基于機(jī)器視覺(jué)的智能抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯建勤

(上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

工業(yè)領(lǐng)域中存在大量的儀表。這些儀表時(shí)刻監(jiān)控著生產(chǎn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)抄表方法采用人工抄表，存在以下問(wèn)題：成本高、頻次低；設(shè)備運(yùn)行狀況難以實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控；效率低、錯(cuò)誤率高，安全難以保證；部分儀表抄表困難。此外，一般車間儀表數(shù)量較大，如果將車間儀表全部更換為智能數(shù)字儀表不但成本高昂，而且會(huì)影響現(xiàn)有的生產(chǎn)。為此，設(shè)計(jì)一套低成本、大連接、靈活有效的智能無(wú)線視覺(jué)抄表系統(tǒng)是非常有必要的[1]。

本文所設(shè)計(jì)的基于機(jī)器視覺(jué)的智能抄表系統(tǒng)可以定時(shí)采集表盤(pán)信息，并采用機(jī)器視覺(jué)[2-4]、大數(shù)據(jù)處理與分析以及多種輔助分析模型等技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和分析。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)以短信的形式將數(shù)據(jù)推送給用戶，以保證工廠安全、可靠運(yùn)行。該系統(tǒng)無(wú)需布線、停機(jī)，即安即用；可賦能各種高危高難度抄表，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)(narrow band-Internet of Things,NB-IoT)基于長(zhǎng)期演進(jìn)(long term evolution,LTE)蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 具有低成本、低功耗、大連接、廣覆蓋[5-7]等優(yōu)勢(shì)，非常適合智能物流、智慧抄表等低速物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域?？紤]到工廠儀表比較分散且布線困難，為了保證儀表安裝的靈活、方便，本文采用NB-IoT無(wú)線通信技術(shù)作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),借助于運(yùn)營(yíng)商的基站，將數(shù)據(jù)快速、靈活地接入云端。

智能抄表系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能抄表系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Intelligent meter reading system architecture diagram

智能抄表系統(tǒng)由感知層、通信層、物聯(lián)網(wǎng)(internet of things,IoT)平臺(tái)層、應(yīng)用服務(wù)層和用戶層[8]組成。第一層為感知層，主要為智能視覺(jué)抄表終端，負(fù)責(zé)采集表盤(pán)的信息，并將信息上傳給通信層的NB-IoT基站。第二層為通信層，主要承擔(dān)感知層NB-IoT設(shè)備無(wú)線空口接入的任務(wù)，并與IoT核心網(wǎng)絡(luò)連接。核心網(wǎng)絡(luò)可以利用控制面板以及用戶端優(yōu)化銜接，調(diào)整流量大小，避免出現(xiàn)信息擁堵，其安全性優(yōu)于普通網(wǎng)絡(luò)[9]。第三層為中國(guó)電信IoT平臺(tái)層，負(fù)責(zé)匯入IoT的相關(guān)數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同感知的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)發(fā)給相關(guān)的應(yīng)用層。第四層為應(yīng)用服務(wù)層。智能抄表系統(tǒng)布署在云端，向用戶提供用戶管理服務(wù)、數(shù)據(jù)趨勢(shì)服務(wù)、終端管理服務(wù)、安裝綁定服務(wù)、儀表讀數(shù)服務(wù)、告警與報(bào)表服務(wù)等應(yīng)用程序(application program interface,API)接口。第五層為用戶層。用戶可以使用桌面的Web瀏覽器、手機(jī)應(yīng)用(application,APP)、微信小程序和工廠電子看板查看儀表讀數(shù)。

2 管理平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

智能抄表系統(tǒng)管理平臺(tái)的應(yīng)用服務(wù)布置在云端，采用目前流行的spring cloud微服務(wù)解決方案。該方案將復(fù)雜的應(yīng)用解耦為數(shù)據(jù)通信解析、視覺(jué)識(shí)別處理、客戶應(yīng)用、系統(tǒng)管理等單獨(dú)服務(wù)，從而更高效地分配及擴(kuò)展計(jì)算資源。其開(kāi)發(fā)布署更加靈活，布署拓展也可獨(dú)立開(kāi)展。其中，數(shù)據(jù)解析服務(wù)采用高性能的網(wǎng)絡(luò)通信框架Netty與硬件進(jìn)行交互，大大提升了系統(tǒng)的并發(fā)量和網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。平臺(tái)采用前后端分離設(shè)計(jì)，使用git工具進(jìn)行代碼和版本的管理，使模型迭代更新更加迅速。其應(yīng)用服務(wù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)行分離設(shè)計(jì)，使外網(wǎng)不能直接訪問(wèn)到數(shù)據(jù)服務(wù)器，因而數(shù)據(jù)安全可靠。

管理平臺(tái)主要功能包括用戶管理服務(wù)、終端管理服務(wù)、數(shù)據(jù)趨勢(shì)服務(wù)、安裝綁定服務(wù)、儀表讀數(shù)服務(wù)、告警與報(bào)表服務(wù)。用戶管理服務(wù)根據(jù)賦予的權(quán)限不同，訪問(wèn)的范圍也有所不同。數(shù)據(jù)趨勢(shì)服務(wù)主要以折線圖或者柱狀圖的形式展現(xiàn)感知層感知的表盤(pán)數(shù)據(jù)情況。終端管理服務(wù)主要是對(duì)感知層設(shè)備的狀態(tài)、信號(hào)、流量、使用流量和使用期限進(jìn)行管理。安裝綁定服務(wù)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)感知層設(shè)備的綁定，包括模板名稱、類型、系列號(hào)等信息。儀表讀數(shù)服務(wù)主要實(shí)現(xiàn)讀取感知層感知的儀表表盤(pán)圖像、數(shù)據(jù)識(shí)別以及感知終端的信號(hào)質(zhì)量、拍攝時(shí)段、拍攝亮度和拍攝頻率等信息。告警與報(bào)表服務(wù)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)生的事件進(jìn)行告警提醒，并顯示告警類型、告警信息、日期、時(shí)間和設(shè)備位置，以及對(duì)識(shí)別分析的表盤(pán)信息以報(bào)表形式進(jìn)行查詢和打印。

3 系統(tǒng)感知層設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的感知層為智能視覺(jué)抄表終端，負(fù)責(zé)表盤(pán)信息的采集，是智能抄表系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。其設(shè)計(jì)主要包括三部分，分別為外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路板硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

3.1 外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境比較復(fù)雜、布線困難，視覺(jué)抄表終端采用電池和無(wú)線通信。外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括電路板主倉(cāng)、背蓋板、電池倉(cāng)、安裝支架。其中，電路板主倉(cāng)主體設(shè)計(jì)有拍攝孔、燈光孔。攝像頭由專門(mén)的固定裝置固定在電路板主倉(cāng)上，保證攝像頭與拍攝設(shè)備成平行平面。主倉(cāng)材料采用專門(mén)的透明材料，以保證燈光的透光率。背蓋板上預(yù)留有天線的安裝孔和產(chǎn)品相關(guān)的標(biāo)識(shí)。電池倉(cāng)里面可放置1塊19AH的鋰亞電池，以保證電池的續(xù)航能持續(xù)1年。為了更好地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)防水、防塵及振動(dòng)場(chǎng)景，電路板主倉(cāng)會(huì)經(jīng)過(guò)注膠處理，以確保電路板整體保護(hù)在密封膠內(nèi)。

3.2 電路板硬件設(shè)計(jì)

視覺(jué)抄表終端的電路板硬件設(shè)計(jì)主要包括電源模塊、圖像采集模塊、電池電壓采集模塊、微控制單元(micro control unit,MCU)模塊、調(diào)試模塊和NB-IoT通信模塊。視覺(jué)抄表終端原理如圖2所示。

圖2 視覺(jué)抄表終端原理框圖Fig.2 Block diagram of visual meter reading terminal

①電源模塊設(shè)計(jì)。

電源模塊主要包括兩部分，即供電電源和電源管理，整體實(shí)現(xiàn)視覺(jué)抄表終端的能量供給和電源分配管理。為了降低更換頻次，本文在設(shè)計(jì)的時(shí)候選擇低功耗的器件。供電電源采用放電緩慢、容量大的一次性鋰亞電池。電源管理模塊為終端設(shè)備的各個(gè)模塊進(jìn)行供電。為了保證設(shè)備的電源持久耐用，電源管理模塊全部選擇超低功耗RT9080系列的低壓差線性穩(wěn)壓器(low drop-out linear regulator,LDO)芯片。該芯片具有2 μA的超低靜態(tài)電流、0.1 μA的關(guān)斷電流、500 mA最大輸出電流。同時(shí)，針對(duì)攝像頭、功耗比較大的通信模組等器件，模塊采用單獨(dú)電源控制方案。當(dāng)MCU處于休眠狀態(tài)下，系統(tǒng)關(guān)閉攝像頭、通信模組的電源，從而盡可能地省電。同時(shí)，閃光燈可以單獨(dú)提供脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation nare,PWM)波以控制其亮滅，在拍照完成的情況下關(guān)閉閃光燈。

②圖像采集模塊設(shè)計(jì)。

圖像采集模塊是終端設(shè)備的核心，也是實(shí)現(xiàn)智能抄表的關(guān)鍵。該模塊體積小、電壓低，內(nèi)置數(shù)字信號(hào)處理(digital signal processing,DSP)單元，且價(jià)格較低，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。模塊在設(shè)計(jì)時(shí)采用3.3 V電源，經(jīng)過(guò)2路LDO降壓處理，可提供1.5 V和2.8 V的電源，分別為模組內(nèi)部的模擬電路和數(shù)字電路供電。模塊經(jīng)過(guò)1路有源晶振，給攝像頭提供12 MHz時(shí)鐘信號(hào)。考慮到拍照時(shí)攝像頭與表盤(pán)平行，擬對(duì)攝像頭的外形進(jìn)行定制，從而將其固定在外殼上。

③電池電壓采集模塊設(shè)計(jì)。

電池電壓采集模塊采用電阻分壓的原理，通過(guò)MCU內(nèi)置的12 bit 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analag-to-digital converter,ADC)轉(zhuǎn)換電路采集電池的電量。

④MCU模塊設(shè)計(jì)。

為了滿足產(chǎn)品低功耗設(shè)計(jì)需要，MCU模塊采用STM32L4系列芯片。這是一款帶浮點(diǎn)運(yùn)算器(floating point unit,FPU)內(nèi)核的超低功耗單片機(jī)。Cortex-M4內(nèi)核具有512 KB Flash、128 K RAM資源，在STOP2模式實(shí)時(shí)時(shí)鐘(real-time clock,RTC)運(yùn)行的情況下功耗為1.4 μA、D指令集，支持12 Bit ADC，以及3路集成電路總線(inter-integrated circuit,IIC)、6路通用異步收發(fā)傳輸器(unirersal asynchronais receiver transmitter,UART)、3路串行外設(shè)接口(serial preripherall interface,SPI)等。

⑤調(diào)試模塊設(shè)計(jì)。

調(diào)試模塊包括串行調(diào)試(serial wire debug,SWG)程序模塊和串口監(jiān)視模塊兩部分。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，串口監(jiān)視模塊可以顯示設(shè)備運(yùn)行的相關(guān)信息，包括設(shè)備的版本號(hào)、NB信號(hào)、拍照等相關(guān)信息，從而診斷設(shè)備情況。

⑥NB-IoT通信模塊設(shè)計(jì)。

NB-IoT通信模塊主要給平臺(tái)端提供通信服務(wù)。由于本次設(shè)計(jì)要兼顧戶外和振動(dòng)場(chǎng)景需求，所以在設(shè)計(jì)中采用內(nèi)置Esim卡的NB模組作為本次設(shè)計(jì)的通信模組。硬件設(shè)計(jì)考慮到模組的電平電壓為1.8 V，而MCU端的電壓為3.3 V，為了使兩邊的電平統(tǒng)一，在MCU端與模組端之間加了電平轉(zhuǎn)換電路。同時(shí)，電路中也設(shè)計(jì)了三極管轉(zhuǎn)換功能，以實(shí)現(xiàn)MCU端與模組端更好的通信。

3.3 電路板軟件設(shè)計(jì)

視覺(jué)抄表終端軟件流程如圖3所示。

圖3 視覺(jué)抄表終端軟件流程圖Fig.3 Visual meter reading terminal software flowchart

視覺(jué)抄表終端的電路板軟件自設(shè)備上電后，讀取配置區(qū)，獲取終端相關(guān)參數(shù)信息，包括服務(wù)器的IP地址、端口號(hào)、照片尺寸、閃光燈亮度等參數(shù)，并根據(jù)IP地址和端口號(hào)連接平臺(tái)端，同時(shí)發(fā)送鑒權(quán)請(qǐng)求指令。平臺(tái)端根據(jù)系統(tǒng)固件更新需求和用戶要求反饋信息給視覺(jué)抄表終端。視覺(jué)抄表終端進(jìn)行固件設(shè)備升級(jí)或者參數(shù)調(diào)整，并按照調(diào)整后的信息拍攝照片上傳給平臺(tái)端。上傳完畢之后，視覺(jué)抄表終端進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次的喚醒。

為了后續(xù)能靈活地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程程序更新，本研究設(shè)計(jì)了空中下載技術(shù)(over-the-air technology,OTA)升級(jí)模塊。OTA升級(jí)模塊由BootLoad、APP、APP配置區(qū)組成[10]。APP的指令支持從平臺(tái)獲取最新版本的固件，并寫(xiě)入OTA區(qū)域。在對(duì)新的固件校驗(yàn)成功之后，APP更新固件升級(jí)標(biāo)志位置，返回BootLoad。BootLoad將OTA區(qū)的固件寫(xiě)入APP段，并跳轉(zhuǎn)至APP，從而實(shí)現(xiàn)固件升級(jí)。

OTA升級(jí)模塊流程如圖4所示。

圖4 OTA升級(jí)模塊流程圖Fig.4 OTA upgrade module flowchart

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于機(jī)器視覺(jué)的智能抄表系統(tǒng)性能穩(wěn)定、效率高[11]、可擴(kuò)展性好，能夠按照用戶需求定時(shí)上傳表盤(pán)信息，還能對(duì)上傳信息進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別和分析，對(duì)超過(guò)閾值的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警提示，并以短信的形式發(fā)送給用戶。這將避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失，保證工廠安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。視覺(jué)抄表終端的認(rèn)證測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)備的防護(hù)等級(jí)可高達(dá)IP68，適應(yīng)各種戶外復(fù)雜場(chǎng)景；設(shè)計(jì)的多場(chǎng)景安裝支架，為用戶提供一站式的解決方案，保證了現(xiàn)場(chǎng)更大范圍的推廣應(yīng)用，將助力企業(yè)能源管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。