劉昱岑 重慶大學(xué) 重慶沙坪壩 400044

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基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的家庭清潔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉昱岑 重慶大學(xué) 重慶沙坪壩 400044

【文章摘要】

中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加快了人們的生活節(jié)奏，同時(shí)也帶來(lái)了快節(jié)奏生活與低效的傳統(tǒng)清潔方式的劇烈沖突，人們急需一種更為高效的家居清潔方式，而計(jì)算機(jī)視覺(jué)的興起給新型的家居清潔方式帶來(lái)了可能。

【關(guān)鍵詞】

計(jì)算機(jī)視覺(jué)；家庭清潔系統(tǒng)；圖像處理技術(shù)

全球經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，在給人們帶來(lái)了便捷、舒適的同時(shí)，給人們帶來(lái)更多的是快節(jié)奏生活的壓力。據(jù)調(diào)查結(jié)果可知，55.6%的40歲及以下市民認(rèn)為自己的時(shí)間不夠用。在過(guò)去電子時(shí)代飛速發(fā)展的幾年里，世界范圍內(nèi)平均睡眠時(shí)間有了顯著的下降，在我國(guó)，國(guó)民平均睡眠時(shí)間與五年前相比減少了一個(gè)小時(shí)。在大多人都處于睡眠不足的情況下，調(diào)查結(jié)果卻顯示平均每人花費(fèi)2-2.5個(gè)小時(shí)用于做家務(wù)。無(wú)窮無(wú)盡的家務(wù)讓現(xiàn)代人更加疲憊的同時(shí)更壓縮了人們社交、娛樂(lè)、休息的時(shí)間。即便人們逐漸樹(shù)立起請(qǐng)家政人員從事家庭清潔活動(dòng)的觀念，可如今全國(guó)家政市場(chǎng)人員嚴(yán)重短缺，以昆明為例，每年光在非春節(jié)時(shí)期就有40%的缺口，到了春節(jié)時(shí)期人員短缺的形式更為嚴(yán)峻。在嚴(yán)峻的家政市場(chǎng)中，高空清潔的缺口是最大的。近些年來(lái)，平均每年有上百起高空玻璃擦洗事故發(fā)生，這深刻的顯示了落后低效的傳統(tǒng)清潔方式與快節(jié)奏生活的劇烈沖突，人們急需從繁雜、無(wú)盡的家務(wù)清潔中解脫出來(lái)。

社會(huì)發(fā)展到今天，家庭空巢成為中國(guó)老人居住的主要方式。中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2005年全國(guó)1%抽樣調(diào)查報(bào)告顯示我國(guó)65歲以上的人口占總?cè)丝诘?.69%，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入老年型社會(huì)。然而在老年人身體脆弱、行動(dòng)不便的情形下，傳統(tǒng)清潔的方式給老人的生活帶來(lái)了更多的隱患，考慮我國(guó)人口老齡化、獨(dú)居老人的社會(huì)問(wèn)題和一些行動(dòng)不便的殘疾人的需要，再考慮到落后、低效的清潔方式給人們帶來(lái)的疲憊與不便，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的家庭清潔系統(tǒng)越發(fā)具有重要意義。

1 國(guó)內(nèi)外家庭新興清潔工具的研究現(xiàn)狀

自上個(gè)世紀(jì)八十年代起，美日韓及歐洲各國(guó)都開(kāi)始致力于清潔機(jī)器人的研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。如今國(guó)外的研究者已經(jīng)能夠輕松實(shí)現(xiàn)清潔機(jī)器人對(duì)環(huán)境的識(shí)別技術(shù)和自主充電的功能。在國(guó)外學(xué)者對(duì)清潔機(jī)器人進(jìn)行研究的同時(shí)，近幾年來(lái)，我國(guó)的一些企業(yè)也開(kāi)始了相關(guān)的研究，并成功的研制出了自己的清潔機(jī)器人。由于高空玻璃擦洗事故頻繁發(fā)生，我國(guó)政府也逐漸重視起對(duì)家庭清潔機(jī)器人的研究，加大了對(duì)這方面的經(jīng)濟(jì)、人才投入。自2008年起，我國(guó)每年都會(huì)舉行如《高空清洗技術(shù)研討會(huì)》、《WAHT2012中國(guó)(北京)國(guó)際高空作業(yè)機(jī)械、安全防護(hù)用品及清洗設(shè)備展覽會(huì)暨論壇》的用于探討高空清潔發(fā)展?fàn)顩r的研討交流會(huì)，并鼓勵(lì)更多的人才參與到這些項(xiàng)目的研發(fā)。也正是由于國(guó)家的大力支持，我國(guó)對(duì)于清潔機(jī)器人的研發(fā)技術(shù)也取得了突飛猛進(jìn)的成績(jī)。比如在傳感器方面，我國(guó)能夠通過(guò)CCD攝像機(jī)、超聲波傳感器、紅外線傳感器等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的視覺(jué)導(dǎo)航定位、目標(biāo)識(shí)別和地圖構(gòu)造。而在路徑規(guī)劃方面，我國(guó)也能夠通過(guò)視圖法、自由空間法和柵格法等環(huán)境建模方法，利用隨機(jī)和局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的技術(shù)產(chǎn)生清掃路徑。

雖然中國(guó)乃至世界多個(gè)國(guó)家都致力于對(duì)家庭清潔工具的研究，但這類(lèi)產(chǎn)品的應(yīng)用存在著明顯的缺陷，如今的清潔工具主要分為兩類(lèi)，一類(lèi)是簡(jiǎn)單的清潔工具雖然造價(jià)便宜、易于掌握但清潔效率低下，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，高空清潔的簡(jiǎn)單工具更是導(dǎo)致了一幕幕從高樓跌下當(dāng)場(chǎng)身亡的人間慘案，根本無(wú)法滿足人們的需求。另一類(lèi)是以清潔機(jī)器人為主的復(fù)雜清潔工具，這類(lèi)清潔工具可以代替人類(lèi)從事高強(qiáng)度的幕墻清洗，但是造價(jià)昂貴、研發(fā)時(shí)間強(qiáng)，難以走進(jìn)尋常百姓家，短期時(shí)間內(nèi)難以普及。

目前的除清潔機(jī)器人以外的清潔工具研究中沒(méi)有引入計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的先例，因此導(dǎo)致家庭清潔工具無(wú)法在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，自動(dòng)進(jìn)行清潔行為。

2 基于圖像處理技術(shù)的新型家用清潔系統(tǒng)

本文是基于圖像處理技術(shù)和Wi-Fi無(wú)線傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)一種新型的家用清潔系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用CCD攝像頭對(duì)玻璃進(jìn)行圖像采集，將采集到的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)，PC機(jī)利用后續(xù)編寫(xiě)的圖像處理系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行特征提取，并實(shí)現(xiàn)對(duì)是否需要進(jìn)行清潔的判斷，并據(jù)此向清潔助手發(fā)出控制指令，再通過(guò)Wi-Fi無(wú)線通信傳輸?shù)姆绞綄⒖刂浦噶畎l(fā)送給清潔助手，清潔助手收到指令后自發(fā)控制清潔助手進(jìn)行系列清潔行為，整個(gè)過(guò)程無(wú)需人的參與，徹底實(shí)現(xiàn)了勞動(dòng)力的解放。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，圖2為系統(tǒng)軟件流程圖。

3 清潔系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

3.1圖像識(shí)別技術(shù)

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的家庭清潔系統(tǒng)中，圖像處理模塊主要是依靠數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)完成的。數(shù)字圖像處理(Digital image processing)就是利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理、特征提取、數(shù)據(jù)分析、圖像識(shí)別等操作，達(dá)到增強(qiáng)圖像、提取圖像特征和識(shí)別特征圖像的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃清潔程度的判斷。數(shù)字圖像處理技術(shù)主要包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

1)圖像預(yù)處理：運(yùn)用基本的圖像增強(qiáng)方法，減少圖像受到的影響，強(qiáng)化圖像特征。

2)特征提取：提取預(yù)處理后的圖像信息，將圖像特征數(shù)據(jù)化。

3)數(shù)據(jù)分析：分析特征數(shù)據(jù)，為圖像識(shí)別提供一種判斷標(biāo)準(zhǔn)。

4)圖像識(shí)別：運(yùn)用已定的標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別玻璃的清潔程度。

3.2Wi-Fi無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)

在PC機(jī)發(fā)出指令到清潔助手開(kāi)始工作的過(guò)程中，數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇成為了另一個(gè)重點(diǎn)。相比有線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有更大的靈活性，故而近些年來(lái)無(wú)線技術(shù)得到了較快的發(fā)展。如今的無(wú)限數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)主要包括Wi-Fi無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、ZigBee技術(shù)、藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)。在綜合分析各種無(wú)線技術(shù)的特點(diǎn)之后,我們發(fā)現(xiàn)相比于其他無(wú)線傳輸技術(shù)，Wi-Fi技術(shù)具有傳輸數(shù)據(jù)快、傳輸距離遠(yuǎn)、可移動(dòng)性強(qiáng)和價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì).具體如下：

1)傳輸速率上,盡管三者都工作在2. 4 GHz的頻段,但Wi-Fi的傳輸速率能達(dá)到11Mbit/ s,而藍(lán)牙和ZigBee一般只能達(dá)到1Mbit / s和250 Kbit / s。

2)傳輸距離上Wi-Fi的覆蓋半徑可以達(dá)到100m遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于其他無(wú)線AP ( access point)

3)WiFi技術(shù)支持無(wú)線組網(wǎng),只要設(shè)置一臺(tái)有效距離的無(wú)線AP ( access point) ,就可允多臺(tái)PC對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn);藍(lán)牙只能用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接; 而ZigBee在組網(wǎng)復(fù)雜時(shí),其傳輸速度會(huì)受到很大限制。

因此,我們決定選擇Wi-Fi技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。Wi-Fi技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：

1)Wi-Fi模塊的啟動(dòng)：對(duì)模塊進(jìn)行初始化處理，再使用主程序調(diào)用函數(shù)來(lái)查詢(xún)Wi-Fi狀態(tài)，通過(guò)改變電平的啟動(dòng)Wi-Fi模塊。

2)與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：模塊使用內(nèi)部集成了嵌入式 TCP / I P協(xié)議棧, 支持主流的常用協(xié)議, 如 ARP 、ICMP 、TCP 、UDP 、DHCP , 可以向用戶提供透明的UART 和 SP I數(shù)據(jù)傳輸。

3)數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)幀：將協(xié)議數(shù)據(jù)單元封裝在一組協(xié)議頭和尾中，使的無(wú)線通訊實(shí)現(xiàn)模塊化并易于管理。

4)數(shù)據(jù)通過(guò)WLAN傳輸給微處理器：微處理器接收數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)清潔助手工作。

4 結(jié)語(yǔ)

基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的家庭清潔系統(tǒng)，是一種基于圖像處理技術(shù)的自動(dòng)控制清潔工具的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的人主動(dòng)對(duì)房屋進(jìn)行清潔的模式，通過(guò)圖像處理技術(shù)，自動(dòng)判斷房屋是否需要清潔并控制清潔器具的開(kāi)關(guān)，達(dá)到自動(dòng)完成房屋清潔的效果，整個(gè)過(guò)程無(wú)需人的參與，真正做到方便快捷。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]王娟. 基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].東華理工大學(xué),2013.

[4]李曉陽(yáng). WiFi技術(shù)及其應(yīng)用與發(fā)展[J].信息技術(shù),2012,02:196-198.

劉昱岑（1995.01.08），女，漢，河南，本科，重慶大學(xué)。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2　系統(tǒng)軟件流程圖

【作者簡(jiǎn)介】