(fā)現(xiàn)故障機，以便操作維護人員進行處理。圖6為智能軟件邏輯框圖。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于視頻圖像技術(shù)的遠程抄表系統(tǒng)的設(shè)計方案，該方案通過軟件和硬件結(jié)合，可以有效地提高遠程抄表系統(tǒng)的精度。利用該方案可以實現(xiàn)遠程集中式管理“水、氣、電”等計量表具的直讀遠傳抄表功能，采集的計量數(shù)值圖像直接傳送到數(shù)據(jù)處理控制計算機，中間不經(jīng)過任何計算，計量準確且可以克服市區(qū)停電對計量的影響，抗干擾能力強、可靠性高。

基于視頻圖像技術(shù)的遠程抄表系統(tǒng)已在示范小區(qū)安裝使用，結(jié)果表明該系統(tǒng)工作過程穩(wěn)定可靠，具有良好的品質(zhì)指標，證明了本文提出方案的有效性。