基于智能手機(jī)視頻處理技術(shù)的 智能電表故障檢測

李騰騰 蔡夢杰 高永峰 王佳東 王海濱

（1. 中國南方電網(wǎng)深圳供電局有限公司福田供電局，廣東 深圳 518031； 2. 西安雙英科技股份有限公司，西安 710075）

0 引言

隨著智能手機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種手機(jī)應(yīng)用軟件層出不窮，智能手機(jī)不再僅僅是通信工具，同時由于其具有網(wǎng)絡(luò)接入、獲取定位、拍照等多種功能，其應(yīng)用場景越來越廣。因此，手機(jī)平臺在專業(yè)測量現(xiàn)場工作中有非常廣闊的應(yīng)用。然而僅憑智能手機(jī)的軟件功能，無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場測量；將軟件與帶有接口的測量模塊硬件相結(jié)合，才能賦予設(shè)備更實(shí)際和廣泛的應(yīng)用。本文提出一種將專業(yè)測量技術(shù)與智能手機(jī)（personal digital assistant, PDA）相結(jié)合，利用PDA視頻處理圖像識別技術(shù)進(jìn)行智能電能表故障檢測的裝置，以便提高工作效率。

1 智能電表測量終端設(shè)計(jì)

智能電表測量終端電路主要由兩路輸入信號、取樣放大電路、基準(zhǔn)電路、AC-DC電源隔離模塊、轉(zhuǎn)3.3V電路、光電脈沖輸入電路、指示燈電路、通用串行總線（universal series bus, USB）通信電路、藍(lán)牙通信模塊和微控制單元（micro-controller unit, MCU）十大模塊構(gòu)成，其模塊框圖如圖1所示。

圖1 智能電表測量終端模塊框圖

兩路電壓、電流信號通過輸入信號端口接入各自的取樣放大電路，取樣放大電路對信號進(jìn)行濾波、整形、放大等處理后送入MCU中，MCU對處理后的信號進(jìn)行AD模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過快速傅里葉變換（fast Fourier transformation, FFT）運(yùn)算得到被測信號的幅值和相位等信息；為保證測量的精度，測量終端使用了外部基準(zhǔn)電壓作為測量的參考電壓；光電脈沖輸入電路利用脈沖輸入線采樣脈沖信號進(jìn)行電能誤差校驗(yàn)；利用AC-DC電源隔離模塊從被測電壓信號處取電，然后經(jīng)過3.3V電路生成測量終端各個模塊需要的穩(wěn)定3.3V工作電壓；供電后，指示燈點(diǎn)亮，表示測量終端通電，與智能手機(jī)端連接并開始測量數(shù)據(jù)時，工作燈不斷閃爍，表示測量終端工作正常；藍(lán)牙通信模塊和USB通信電路與測量終端MCU連接，用于測量終端同智能手機(jī)的通信，將測量結(jié)果發(fā)送到智能手機(jī)，測量終端既可通過藍(lán)牙通信模塊與智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)無線通信，也可通過USB數(shù)據(jù)連接線與智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)有線通信，并可查看更多信息。

2 PDA 視頻處理

2.1 圖像預(yù)處理

在進(jìn)行PDA視頻處理時，圖像質(zhì)量的好壞直接影響識別算法的效果。圖像信息存儲和傳輸過程中會被各種各樣的噪聲干擾，為了從含噪圖像中提取更多的有用信息，滿足后續(xù)處理的需要，圖像預(yù)處理是必要的[3]。一般圖像預(yù)處理流程如圖2所示。

圖2 一般圖像預(yù)處理流程

通過攝像頭獲取到的圖像為彩色圖像。每個圖像的像素對應(yīng)于二維空間中一個特定的位置，并且有一個或者多個與該點(diǎn)相關(guān)的采樣值組成數(shù)值；為使后續(xù)圖像的計(jì)算量減少，需對圖像進(jìn)行灰度化處理。

在RGB模型中，彩色圖像中的每個像素的顏色由R、G、B三個分量決定。如果R=G=B，則彩色表示一種灰度顏色，其中R=G=B的值叫灰度值，因此灰度圖像每個像素只需一個字節(jié)存放灰度值，灰度范圍為0～255。本文首先使用平均值法對圖像進(jìn)行灰度化處理，實(shí)現(xiàn)的表達(dá)式為

中國聯(lián)塑集團(tuán)控股有限公司是中國領(lǐng)先的大型建材家居產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，擁有10000多種產(chǎn)品，是國內(nèi)建材家居領(lǐng)域產(chǎn)品體系最為齊全的生產(chǎn)商之一。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于家居裝修、民用建筑、市政給水、排水、電力通信、燃?xì)?、消防及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。在2008年北京奧運(yùn)會、2010年廣州亞運(yùn)會及上海世博會的部分場館建設(shè)中，聯(lián)塑均被指定為產(chǎn)品供貨商。銷售額突破100億元人民幣。

式中：G(i,j)為在圖片(i,j)處的灰度值；r(i,j)為在圖片(i,j)處的R分量值；g(i,j)為在圖片(i,j)處的G分量值；b(i,j)為在圖片(i,j)處的B分量值。

本文主要對獲取圖像進(jìn)行去噪處理，增強(qiáng)圖像有用信息；然后采用中值濾波算法對圖像進(jìn)行平滑處理，將原始圖像f(x,y)在空間借助模板S在(x,y)的領(lǐng)域上完成，得到處理后圖像為

將濾波模板下的統(tǒng)計(jì)排序結(jié)果代替中心像素值，很好地濾除了脈沖噪聲；其次采用二值化處理，將目標(biāo)用戶背景分類，進(jìn)行圖像腐蝕和膨脹操作，為后續(xù)識別做準(zhǔn)備。

2.2 基于幀差法的圖像目標(biāo)檢測

因?yàn)閿z像機(jī)采集的視頻序列具有連續(xù)性的特點(diǎn)，所以采用合適的圖像識別算法用于視頻序列尤為重要[4]。視頻中存在運(yùn)動目標(biāo)時，連續(xù)的幀和幀之間會有明顯的變化，如圖3所示。

圖3 幀間顯示圖像

幀間差分法[5]通過對視頻圖像序列的連續(xù)兩幀圖像做差分運(yùn)算獲取運(yùn)動目標(biāo)輪廓。當(dāng)監(jiān)控場景中 出現(xiàn)異常目標(biāo)運(yùn)動時[6-8]，相鄰兩幀圖像之間會出現(xiàn)較為明顯的差別，兩幀相減，求得圖像對應(yīng)位置像素值差的絕對值，判斷其是否大于某一閾值，進(jìn)而分析視頻或圖像序列的物體運(yùn)動特性。兩幀差分法流程如圖4所示，表達(dá)式為

圖4 兩幀差分法流程

式中：D(x,y)為相鄰兩幀圖像之間的差分圖像；I(t)和I(t-1)分別為t和t-1時刻的圖像；T為差分圖像二值化時選取的閾值；D(x,y)=1表示前景，D(x,y)=0表示背景。

針對運(yùn)動的物體過快或過慢現(xiàn)象，采用三幀差分法或者多幀差分法，對相鄰兩組的圖像進(jìn)行多次差分，能有效解決產(chǎn)生的“重影”或“空洞”現(xiàn)象[9]。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]介紹幀間差分法及其和其他算法的比較，體現(xiàn)該算法實(shí)現(xiàn)簡單、對于設(shè)備的要求不高、運(yùn)算速度快的特點(diǎn)。因此將其應(yīng)用于電表視頻目標(biāo)檢測的處理中能實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的效果。

3 基于PDA視頻處理的智能電表實(shí)時檢測

3.1 PDA 與終端連接

本文主要采用藍(lán)牙進(jìn)行PDA與終端的連接，具有以下三個特點(diǎn)，以保證通信的安全性：①藍(lán)牙支持短距離通信，設(shè)計(jì)裝置主要針對現(xiàn)場使用，對于測試數(shù)據(jù)實(shí)時讀取，不涉及讀取電表內(nèi)部其他信息或有關(guān)隱私方面數(shù)據(jù)；②設(shè)計(jì)裝置的藍(lán)牙通信是配對使用，在建立連接之前保證了通信的安全性；③采用自定義通信協(xié)議進(jìn)行解析，不了解通信協(xié)議則無法與測量硬件通信，保證現(xiàn)場使用的安全性。

3.2 實(shí)時檢測

本檢測裝置的處理方法將電能計(jì)量的遠(yuǎn)程在線檢測系統(tǒng)[10]進(jìn)行優(yōu)化。PDA端帶有應(yīng)用軟件，通過藍(lán)牙或USB可以與測量終端連接，既可以實(shí)時顯示被測的電壓、電流、相位、功率、諧波和波形等，也可以設(shè)置被檢電表的時常數(shù)、校驗(yàn)圈數(shù)等校驗(yàn)參數(shù)。利用攝像頭代替光電頭采樣器采集脈沖信號，利用動態(tài)圖像識別算法對電能表輸出脈沖進(jìn)行目標(biāo)識別和跟蹤，獲取電能輸出脈沖，進(jìn)行電能誤差校驗(yàn)。處理流程如圖5所示。

圖5 基于PDA視頻處理的實(shí)時檢測處理流程

1）圖像獲取

（1）PDA攝像頭拍攝電表圖片，自動識別電表類型時常數(shù)等，使用藍(lán)牙接口設(shè)置故障檢測模塊。

（2）調(diào)用系統(tǒng)相機(jī)錄像，根據(jù)需要校驗(yàn)的圈數(shù)，拍攝完整的脈沖閃爍周期，錄制的同時利用PDA藍(lán)牙實(shí)時讀取智能電表故障檢測模塊的電壓、電流和相位，保存好與視頻對應(yīng)的幅值時間信息。

（3）遍歷錄制視頻所有類型的流，找到視頻流，獲取視頻流中的編解碼上下文，并根據(jù)編解碼上下文中的編碼ID，查找對應(yīng)的解碼，打開解碼器，解碼一幀視頻壓縮數(shù)據(jù)，得到視頻像素?cái)?shù)據(jù)。

注：PDA攝像頭錄制時，被檢電能表脈沖燈必須完全熄滅或點(diǎn)亮，便于錄制識別。①將被檢電能表周圍光線調(diào)暗；②顯示器處于背光或關(guān)閉狀態(tài)；③避免脈沖燈反光；④遮住紅外發(fā)射和接收燈，避免手機(jī)攝像頭觸發(fā)電能表的紅外信號；⑤可定制相應(yīng)的工裝，測量時進(jìn)行現(xiàn)場遮擋，避免對攝像頭錄制時脈沖燈的影響。

2）脈沖燈識別判定

定位有功發(fā)光二極管位置，將獲取到視頻幀的時間信息與視頻燈是否閃爍[11]進(jìn)行綁定，并同步記錄錄制視頻時的電參數(shù)；利用圖像處理算法進(jìn)行識別。具體步驟為：①對圖像進(jìn)行高斯平滑、中值濾波、二值化、膨脹和腐蝕等預(yù)處理后，去除圖像噪聲，然后對圖像進(jìn)行圓形區(qū)域查找，獲取對應(yīng)的最優(yōu)矩形及對應(yīng)的點(diǎn)；②基于最優(yōu)地獲取一個Mask區(qū)域，統(tǒng)計(jì)紅色像素值出現(xiàn)的數(shù)量大小，與設(shè)定的閾值比較進(jìn)行判別。即采用幀差法在極短的時間內(nèi)比較視頻圖像序列中前后兩幀的圖像，通過對應(yīng)像素點(diǎn)的灰度差和顏色變化來判斷發(fā)光二極管是否從滅到亮。如果發(fā)現(xiàn)兩幀之間有差別值大于設(shè)定的閾值δ，說明當(dāng)前幀有發(fā)光二極管由滅到亮，有有功脈沖輸出。

3）電量同步計(jì)量

根據(jù)電表有功發(fā)光二極管從滅到亮的幀時刻獲得智能電表有功脈沖輸出時刻；進(jìn)行脈沖燈閃爍判別時同步計(jì)算電量累計(jì)，將校驗(yàn)圈數(shù)完成時的電能累計(jì)與智能電表進(jìn)行比對，對電表誤差進(jìn)行校驗(yàn)[12]，圖6為有功脈沖和測量結(jié)果比對顯示。

圖6 有功脈沖和測量結(jié)果比對顯示

設(shè)電表時常數(shù)為N，則

n個 有功脈沖檢驗(yàn)完成后智能電表電能=× 1 kW·h

4 試驗(yàn)與效果分析

針對兩臺（套）智能電表故障檢測裝置樣機(jī)作檢測及分析[13]。儀表1和儀表2的電壓、電流、相位誤差范圍，實(shí)測值與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差的最大值、最小值、典型值范圍見表1，脈沖校驗(yàn)和視頻校驗(yàn)電能誤差范圍見表2。

表1 電壓、電流、相位實(shí)測值與標(biāo)準(zhǔn)值誤差對比

表2 脈沖校驗(yàn)和視頻校驗(yàn)實(shí)測值與標(biāo)準(zhǔn)值誤差對比

根據(jù)兩臺表的性能測試數(shù)據(jù)可知，幅值和電能誤差都可以達(dá)到0.5級精度等級設(shè)計(jì)要求，滿足現(xiàn)場使用需求。

5 結(jié)論

基于PDA視頻處理技術(shù)的智能電表故障檢測裝置利用PDA攝像頭，無需打開計(jì)量表計(jì)的接線端子蓋，便可調(diào)用系統(tǒng)相機(jī)錄像。拍攝1～3個完整的脈沖閃爍周期，錄制的同時可利用PDA藍(lán)牙讀取校驗(yàn)儀測量的電壓、電流、相位，然后將視頻切片為圖像進(jìn)行處理，獲得智能電表有功脈沖輸出時刻；同時使用PDA藍(lán)牙讀取的測量值進(jìn)行電能累計(jì)，與智能電表進(jìn)行比對，完成誤差計(jì)算。計(jì)算精度滿足現(xiàn)場校驗(yàn)的需要，接線簡單，操作快捷方便；利用人工智能圖像識別技術(shù)結(jié)合儀表測量，適應(yīng)現(xiàn)代移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智能電表快速故障檢測和現(xiàn)場校驗(yàn)，提高安全生產(chǎn)率。