基于圖像識別的車牌識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊蒙蒙，鄧三星，劉越奇，李克強(qiáng)，呂勇杰

（黃河交通學(xué)院 河南省智能制造技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河南焦作，454950）

0 引言

隨著中國汽車數(shù)量逐年增加，智能交通成為當(dāng)前科研研究的熱點(diǎn)，其中人工智能技術(shù)和圖像識別技術(shù)得到快速發(fā)展。車牌智能識別技術(shù)在智能停車場收費(fèi)管理、小區(qū)門禁管理等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[1~2]。通過單片機(jī)控制技術(shù)和圖像識別技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)一種基于OpenMV的車牌識別系統(tǒng)，通過OpenMV 模塊進(jìn)行車牌圖像準(zhǔn)確識別，并能夠進(jìn)行語音播報(bào)，且能通過OLED 模塊顯示車輛入場的計(jì)時(shí)提示、出場的繳費(fèi)提示，從而達(dá)到車牌識別系統(tǒng)智能控制的目的。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

■1.1 設(shè)計(jì)思路

車牌識別系統(tǒng)的硬件部分由主控芯片STM32F103、OpenMV 模塊、OLED 顯示模塊、語音模塊以及電源等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)通過攝像頭進(jìn)行車牌圖像采集，然后由主控芯片STM32 進(jìn)行圖像處理，輸出識別結(jié)果。單片機(jī)根據(jù)識別結(jié)果計(jì)算停車時(shí)長以及費(fèi)用，并驅(qū)動語音模板播報(bào)數(shù)據(jù)，最后將檢測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在OLED 中。

■1.2 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車牌識別系統(tǒng)的單片機(jī)最小系統(tǒng)由STM32F103C8T6芯片和相應(yīng)的外圍電路組成。STM32F103C8T6 芯片是由2.0~3.6 V的直流電壓供電[3]。該芯片是STM32 系列64位引腳和128K flash，采用單線串行輸出，以及JTAG 接口方式，具極高性能、極低價(jià)格、極低功耗等優(yōu)點(diǎn)。晶振電路是單片機(jī)運(yùn)行的一個(gè)重要因素。由于晶振電路的頻率穩(wěn)定性極好，而且這類電路能有效抵御外界因素的不利干擾，所以我們通常選擇晶振電路來產(chǎn)生系統(tǒng)參考頻率。使用晶振電路產(chǎn)生的頻率可以保證其頻率精度。

STM32F103C8T6 單片機(jī)最小系統(tǒng)包含1個(gè)8MHz 晶振、2個(gè)22pF 電容等，它是維持系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的基本電路。電路組成如圖1所示。

圖1 STM32最小系統(tǒng)電路圖

■1.3 OpenMV 車牌識別模塊

車牌識別系統(tǒng)的圖像識別模塊選用OpenMV，它是一款小巧，低功耗，低成本的攝像頭模塊[4]，其主要應(yīng)用于機(jī)器視覺領(lǐng)域。其核心為STM32F427，在緊湊的硬件模塊上，集成OV7725 攝像頭芯片，可采用C 語言高效實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺算法[5]。OpenMV 使用的STM32F427 硬件資源豐富，可 提 供UART、I2C、SPI、PWM、ADC、DAC、GPIO 接口，擴(kuò)展外設(shè)功能比較方便[6]。USB 接口用于將OpenMV IDE連接到計(jì)算機(jī)，以提供編程幫助、調(diào)試和固件升級。

■1.4 顯示模塊

車牌識別系統(tǒng)的顯示模塊采用OLED12864 模塊，用于車牌信息、停車計(jì)時(shí)與計(jì)費(fèi)信的顯示。OLED12864 顯示器分辨率為128×64, 屏幕尺寸為0.96 寸[7]。單片機(jī)系統(tǒng)地將控制電平信號輸入給顯示模塊中控制其顯示的內(nèi)容，且該系統(tǒng)都由這種方式將所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)顯示在這些模塊上面。OLED12864 液晶顯示屏原理圖如圖2所示。

圖2 顯示模塊電路圖

■1.5 語音播報(bào)模塊

車牌識別系統(tǒng)識別車輛車牌信息后，經(jīng)常需要在車輛進(jìn)出的時(shí)候需要播放特定的語音信息。因此本系統(tǒng)需要選擇一款性價(jià)比超級高，播放語音的音質(zhì)特別好的語音播報(bào)的模塊，系統(tǒng)通過串口控制且有4 路通道，電壓范圍8 ～24V的喇叭。語音播報(bào)模塊電路如圖3所示。

圖3 語音播報(bào)模塊電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■2.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開機(jī)后，首先初始化數(shù)據(jù)，基于STM32 和OpenMV 對車牌信息進(jìn)行相應(yīng)的識別工作。如果檢測到信號，就通過AD 轉(zhuǎn)換傳遞給單片機(jī)處理，然后驅(qū)動語音模塊播報(bào)入場信息，單片機(jī)刷新OLED，完成車牌號顯示。當(dāng)?shù)谝淮巫R別到車牌號，判定為車輛入場，開始計(jì)時(shí)，并語音播報(bào)：“你好，歡迎停車”。第二次識別到車牌號，判定為出場，停止計(jì)時(shí)，并將停車時(shí)長顯示在OLED 顯示模塊上，并將停車費(fèi)用顯示在OLED 屏上，同時(shí)語音播報(bào)：“一路順風(fēng)，歡迎下次光臨”。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

■2.2 子程序設(shè)計(jì)

圖像識別程序通過OpenMV 對車牌的圖像信息進(jìn)行拍攝以及識別，識別結(jié)果經(jīng)過模塊處理傳輸至單片機(jī)進(jìn)行判斷，執(zhí)行的過程如圖5所示。OLED 顯示程序設(shè)計(jì)主要是按照OLED的操作來進(jìn)行程序編寫，即按照寫指令、寫數(shù)據(jù)，寫地址的方式對需要寫入的數(shù)據(jù)依次進(jìn)行寫入。設(shè)計(jì)語音播報(bào)模塊，根據(jù)單片機(jī)處理識別結(jié)果之后驅(qū)動模塊進(jìn)行對應(yīng)的入場、出場語音播報(bào)。

圖5 OpenMV數(shù)據(jù)采集子程序流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試

■3.1 軟件調(diào)試

編程軟件選擇Keil 4 軟件，采用C 語言進(jìn)行編程。首先編寫車牌識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)代碼，然后在Keil 4 軟件進(jìn)行代碼編譯并調(diào)試，對出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行排查，編譯成功將.hex文件下載至單片機(jī)，對程序燒錄，最后進(jìn)行OpenMV、語音播報(bào)模塊、顯示傳感器子程序調(diào)試。觀察車輛的入場和出場是否能夠正確獲取數(shù)據(jù)，驅(qū)動語音模塊進(jìn)行響應(yīng)播報(bào)。程序編譯效果如圖6所示。

圖6 編譯效果圖

主要源程序如下：

#include "sys.h"

#include "delay.h"

#include "FreeRTOS.h"

#include "task.h"

#include "stdio.h"

#include "sys_cfg.h"

#include "log/log.h"

#include "sys_boot.h"

//任務(wù)句柄

TaskHandle_t StartTask_Handler;

//任務(wù)函數(shù)

void start_task(void *pvParameters);

TaskHandle_t LED0Task_Handler;

//任務(wù)函數(shù)

void led0_task(void *pvParameters);

int main()

{

HAL_Init(); //初始化HAL庫

HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYG ROUP_4);

Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9);//設(shè)置時(shí)鐘,72M

__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();

__HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE();

__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();

__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();

__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();

__HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE();

//使能I/O 復(fù)用時(shí)鐘 //使能ADC1 時(shí)鐘

delay_init(72); //初始化延時(shí)函數(shù)

log_init();

sys_boot(); /*系統(tǒng)啟動*/

return(1);

}

void start_task(void *pvParameters)

{

taskENTER_CRITICAL(); //進(jìn)入臨界區(qū)

vTaskDelete(StartTask_Handler);

//刪除開始任務(wù)

taskEXIT_CRITICAL(); //退出臨界區(qū)

}

//LED0 任務(wù)函數(shù)

void led0_task(void *pvParameters)

{

float dis = 0;

while(1)

{

printf("1111");

vTaskDelay(1000);

}

}

■3.2 硬件調(diào)試

系統(tǒng)首先利用OpenMV 通過對大量車牌圖像樣本進(jìn)行訓(xùn)練，生成模型，提高系統(tǒng)對車牌圖像的識別效率和正確率。模型訓(xùn)練好之后，將OpenMV 模塊對準(zhǔn)測試的車牌號就可以進(jìn)行識別。訓(xùn)練測試效果如圖7所示。

圖7 訓(xùn)練測試效果圖

利用OpenMV 對車牌圖片訓(xùn)練過程中，識別到某個(gè)字符時(shí)，拉高相應(yīng)OpenMV 引腳的電平。STM32 單片機(jī)在檢測對應(yīng)引腳電平過程中，檢測某引腳為高電平，判定為識別到對應(yīng)的車牌，然后由主控芯片向OLED12864 顯示模塊發(fā)出指令，顯示車牌信息。

具體識別過中，首先對車輛進(jìn)行進(jìn)場識別，OpenMV正確識別車牌信息后，OLED12864 顯示模塊顯示歡迎停車與車牌信息，如圖8所示。

圖8 車輛進(jìn)場識別效果圖

車輛出場時(shí)，OpenMV 再次對車輛信息進(jìn)行出場識別，正確識別車牌信息后，OLED 12864 顯示模塊顯示停車時(shí)長，并自動計(jì)算費(fèi)用，如圖9所示。

圖9 車輛出場識別效果圖

4 結(jié)語

仿人機(jī)器人的步態(tài)行走設(shè)計(jì)，利用STM32 單片機(jī)來控制開源舵機(jī)控制器，進(jìn)而操作舵機(jī)，完成仿人機(jī)器人的行走、轉(zhuǎn)彎、翻滾動作，可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試與脫機(jī)運(yùn)行，動作相對穩(wěn)定、姿態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。仿人機(jī)器人脫機(jī)調(diào)試時(shí)，能夠做到斷開與上位機(jī)的連接后，脫機(jī)自動運(yùn)行編寫好的動作組文件，各模塊配合運(yùn)行平穩(wěn)，舵機(jī)角度可無級調(diào)節(jié)、扭矩大，能勝任一些較復(fù)雜動作，動作運(yùn)行流暢，但是也存在一些問題，例如受限于電池包的重量體積等，故機(jī)器人續(xù)航時(shí)間較短，不能連續(xù)長時(shí)間運(yùn)行，這些都需要在后期的改進(jìn)中逐步優(yōu)化，本設(shè)計(jì)為國內(nèi)外相關(guān)仿人機(jī)器人的研究提供了一些借鑒。

基于圖像識別的車牌識別系統(tǒng)利用OpenMV 模塊和STM32F103C8T6 單片機(jī)，完成圖像識別硬件電路設(shè)計(jì)和軟件流程設(shè)計(jì)，通過大量車牌樣本數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，得到訓(xùn)練模型，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛進(jìn)場和出場的快速車牌識別，并通過設(shè)計(jì)語音播報(bào)模塊進(jìn)行語音播報(bào)提示，最后通過OLED12864 模塊顯示車輛停車時(shí)間，并可實(shí)現(xiàn)自動計(jì)費(fèi)功能，初步實(shí)現(xiàn)車牌識別系統(tǒng)智能控制效果，為智能停車場提供參考案例。