導(dǎo)語(yǔ)：能源計(jì)量器具識(shí)采系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:數(shù)顯式計(jì)量器具識(shí)采系統(tǒng)利用自主開(kāi)發(fā)的圖形識(shí)別數(shù)據(jù)提取技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，主動(dòng)識(shí)別計(jì)量器具上顯示的數(shù)字，傳送到能耗數(shù)據(jù)采集終端，是能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的良好補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集;圖形識(shí)別

能源計(jì)量器具的數(shù)據(jù)采集是完善重點(diǎn)用能單位能源計(jì)量體系，提高能源管理精細(xì)化水平的基礎(chǔ)。在進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的工作中，采集系統(tǒng)需從具備數(shù)字輸出功能的相應(yīng)智能計(jì)量器具讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。而企業(yè)情況千差萬(wàn)別，在工作中常遇到非智能能源計(jì)量器具不宜改造，或改造成本較高的情況，不便于實(shí)時(shí)能耗計(jì)量數(shù)據(jù)的采集。為解決這一矛盾，貴州省計(jì)量測(cè)試院研制了這一套數(shù)顯式量器具識(shí)采系統(tǒng)，可在不影響企業(yè)生產(chǎn)、不用改造計(jì)量?jī)x表的情況下，實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。本文介紹了該識(shí)采系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)的功能。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1圖像識(shí)別開(kāi)發(fā)基本流程。識(shí)采系統(tǒng)關(guān)鍵是識(shí)別能源計(jì)量器具上的數(shù)字并進(jìn)行采集，識(shí)別的過(guò)程需要利用計(jì)算機(jī)或其他數(shù)字設(shè)備對(duì)圖像信息進(jìn)行各種加工和處理，抽取輸入樣本的模式表達(dá)形式與預(yù)先存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中標(biāo)準(zhǔn)樣本的模式表達(dá)形式進(jìn)行逐一比對(duì)，用一定的準(zhǔn)則進(jìn)行判斷，找出最接近輸入樣本表達(dá)形式進(jìn)行匹配。［1－2］其識(shí)別過(guò)程主要包括圖像采集、圖像預(yù)處理、特征提取、模式匹配四個(gè)環(huán)節(jié)，一個(gè)典型的識(shí)別過(guò)程如圖1所示。［4］1.2圖像采集。第一步需要用圖像采集設(shè)備對(duì)能源計(jì)量器具的顯示結(jié)果進(jìn)行攝取并錄入到系統(tǒng)軟件中進(jìn)行后續(xù)處理。雖然只是簡(jiǎn)單的一副圖像，但企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，為達(dá)到均勻補(bǔ)光防止反射的效果，鏡面采用防霧化處理。并配有補(bǔ)光裝置，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)節(jié)亮度。1.3圖像傾斜矯正。由于拍攝角度的問(wèn)題，有的圖像數(shù)字傾斜情況較為明顯，傾斜矯正的目的是要將數(shù)字的豎邊矯正為豎直方向。在這之前為減少計(jì)算量，需要對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，可以采用opencv中的canImage類的cvCreateImage()函數(shù)去除無(wú)效圖像，［3］再進(jìn)行hough變換并將圖像旋轉(zhuǎn)到豎直方向(如圖2)。1.4圖像預(yù)處理。獲得的目標(biāo)數(shù)字圖像中，常有復(fù)雜的顯示裝置背景和自然背景等，因此需要進(jìn)行圖像變換、復(fù)原和校正、去噪等一系列操作來(lái)消除對(duì)圖像的影響。預(yù)處理是圖像自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中非常重要的一步，目的是把圖像變成一幅清晰的點(diǎn)線圖，便于提取正確的圖像特征，包括灰度化、二值化，去除噪點(diǎn)、膨脹與腐蝕、字符分割等。1.4.1圖像的灰度化、二值化用攝像頭攝錄得到的圖像是24位真彩圖像，又稱為RGB圖像，為減少計(jì)算量，需要將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，圖像的灰度化常用加權(quán)平均值法進(jìn)行。數(shù)學(xué)表達(dá)式為:Gray(i，j)=0.11×R(i，j)+0.59×G(i，j)+0.3×B(i，j)式中:Gray(i，j)—灰度圖像的像素灰度值;R(i，j)—紅色通道值;G(i，j)—綠色通道值;B(i，j)—藍(lán)色通道值。OpenCV提供了灰度化的API:cvtColor()函數(shù)將原圖m_Mat灰度化，可以直接調(diào)用。圖像經(jīng)過(guò)灰度化處理后是由256個(gè)灰度級(jí)別組成的灰度圖像，背景像素容易干擾數(shù)字圖像，因此要進(jìn)行二值化，設(shè)計(jì)時(shí)定義函數(shù)Image::Binarization()來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行效果如圖3、圖4所示。1.4.2去除噪點(diǎn)Opencv庫(kù)有兩個(gè)用于去除噪點(diǎn)的操作的函數(shù):連通域法(cvStartFindContours)和泛水填充法(flood-Fill)。連通域法主要思路就是先求出連通域的輪廓，然后用指定的形狀擬合，然后求每個(gè)連通域的面積。泛水填充法floodFill(Mat，cvPoint(i，j)，cvSca-lar(color))就是將與坐標(biāo)為cvPoint(i，j)連通的所有的點(diǎn)的顏色都改為cvScalar(color)，兩個(gè)算法組合來(lái)使用，先采用泛水填充法降噪，再使用連通域算法，噪點(diǎn)能去除得比較干凈。1.4.3圖像膨脹、腐蝕處理經(jīng)上述處理之后的數(shù)字圖像常需要通過(guò)膨脹處理使中值和模糊平滑處理，讓數(shù)字變得連續(xù);如果膨脹過(guò)大可以進(jìn)行腐蝕運(yùn)算。膨脹是將圖像中高亮區(qū)域的領(lǐng)域擴(kuò)大，可用函數(shù)Imgproc.dilate()。相反，腐蝕為圖像中高亮區(qū)域的領(lǐng)域縮小，可用函數(shù)Img-proc.erode()，如圖5、圖6所示。1.4.4數(shù)字圖像分割并存儲(chǔ)識(shí)別時(shí)，需要將圖片上的字符一個(gè)個(gè)“扣”下來(lái)，得到單個(gè)的字符，再進(jìn)行OCR識(shí)別。字符的粘連是分割的難點(diǎn)。Opencv的泛水填充法floodFill(m_Mat，cvPoint(i，j)，cvScalar(color))可以用于圖片分割。1.4.5數(shù)字圖像識(shí)別識(shí)別是把圖像還原回字符文本的過(guò)程，包括特征提取和模式匹配等操作。常用做法是:先獲取數(shù)字圖片的特征碼，再用各種算法對(duì)特征碼進(jìn)行分類并打上相應(yīng)的類標(biāo)簽。將最終得到的特征碼與我們預(yù)先設(shè)置好的訓(xùn)練樣本特征庫(kù)內(nèi)的特征碼進(jìn)行逐一比對(duì)，如果匹配成功則返回正確的結(jié)果。訓(xùn)練樣本準(zhǔn)備好后，在OpenCV中創(chuàng)建相應(yīng)的分類器非常方便。有很多封裝好的分類器，如KNN、NN、SVM等。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)組成。文中設(shè)計(jì)的能源計(jì)量器具識(shí)采系統(tǒng)包括采集控制終端和圖像采集前端。終端是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，通過(guò)運(yùn)行定制軟件來(lái)控制各個(gè)節(jié)點(diǎn)的圖像采集及分析、存儲(chǔ)和上傳，文件的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)分析識(shí)別，原始文件和識(shí)別后數(shù)據(jù)的保存，調(diào)用，并將識(shí)別好的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到指定設(shè)備。定制的圖像數(shù)字識(shí)別軟件調(diào)用OPENCV庫(kù)文件和自己制作的庫(kù)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)多種現(xiàn)場(chǎng)情況的圖像識(shí)別功能。前端圖像采集部分由單片機(jī)控制模塊與攝像頭組成。前端圖像采集部分包括補(bǔ)光處理、圖像采集、傳輸?shù)裙δ堋２杉?jié)點(diǎn)之間采用工業(yè)485總線結(jié)構(gòu)，將所有設(shè)備連接在一起構(gòu)成有線的前端采集系統(tǒng)，這樣可滿足工業(yè)企業(yè)距離遠(yuǎn)、傳輸可靠的特點(diǎn)。其中圖像采集攝像頭實(shí)現(xiàn)原始圖像的采集。為適應(yīng)工業(yè)能源計(jì)量數(shù)據(jù)采集環(huán)境，攝像頭整體防水并采用定焦模式，單片機(jī)模塊及攝像頭模組都放在防水殼體內(nèi)部。通過(guò)尾部的引線與系統(tǒng)連接。如圖7，在系統(tǒng)設(shè)備安裝時(shí)將鏡頭的焦距調(diào)節(jié)好，以后在使用過(guò)程中不再改變。為達(dá)到均勻補(bǔ)光防止反射的效果，鏡面采用霧化處理。2.2系統(tǒng)測(cè)試。文中設(shè)計(jì)的能源計(jì)量器具識(shí)采系統(tǒng)最終要實(shí)現(xiàn)對(duì)字輪顯示、數(shù)碼管顯示、或者是液晶顯示的非智能表具的圖像識(shí)別。系統(tǒng)工作過(guò)程如圖8所示。單片機(jī)系統(tǒng)控制攝像頭和補(bǔ)光燈，對(duì)非智能表具的讀數(shù)界面拍照，將照片傳輸?shù)讲杉K端，終端接收用定制程序?qū)φ掌械膱D像數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，保存所有數(shù)據(jù)記錄(包括原始圖像及識(shí)別后的數(shù)據(jù))，將識(shí)別出來(lái)的數(shù)據(jù)保存成指定格式文件記錄，供其它程序調(diào)取。經(jīng)過(guò)多次調(diào)試及改進(jìn)，本系統(tǒng)對(duì)于數(shù)碼管顯示和液晶顯示的計(jì)量器具的識(shí)別沒(méi)有問(wèn)題。在識(shí)別讀數(shù)為字輪顯示的水表時(shí)，字輪在連續(xù)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中可能停留在圓周的任何一個(gè)位置，尤其當(dāng)停留在進(jìn)位狀態(tài)時(shí)，識(shí)別的準(zhǔn)確率有所下降。為此，我們下一步建立相應(yīng)的半字特征庫(kù)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)軟件可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)功能，隨著樣本數(shù)據(jù)量的不斷增加，逐步減少識(shí)別錯(cuò)誤或識(shí)別混亂的情況，達(dá)到更高的識(shí)別準(zhǔn)確率(見(jiàn)圖9)。

3結(jié)論

數(shù)顯式計(jì)量器具識(shí)采系統(tǒng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，依托圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)原本無(wú)數(shù)據(jù)接口的計(jì)量器具實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集，能很好的適應(yīng)能耗計(jì)量數(shù)據(jù)的采集工作，大大縮短計(jì)量器具改造安裝時(shí)間。在提高工作效率的同時(shí)，最大程度避免人為因素的誤差。經(jīng)過(guò)數(shù)顯式計(jì)量器具識(shí)采系統(tǒng)定時(shí)定點(diǎn)的采集，可滿足不宜改造的能源計(jì)量器具數(shù)據(jù)采集的需要，是能耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的良好補(bǔ)充。

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作者:張怡 吳曉雪 李騁 單位:貴州省計(jì)量測(cè)試院