一種指針式化工儀表的遠(yuǎn)程抄表設(shè)計(jì)方法

施 健 張 冬，2 何建國(guó) 康 彩 姚軍康 馬 翔

(寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院1，寧夏 銀川 750021;浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院2，浙江 杭州 310058;寧夏大學(xué)能源化工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3，寧夏 銀川 750021)

0 引言

傳統(tǒng)指針式儀表由于其簡(jiǎn)單可靠、使用方便、易于維護(hù)、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期以來(lái)被廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)過(guò)程。但其數(shù)據(jù)都是由人工讀取，數(shù)據(jù)記錄和處理也主要依靠人工。讀數(shù)過(guò)程中，人眼分辨能力和易疲勞等主觀因素大大影響了讀表的精度［1］。以往通過(guò)改造更換電子傳感器模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)各類指針儀表的數(shù)字化改造，但受到技術(shù)及成本等因素的制約。隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外開始對(duì)基于計(jì)算機(jī)機(jī)器視覺(jué)的儀表讀數(shù)方法進(jìn)行研究?；跈C(jī)器視覺(jué)的儀表讀數(shù)依賴儀表的圖像信息，因此這種方法的適應(yīng)性更強(qiáng)、應(yīng)用范圍更廣。隨著嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，使用嵌入式圖像處理可以更好地實(shí)現(xiàn)改造成本控制［2］。

本文將嵌入式技術(shù)應(yīng)用于指針式儀表抄表工作中，利用機(jī)器視覺(jué)及無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程讀數(shù)自動(dòng)化。

1 ARM內(nèi)核與微處理器

作為意法半導(dǎo)體公司STM32平臺(tái)的新產(chǎn)品，STM32F4基于最新的ARM Cortex-M4內(nèi)核，在現(xiàn)有出色的STM32產(chǎn)品基礎(chǔ)上新增了信號(hào)處理功能，并提高了運(yùn)行速度，是一款集MCU、DSP、FPU多種性能于一體的數(shù)字信號(hào)控制器。Cortex-M4的單周期DSP指令將會(huì)催生數(shù)字信號(hào)控制器市場(chǎng)。目前，采用微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器的圖像處理雙片解決方案可以選擇STM32F4。STM32F4在一個(gè)芯片中整合了傳統(tǒng)兩個(gè)芯片的特性。STM32F4系列的專有技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括:具有相機(jī)接口;采用多達(dá)7重AHB總線矩陣和多通道DMA控制器，支持程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)傳輸并行處理，數(shù)據(jù)傳輸速率極快;內(nèi)置的單精度FPU提升控制算法的執(zhí)行速度，提高代碼執(zhí)行效率。

本設(shè)計(jì)采用的是STM32F407VGT6微處理器，其最高主頻達(dá)168 MHz。該數(shù)字信號(hào)控制器同時(shí)整合了微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器的功能與特性，適用于對(duì)運(yùn)算能力和DSP指令方面有較高要求的系統(tǒng)［3］，在圖像處理方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

2 系統(tǒng)組成

基于STM32F4的指針儀表遠(yuǎn)程讀數(shù)系統(tǒng)組成如圖1所示。圖像采集主要由光箱、光源、攝像頭組成，數(shù)據(jù)處理及傳輸由STM32F4控制器及RF無(wú)線模塊組成。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of the system composition

本系統(tǒng)基于STM32F4平臺(tái)，運(yùn)算能力相對(duì)計(jì)算機(jī)較弱。為了滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，不使用傳統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)處理的高分辨率相機(jī)，攝像頭采用OV7670 CMOS攝像頭，分辨率設(shè)置為240×160像素。

STM32F407芯片具有攝像頭接口，通過(guò)DCIM功能直接獲得OV7670 COMS攝像頭傳來(lái)的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)直接內(nèi)存存取送至圖像緩存。將DCIM配置成SnapShot快照模式，在軟件觸發(fā)后抓拍圖像。STM32F4微控制器的控制流程圖如圖2所示［4］。

圖2 STM32F4控制流程圖Fig.2 Control process of STM32F4

無(wú)線傳輸模塊采用UTC-1212模塊。該模塊是一款高集成度、微功率、半雙工、超低功耗的無(wú)線透明傳輸模塊，抗干擾性能強(qiáng)，可在存在較大干擾的應(yīng)用環(huán)境中使用，傳輸距離700～1000 m，且支持串口通信，無(wú)需另外編程驅(qū)動(dòng)。在各節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)基站之間，利用此模塊搭建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，利用串口傳輸至計(jì)算機(jī)，最后用上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)。

3 指針讀數(shù)

3.1 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理主要是圖像灰度化、濾波、二值化。攝像頭獲取的指針儀表圖像為真彩色圖像，最終特征提取需要二值化指針圖像。為了簡(jiǎn)化圖像，先將圖像轉(zhuǎn)為灰度圖像。灰度化是將原圖各像素點(diǎn)的R、G、B三分量信息壓縮成一個(gè)字節(jié)。具體方法采用加權(quán)平均法，對(duì)R、G、B三分量分配不同的權(quán)值。計(jì)算過(guò)程為:

式中:Gray為當(dāng)前像素點(diǎn)灰度值;R、G、B分別為紅、綠、藍(lán)三基色分量。

得到灰度圖像后，需要做濾波去噪處理，使圖像更加平滑。為保留指針圖像的邊界信息，采用中值濾波算法。

得到平滑的灰度圖像后，選取適當(dāng)?shù)拈撝祵?duì)圖像進(jìn)行二值化處理。二值化算法如式(2)所示，將大于等于閾值T的像素值置1，小于閾值T的像素值置0。

3.2 二值圖剪影法

由于指針儀表背景大致相同，因此提出了一種基于二值圖像減影法的指針直接提取方法。該方法先后獲取兩幅指針儀表圖像，經(jīng)過(guò)上述一系列預(yù)處理后對(duì)兩幅二值化圖像作減法運(yùn)算。只有像素值的差為+1的像素保留白點(diǎn)，即當(dāng)且僅當(dāng)某像素為白色減黑色時(shí)，像素值保留白色，得到一幅無(wú)刻度、無(wú)字符，只包含少量噪聲的指針圖像。兩圖相減所得剪影如圖3所示。再次做中值濾波后，得到清晰的指針圖像如圖4所示。

圖3 二值剪影圖Fig.3 Binary subtraction image

圖4 濾波后的剪影圖Fig.4 Subtraction image after filtering

3.3 指針角度識(shí)別

3.3.1 Hough 變換

為了從二值圖像中計(jì)算出指針的讀數(shù)，采用Hough變換求得指針的方向。Hough變換的原理是將笛卡爾坐標(biāo)空間的點(diǎn)(x0，y0)變換［5］為極坐標(biāo)空間中的正弦曲線 ρ=x0cosθ+y0sinθ;掃描所有像素點(diǎn)(x0，y0)，并遍歷所有θ值，ρ和θ對(duì)應(yīng)相等的點(diǎn)即為共線;記錄所有共線的ρ、θ以及相應(yīng)的共線點(diǎn)數(shù);最后對(duì)共線點(diǎn)數(shù)設(shè)定適當(dāng)?shù)拈撝堤崛∧繕?biāo)直線。Hough變換對(duì)噪聲不敏感、抗干擾性強(qiáng)，魯棒性較好是Hough變換最大優(yōu)點(diǎn)，即使曲線有小的波動(dòng)、間隙，經(jīng)Hough變換后，仍能在參數(shù)空間形成明顯的峰值點(diǎn)［6］。

3.3.2 Hough 算法改進(jìn)

經(jīng)典Hough直線檢測(cè)是對(duì)圖像空間內(nèi)每一個(gè)像素進(jìn)行360°全向標(biāo)記，這種標(biāo)記過(guò)程占用了大量時(shí)間。為了提高本嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，提出了一種基于環(huán)形ROI感興趣區(qū)域及角度約束的直線提取算法。

首先，限定環(huán)形ROI區(qū)域，如圖5所示灰色圓環(huán)就是指針提取的ROI區(qū)域，只檢測(cè)處于ROI區(qū)域內(nèi)的像素，可有效減少像素掃描數(shù)量;然后，利用事先標(biāo)定的表盤圓心確定直線，因?yàn)閳A心坐標(biāo)與ROI區(qū)域內(nèi)的每個(gè)有效像素能確定唯一直線。圓心約束示意圖如圖6所示。ROI區(qū)域內(nèi)的P點(diǎn)只標(biāo)記過(guò)圓心O的直線，從而使檢測(cè)效率大為改善。而在沒(méi)有圓心約束的情況下，經(jīng)典Hough變換需要標(biāo)記過(guò)P點(diǎn)各個(gè)角度的直線。通過(guò)這種添加約束的Hough變換，對(duì)環(huán)形區(qū)域內(nèi)所有可能與圓心共線的點(diǎn)進(jìn)行表決統(tǒng)計(jì)，選出現(xiàn)次數(shù)最多的角度θ，即為指針角度。

圖5 環(huán)形ROI區(qū)域Fig.5 Annular ROI area

圖6 圓心約束示意圖Fig.6 Sketch of constraint of center of the circle

4 試驗(yàn)結(jié)果

至此，通過(guò)得到的ρ和θ(其中角度θ和指針的讀數(shù)具有對(duì)應(yīng)關(guān)系)，將θ代入提前設(shè)定好的計(jì)算公式，即可計(jì)算出儀表指針讀數(shù)。對(duì)量程范圍為0～2.5 MPa的壓力表進(jìn)行5次測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)量結(jié)果Tab.1 The measured results

5 結(jié)束語(yǔ)

利用機(jī)器視覺(jué)代替人眼讀取指針讀數(shù)大大提高了工作效率，且其讀數(shù)不受人為因素影響。在嵌入式平臺(tái)上，提出一種基于二值圖像剪影法，以及通過(guò)約束ROI感興趣區(qū)域及直線角度對(duì)Hough算法的優(yōu)化，確保了算法在嵌入式平臺(tái)上的實(shí)時(shí)性。而STM32F4與無(wú)線模塊相結(jié)合所具有的低成本特點(diǎn)，使其相對(duì)計(jì)算機(jī)更易實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)分布式無(wú)線數(shù)據(jù)采集。通過(guò)實(shí)際測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)方案是可行的，具有較好的應(yīng)用前景。

［1］黃穎怡，汪仁煌，岳利軍.機(jī)器視覺(jué)儀表識(shí)別方法的研究進(jìn)展［J］.自動(dòng)化儀表，2009，30(8):58 －60.

［2］李棟，楊志家.基于機(jī)器視覺(jué)的指針儀表識(shí)讀方法［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012(10):31－33.

［3］黃智偉，王兵，朱衛(wèi)華.STM32F 32位微控制器應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京:北京航空航大學(xué)出版社，2012.

［4］魏寶，陳玉成，戶凱，等.機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在連接器自動(dòng)裝配中的應(yīng)用［J］.機(jī)電元件，2013，33(1):12 －15.

［5］張冀，王俊宏，尉遲明，等.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的汽車儀表指針檢測(cè)方法［J］.計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2013(3):134－139.

［6］陳卓.基于機(jī)器視覺(jué)的指針式儀表識(shí)別技術(shù)研究與應(yīng)用［D］.成都:西南石油大學(xué)，2011.