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    危險(xiǎn)氣體罐車液位計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    2016-12-26 15:42:37李嘉賢李燁
    現(xiàn)代電子技術(shù) 2016年22期
    關(guān)鍵詞:報(bào)警系統(tǒng)計(jì)算機(jī)視覺

    李嘉賢+李燁

    摘 要: 在計(jì)算機(jī)視覺環(huán)境下,對(duì)危險(xiǎn)氣體罐車液位的檢測(cè)識(shí)別,保障車輛運(yùn)輸安全。結(jié)合視覺圖像處理技術(shù),采用嵌入式超聲無損檢測(cè)方法,進(jìn)行危險(xiǎn)氣體罐車液位計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行液位檢測(cè)原理分析,構(gòu)建系統(tǒng)裝置的總體結(jié)構(gòu)模型,進(jìn)行危險(xiǎn)氣體罐車液位計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的超聲信號(hào)A/D采樣電路、時(shí)鐘電路、濾波電路、程序加載電路和電源電路。基于計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)測(cè)方法,進(jìn)行危險(xiǎn)氣體罐車液位內(nèi)部狀態(tài)特征的視覺監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有較好的液位檢測(cè)性能,實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)氣體罐車液位的有效監(jiān)控識(shí)別與報(bào)警,性能可靠穩(wěn)定。

    關(guān)鍵詞: 危險(xiǎn)氣體罐車; 液位檢測(cè); 計(jì)算機(jī)視覺; 報(bào)警系統(tǒng)

    中圖分類號(hào): TN948.64?34; TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1004?373X(2016)22?0067?0

    0 引 言

    隨著自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)的發(fā)展,采用智能測(cè)試和計(jì)算機(jī)視覺方法進(jìn)行液位檢測(cè)和監(jiān)控,借助的物理場(chǎng)有超聲波、微波雷達(dá)、射線及激光等,能實(shí)現(xiàn)高低位報(bào)警功能,在工業(yè)控制場(chǎng)合中,固定位置處的液位監(jiān)控是保障工業(yè)控制安全的重要技術(shù),特別是在危險(xiǎn)光車的運(yùn)輸過程中,需要對(duì)危險(xiǎn)氣體罐車的液位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和識(shí)別,通過感應(yīng)元件實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的準(zhǔn)確檢測(cè),通過檢測(cè)發(fā)射和接收的時(shí)延來確定液位的高度。隨著計(jì)算機(jī)視覺處理技術(shù)的發(fā)展,以及圖像處理技術(shù)的應(yīng)用,采用計(jì)算機(jī)視覺部監(jiān)控方法進(jìn)行危險(xiǎn)氣體罐車的液位監(jiān)控識(shí)別成為未來實(shí)現(xiàn)液位準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和定位的重要發(fā)展方向,研究基于計(jì)算機(jī)視覺的危險(xiǎn)罐車的液位檢測(cè)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng),在保障危險(xiǎn)罐車運(yùn)輸安全方面具有重要意義,相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法受到人們的重視[1?3]。

    目前,對(duì)液位的檢測(cè)方法按照測(cè)量液位的感應(yīng)元件與被測(cè)液體是否接觸,其可分為接觸型和非接觸型兩大類。通過人工檢尺法[4?6],加裝浮子測(cè)量裝置進(jìn)行液位檢測(cè),微波雷達(dá)、射線及激光主要是應(yīng)用在檢測(cè)罐體為危險(xiǎn)物質(zhì),將微波發(fā)射器和接收器安裝在罐頂,利用超聲技術(shù)并結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理算法進(jìn)行液位檢測(cè)[7?9]。但是,上述設(shè)計(jì)方案因無法找到超聲信號(hào)為零的位置,所以考慮使用靈敏度相同的另一液位檢測(cè)傳感器作為參考通道進(jìn)行自適應(yīng)噪聲抵消,參考液位檢測(cè)傳感器應(yīng)放置在對(duì)目標(biāo)反射信號(hào)較小,更多的反映液位反射的超聲信號(hào)的位置,但是對(duì)電磁波、光波等超聲無法穿過的介質(zhì),液位檢測(cè)的精度不高[10],難以實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)控識(shí)別和報(bào)警。針對(duì)上述問題,本文進(jìn)行危險(xiǎn)氣體罐車液位監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì),首先進(jìn)行了液位檢測(cè)原理分析,構(gòu)建系統(tǒng)裝置的總體結(jié)構(gòu)模型,然后進(jìn)行了危險(xiǎn)氣體罐車液位計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì),最后通過實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的液位監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的優(yōu)越性能,得出有效性結(jié)論。

    1 液位計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

    根據(jù)上述液位檢測(cè)弊端分析,進(jìn)行危險(xiǎn)氣體罐車液位計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì),首先分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體架構(gòu)模型,系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)部分。硬件設(shè)計(jì)中,主要是在計(jì)算機(jī)視覺環(huán)境下完成液位視覺特征的獲取,并對(duì)接收到的視覺特征進(jìn)行相應(yīng)的處理。本系統(tǒng)的硬件部分主要是數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。接收探頭采集的視覺特征通過信號(hào)采集電路進(jìn)行高分辨率的A/D采樣,液位視覺的差異性可以通過對(duì)分辨率和采樣率的大小來判斷。在對(duì)液位檢測(cè)的超聲信號(hào)檢測(cè)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)自適應(yīng)濾波器進(jìn)行信號(hào)濾波,通過自適應(yīng)均衡方法得到基于視覺傳感器的液位檢測(cè)特征,為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此,采集電路的設(shè)計(jì)必須采用高分辨率,硬件電路設(shè)計(jì)中,包括確定DSP處理器型號(hào)、Visual DSP++集成開發(fā)環(huán)境、外圍器件以及連接關(guān)系。根據(jù)I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)采集量確定液位監(jiān)控識(shí)別系統(tǒng)的分辨率和基線恢復(fù)性能,采用ADI公司的ADSP21160處理器系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別的主控芯片,數(shù)字信號(hào)處理器主要完成對(duì)整個(gè)硬件系統(tǒng)的電路控制,根據(jù)設(shè)計(jì)的功能指標(biāo)得到本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)視覺的像素值的系統(tǒng)最低采樣率為1 024 MHz, 則DSP的最低速度應(yīng)大于[25×20=500 MHz]。

    在進(jìn)行罐體液位監(jiān)控中,研究的罐體的厚度分別為5 mm平面罐體,20 mm平面罐體。由于本文構(gòu)建的系統(tǒng)是一個(gè)高采樣率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在進(jìn)行液位監(jiān)控識(shí)別報(bào)警中,需要利用C8051F處理器發(fā)射頻率為120 kHz左右的脈沖序列,作為原始聲信號(hào)數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng),以此進(jìn)行監(jiān)控識(shí)別,根據(jù)上述描述,得到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模塊構(gòu)架如圖1所示。

    2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    2.1 硬件電路設(shè)計(jì)的指標(biāo)分析

    在上述進(jìn)行了危險(xiǎn)氣體罐車液位計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的液位檢測(cè)原理分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體構(gòu)建描述的基礎(chǔ)上,進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),系統(tǒng)的硬件模塊主要包括了超聲信號(hào)A/D采樣電路、時(shí)鐘電路、濾波電路、程序加載電路和電源電路等。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)描述如下:

    (1) 危險(xiǎn)氣體罐車液位計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的輸出信號(hào)幅度<2 dB,脈沖信號(hào)的頻譜寬度為12 dB;

    (2) 監(jiān)控系統(tǒng)的整體功耗<2 W;

    (3) 計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控接收機(jī)采樣率不低于12 MHz;

    (4) CAN總線對(duì)無液狀態(tài)采集數(shù)據(jù)采樣分辨率不低于8位;

    (5) 有液狀態(tài)采集數(shù)據(jù)中具有高壓控制功能;

    (6) 具有基線恢復(fù)功能。

    根據(jù)上述設(shè)計(jì)的指標(biāo),進(jìn)行硬件模塊化設(shè)計(jì)。

    2.2 系統(tǒng)硬件模塊化設(shè)計(jì)與電路實(shí)現(xiàn)

    首先設(shè)計(jì)圖像信號(hào)A/D采樣電路,A/D采樣電路是實(shí)現(xiàn)罐車液位計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),通過A/D采樣電路上傳圖譜數(shù)據(jù),使用AD公司一款高性能A/D芯片AD9225對(duì)上一個(gè)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行峰值檢測(cè),利用A/D芯片內(nèi)的采樣保持器和參考電壓進(jìn)行計(jì)算機(jī)視覺特征監(jiān)測(cè)和液位脈沖數(shù)據(jù)采樣,結(jié)合視覺特征在危險(xiǎn)氣體罐車中傳播可以進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換,通過A/D采樣電路轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控系統(tǒng)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào),A/D芯片通過時(shí)鐘把脈沖信息輸入到罐體液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中央處理單元,數(shù)字輸出包括12位數(shù)字輸出和一個(gè)溢出指示位,采用多樣化的數(shù)據(jù)捕捉和傳送模式,罐車液位計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的PPI的所有操作與A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、視頻編碼/解碼器進(jìn)行并行串口通信,由此實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的無幀同步、內(nèi)部觸發(fā)。根據(jù)上述設(shè)計(jì),得到罐車液位計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)A/D采樣的時(shí)序邏輯如圖2所示。

    罐車液位計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的輸入超聲信號(hào)采用的是單端輸入,耦合方式可以是交流耦合,通過上述邏輯結(jié)構(gòu),構(gòu)建A/D采樣電路如圖3所示。

    <系統(tǒng)的時(shí)鐘電路是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控的模擬控制,通過發(fā)射時(shí)鐘脈沖信號(hào),實(shí)現(xiàn)液位監(jiān)測(cè)的基線輸入,系統(tǒng)的時(shí)鐘電路由電壓信號(hào)控制,控制電壓0~5 V,采用LDAC信號(hào)將超聲脈沖信號(hào)鎖存在內(nèi)部寄存器,復(fù)位信號(hào)通過危險(xiǎn)氣體罐車液位檢測(cè)系統(tǒng)輸入的參考信號(hào)對(duì)有液和無液的狀態(tài)進(jìn)行區(qū)別檢測(cè),通過手動(dòng)按鍵,采用計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)測(cè)方法,進(jìn)行危險(xiǎn)氣體罐車液位內(nèi)部狀態(tài)特征的視覺監(jiān)測(cè),時(shí)鐘電路的VCC電壓低于2.32 V時(shí),按下開關(guān)S1后,LED會(huì)被點(diǎn)亮,危險(xiǎn)氣體罐車液位檢測(cè)的計(jì)算機(jī)視覺檢測(cè)端具有醒目的提示,通過上述分析,得到系統(tǒng)的時(shí)鐘電路如圖4所示。

    圖4中,WDO引腳產(chǎn)生的超聲波將發(fā)生反射縱波(或橫波),利用多層介質(zhì)中超聲波的傳播規(guī)律進(jìn)行計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別,實(shí)現(xiàn)對(duì)罐體液位狀態(tài)的檢測(cè)。

    2.3 軟件算法的設(shè)計(jì)

    由于是單峰液位突變特征,因此,可結(jié)合角點(diǎn)檢測(cè)的特點(diǎn),利用Harris角點(diǎn)檢測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)丙烯聚合過程中非正常液位的檢測(cè)和識(shí)別。角點(diǎn)能夠描述液位圖像中兩個(gè)邊緣的相交點(diǎn),Harris角點(diǎn)檢測(cè)方法主要通過液位圖像中的特征點(diǎn)形狀進(jìn)行非正常液位的檢測(cè)和識(shí)別,即使液位的顏色發(fā)生變化仍能進(jìn)行有效的檢測(cè)。

    設(shè)置液位圖像[I(x,y)],對(duì)其進(jìn)行平移[(Δx,Δy)]后圖像具有自相似性,這種自相似性能夠用自相關(guān)函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià),其公式如下:

    [c(x,y;Δx,Δy)=(u,v)∈W(x,y)ω(u,v)[I(u,v)-I(u+Δx,v+Δy)]2] (1)

    式中:[W(x,y)]為以[(x,y)]為中心模板的窗口;[ω(u,v)]為加權(quán)函數(shù),可以將其設(shè)置為常數(shù)或者高斯函數(shù)。對(duì)泰勒公式進(jìn)行展開,能夠得到:

    [I(u+Δx,v+Δy)≈I(u,v)+Ix(u,v)Δx+Iy(u,v)Δy =I(u,v)+[Ix(u,v)Iy(u,v)]ΔxΔy] (2)

    則:

    [c(x,y;Δx,Δy)=ω(u,v)[I(u,v)-I(u+Δx,v+Δy)]2 ≈[Ix(u,v)Iy(u,v)]ΔxΔy2ω(u,v) =[Δx,Δy]M(x,y)ΔxΔyω(u,v)](3)式中:

    [M(x,y)=Ix(u,v)2Ix(u,v)Iy(u,v)Ix(u,v)Iy(u,v)Iy(u,v)2=ACCB] (4)

    因此,對(duì)液位圖像進(jìn)行平移后得到的自相關(guān)函數(shù)能夠近似于下述二次項(xiàng)函數(shù):

    [c(x,y;Δx,Δy)≈[Δx,Δy]M(x,y)ΔxΔy] (5)

    進(jìn)而能夠得到丙烯聚合過程中液位的視覺方程:

    [Δx,ΔyM(x,y)ΔxΔy=1] (6)

    圖像中液位圖像的尺寸是由[M]矩陣的特征值決定的,特征值能描述液位圖像中灰度變化的速度和方向。Harris角點(diǎn)法無需對(duì)[M]的特征值進(jìn)行計(jì)算,只要計(jì)算出一個(gè)角點(diǎn)的響應(yīng)即可,其計(jì)算公式如下:

    [R=detM-α(traceM)2] (7)

    式中,[α]為經(jīng)驗(yàn)參數(shù),通常取值為0.04~0.06。利用上述方法取得的全部Harris角點(diǎn),計(jì)算全部的角點(diǎn)縱坐標(biāo)的均值進(jìn)行計(jì)算即可得到實(shí)際的液位高度,從而實(shí)現(xiàn)丙烯聚合過程中非正常液位的準(zhǔn)確檢測(cè)與識(shí)別。

    3 系統(tǒng)軟件開發(fā)仿真環(huán)境描述和系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果分析

    危險(xiǎn)氣體罐車液位計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的軟件開發(fā)建立在嵌入式Linux開發(fā)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能包括危險(xiǎn)氣體罐車液位超聲采集、能譜測(cè)量、計(jì)算機(jī)視覺圖像控制、CAN通信以及A/D采樣E2PROM燒寫。SPI E2PROM AT25HP512用于DSP的程序加載,正確配置DSP的SPI寄存器,采用DIP封裝實(shí)現(xiàn)程序加載,根據(jù)上述軟件開發(fā)環(huán)境,發(fā)送WREN指令直接通過燒寫器燒寫,進(jìn)行危險(xiǎn)氣體罐車液位計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的仿真測(cè)試。首先采用層次聚類方法在計(jì)算機(jī)視覺環(huán)境下進(jìn)行液位狀態(tài)數(shù)據(jù)采集,然后進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換,得到有液狀態(tài)和無液狀態(tài)下的采集結(jié)果如圖5所示。

    對(duì)上述原始數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理,采用自適應(yīng)濾波電路進(jìn)行有用信息提取,得到提取結(jié)果如圖6所示。

    監(jiān)控識(shí)別,由圖6可見,采用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行危險(xiǎn)氣體罐車的液位檢測(cè),在計(jì)算機(jī)視覺下能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)液位值,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的監(jiān)控識(shí)別和報(bào)警,性能可靠穩(wěn)定。

    4 結(jié) 語(yǔ)

    本文進(jìn)行了危險(xiǎn)氣體罐車液位計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)控識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì),利用不同液位狀態(tài)下聲波在不同罐體環(huán)境中的傳播特征的差異性,進(jìn)行聲波在不同罐體環(huán)境中的傳播的差異性特征提取,判定液位狀態(tài)。進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì),包括A/D采樣電路、時(shí)鐘電路、濾波電路、程序加載電路和電源電路等。通過危險(xiǎn)氣體罐車液位檢測(cè)系統(tǒng)輸入的參考信號(hào)對(duì)有液和無液的狀態(tài)進(jìn)行區(qū)別檢測(cè),采用計(jì)算機(jī)視覺監(jiān)測(cè)方法,進(jìn)行危險(xiǎn)氣體罐車液位內(nèi)部狀態(tài)特征的視覺監(jiān)測(cè)。研究表明,該系統(tǒng)具有較好的液位檢測(cè)性能,實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)氣體罐車液位的有效監(jiān)控識(shí)別報(bào)警,具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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