基于嵌入式圖像處理的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸振邦，任傳勝

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，合肥 230027）

在泵站的安全調(diào)度和優(yōu)化運(yùn)行過(guò)程中，上下游水位是一個(gè)重要的水力要素，而隨著泵站智能化建設(shè)的推進(jìn)，對(duì)水位的自動(dòng)化檢測(cè)也提出了更高的要求[1]。傳統(tǒng)的水位監(jiān)測(cè)方式主要有：①人工目測(cè)水尺記錄水位，這種方式的實(shí)時(shí)性差，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力；②采用水位傳感器采集水位信息[2]。但是傳統(tǒng)水位計(jì)普遍存在精度低、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，而且安裝成本高、維護(hù)困難。例如國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣的浮子式水位計(jì)需要建設(shè)測(cè)井房，超聲波水位計(jì)受外部干擾，容易出現(xiàn)水位漂移現(xiàn)象[3]。而且當(dāng)水位測(cè)量值與實(shí)際水位值存在較大誤差時(shí)，仍然需要人工根據(jù)水尺刻度手動(dòng)校正。

綜上所述，本文在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種水位測(cè)量的新思路。將數(shù)字圖像處理技術(shù)的高精度和嵌入式設(shè)備的小巧、輕便結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了基于嵌入式圖像處理的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前，在泵站的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中大多存在視頻及安防監(jiān)測(cè)單元，因此水尺視頻數(shù)據(jù)的獲取也較為容易，這也成為了通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)獲取水位值的基礎(chǔ)。因?yàn)檫@種非接觸測(cè)量方式從原理上與傳統(tǒng)水位計(jì)有較大區(qū)別，所以可以有效規(guī)避傳統(tǒng)水位傳感器的一些固有問(wèn)題，使得水位測(cè)量更加直觀，同時(shí)提高了測(cè)量的穩(wěn)定性、可靠性和高實(shí)時(shí)性，具有較高的應(yīng)用前景。

1 硬件系統(tǒng)及總體設(shè)計(jì)方案概述

1.1 硬件資源

系統(tǒng)采用以ARM920T為核心的S3C2440A為主控芯片，CPU主頻最高可達(dá)400MHz，搭載了256 MB的NAND FLASH，64 MB的 SDRAM（由兩片16 bit寬度的32 MB SDRAM組成），為便于查看中間處理結(jié)果，選用了一塊分辨率為480×272的彩色液晶觸摸屏。此外，基于開發(fā)的需求，還配置了串口、USB HOST接口以及實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)所必須的以太網(wǎng)接口。實(shí)驗(yàn)中所使用的攝像頭為USB接口，支持標(biāo)準(zhǔn)UVC協(xié)議。整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of system hardware

1.2 系統(tǒng)整體方案

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)泵站總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)縱向向上可分為現(xiàn)地設(shè)備層、現(xiàn)地控制層和站控層。

現(xiàn)地設(shè)備層主要包括輔助照明設(shè)備、USB攝像頭和標(biāo)準(zhǔn)化水尺，照明設(shè)備用于在弱光環(huán)境下進(jìn)行補(bǔ)光，USB攝像頭采集水尺圖像，并傳輸給嵌入式終端進(jìn)行圖像處理提取數(shù)據(jù)。

現(xiàn)地控制層主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，一是對(duì)攝像頭采集的水尺圖像進(jìn)行處理解析以獲取水位；二是監(jiān)聽站控層的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，響應(yīng)請(qǐng)求并發(fā)送水位值。

站控層主要提供數(shù)據(jù)服務(wù)與應(yīng)用服務(wù)。包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、組態(tài)顯示、趨勢(shì)分析和閾值告警等功能。

圖2 系統(tǒng)整體方案Fig.2 Overall scheme of system

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)的軟件采用Linux操作系統(tǒng)作為開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境，通過(guò)Linux內(nèi)核的移植、根文件系統(tǒng)的構(gòu)建、OpenCV圖像處理庫(kù)的移植，搭建了嵌入式軟件的開發(fā)和運(yùn)行環(huán)境。使用Linux多線程編程技術(shù)，將每個(gè)子程序設(shè)計(jì)成一個(gè)線程。軟件流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程Fig.3 Flow chart of software design

2.2 基于V4L2的視頻采集

Video4Linux2（V4L2）是針對(duì) Linux系統(tǒng)的視頻設(shè)備處理架構(gòu)，它為視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供了豐富的接口函數(shù)[4]。實(shí)驗(yàn)中使用的USB攝像頭是符合UVC（USB Video Class）規(guī)范的設(shè)備，在V4L2的編程框架中，主要的采集流程分為打開設(shè)備、設(shè)置幀格式、分配緩沖區(qū)及物理內(nèi)存、讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和關(guān)閉設(shè)備等步驟[5]。

2.3 圖像處理算法設(shè)計(jì)

2.3.1 改進(jìn)的Sobel邊緣檢測(cè)算法

圖像的邊緣檢測(cè)是圖像處理過(guò)程中一項(xiàng)重要的內(nèi)容和步驟。在本系統(tǒng)圖像處理的水尺輪廓的提取、水尺水面分界面的界定都依靠邊緣檢測(cè)技術(shù)，所以邊緣檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)是水位提取準(zhǔn)確性和精度的關(guān)鍵。傳統(tǒng)邊緣檢測(cè)是利用一階或二階邊緣檢測(cè)算子與圖像直接卷積，根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)邊緣，但是這種方法容易產(chǎn)生較多的偽邊緣。為了剔除虛假邊緣點(diǎn)，本文在邊緣檢測(cè)中引入了非極大值抑制的方法。

首先利用Sobel算子對(duì)圖像進(jìn)行水平和垂直方向的梯度計(jì)算，而對(duì)應(yīng)的水平和垂直方向的邊緣檢測(cè)算子可表示為

待處理的圖像8鄰域區(qū)域可以表示為

利用模板的圖像處理相當(dāng)于模板與圖像的卷積。用Gx和Gy分別代表水平和垂直方向的梯度值，則Gx和Gy可由卷積運(yùn)算得出：

將橫向和縱向梯度值通過(guò)式（2）計(jì)算出該點(diǎn)的梯度幅值：

原始的灰度圖像的邊緣屬于漸變區(qū)域，并不是理想的階躍信號(hào)，利用Sobel算子直接與圖像進(jìn)行卷積運(yùn)算得到的梯度幅值圖像容易丟失邊緣信息，必須進(jìn)行細(xì)化。采用非極大值抑制的方法，保留圖像目標(biāo)點(diǎn)水平或垂直梯度上的局部最大點(diǎn)，可將邊界細(xì)化至一個(gè)像素寬度[6]。 設(shè)定布爾值 b1，b2，b3，b4為目標(biāo)點(diǎn)梯度與水平和垂直梯度值大小進(jìn)行邏輯比較的結(jié)果，如式（3）所示：

最后判斷鄰域梯度是否滿足大于水平或垂直梯度的條件，并根據(jù)自適應(yīng)閾值參數(shù)進(jìn)行二值化，則目標(biāo)點(diǎn)的二值化結(jié)果如式（4）所示：

式中：B（i，j）為生成的二值圖像；thresh 是根據(jù)梯度幅值設(shè)定的自適應(yīng)閾值。

2.3.2 圖像處理流程

由于攝像頭采集的水尺圖像是包含水尺的全域圖像，而提取刻度只關(guān)心水尺輪廓的目標(biāo)區(qū)域，因此需要將拍攝的圖像經(jīng)過(guò)灰度化之后，利用非極大值抑制Sobel邊緣檢測(cè)提取出水尺輪廓，從而將水尺部分截取出來(lái)單獨(dú)進(jìn)行進(jìn)一步處理。這樣可以避免背景的干擾而造成識(shí)別精度低，同時(shí)也可以減小圖像大小，提高嵌入式設(shè)備的圖像處理速度和精度。

對(duì)于截取下的水尺圖像，首先確定水尺在水面上的分界面。由于水尺水面以上和水面以下部分對(duì)比明顯，利用邊緣檢測(cè)技術(shù)可以明確區(qū)分兩者。然后使用OSTU方法（大津法）對(duì)圖像進(jìn)行全局二值化，并把水面分界線以下部分用0（黑色）擦除。由于水尺刻度具有水平方向的延伸性，而刻度數(shù)字通常不是規(guī)則的，利用OpenCV的連通域分析方法[7]去除數(shù)字，提取出刻度線。最后將水尺歸一化，分成左右兩部分，以便于統(tǒng)計(jì)圖像處理結(jié)果。

2.4 Modbus/TCP通訊程序設(shè)計(jì)

Modbus/TCP的數(shù)據(jù)幀是由MBAP報(bào)頭和協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU組成，具體格式如表1所示。Modbus/TCP傳輸過(guò)程中使用TCP/IP以太網(wǎng)參考模型的5層，Modbus協(xié)議工作在應(yīng)用層，Modbus/TCP報(bào)文被封裝在以太網(wǎng)TCP/IP數(shù)據(jù)包中[8]。Modbus/TCP由于具有網(wǎng)絡(luò)實(shí)施價(jià)格低廉、網(wǎng)絡(luò)部件通用、易于集成、傳輸量大等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

表1 Modbus/TCP數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Data frame format of Modbus/TCP

本系統(tǒng)將嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)成服務(wù)器端，用于處理上位機(jī)數(shù)據(jù)請(qǐng)求并進(jìn)行相應(yīng)操作，返回響應(yīng)。利用BSD套接字接口函數(shù)編寫通訊程序，主要分為以下7個(gè)步驟：

（1）調(diào)用 socket（）函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)基于 TCP連接的套接字；

（2）調(diào)用bind（）函數(shù)將本地IP地址和端口號(hào)綁定到套接字上；

（3）調(diào)用 listen（）函數(shù)使 socket對(duì)象處于監(jiān)聽狀態(tài)；

（4）當(dāng)客戶機(jī)發(fā)出連接請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器監(jiān)聽到該請(qǐng)求，調(diào)用accept（）函數(shù)接受請(qǐng)求，從而確定連接；

（5）調(diào)用 recv（）函數(shù)接收客戶機(jī)發(fā)送的請(qǐng)求報(bào)文；

（6）分析報(bào)文各字段，調(diào)用send（）函數(shù)發(fā)送響應(yīng)報(bào)文；

（7）調(diào)用 close（）函數(shù)關(guān)閉 TCP 連接，使服務(wù)端socket重新進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)，等待下一次連接請(qǐng)求。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

本系統(tǒng)以某公司水環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)為測(cè)試對(duì)象，圖4（a）是攝像頭采集的一幀圖像，圖4（b）是經(jīng)過(guò)預(yù)處理獲取的水尺圖像。圖5所示為圖像處理的結(jié)果。水尺最頂部刻度線代表的水位可以在軟件中預(yù)先設(shè)定，根據(jù)水面以上水尺的刻度，就能夠推算出當(dāng)前的水位值。

圖4 預(yù)處理分離水尺圖像部分Fig.4 Preprocessing to separate the portion of water gauge image

圖5 圖像處理結(jié)果Fig.5 Result of image processing

為了進(jìn)行通信驗(yàn)證，將嵌入式設(shè)備用雙絞線通過(guò)以太網(wǎng)口與PC機(jī)相連，上位機(jī)軟件采用北京三維力控科技公司的力控組態(tài)軟件，版本為Force Control V6.0。進(jìn)入力控的開發(fā)模式，首先定義設(shè)備名稱、設(shè)備地址、設(shè)備的IP地址以及端口號(hào)，完成IO設(shè)備的創(chuàng)建。接下來(lái)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理以及歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，在配置完數(shù)據(jù)庫(kù)并完成數(shù)據(jù)鏈接之后，便創(chuàng)建了一個(gè)水位值數(shù)據(jù)點(diǎn)（SY）[9]。組態(tài)軟件運(yùn)行后，可以從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中看到水位值PV的變化，如圖6所示。

圖6 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的水位值Fig.6 Water level value in real-time database

通過(guò)動(dòng)畫連接，將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)刷新在主界面上，這樣就能將現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的數(shù)據(jù)放映到計(jì)算機(jī)的監(jiān)控畫面中，從而達(dá)到對(duì)水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，如圖7所示。

圖7 水位值在監(jiān)控界面上實(shí)時(shí)顯示Fig.7 Water level value is displayed in real-time on the monitoring interface

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)結(jié)合嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、圖像處理技術(shù)和以太網(wǎng)通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站前后池水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)現(xiàn)有的泵站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，將本系統(tǒng)進(jìn)行了分層設(shè)計(jì)，并詳細(xì)地介紹了每部分的具體實(shí)現(xiàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水位監(jiān)測(cè)的基本功能，有很高的穩(wěn)定性和可靠性，具有廣闊的應(yīng)用前景。