基于圖像識別技術(shù)讀表系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

1 概述

隨著供熱企業(yè)對節(jié)能降耗、管理合規(guī)和信息化需求的不斷提高，各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集對于設(shè)備運行和能耗管理更加重要。傳統(tǒng)的人工抄表、巡檢方法不僅成本較高、效率較低，而且很難及時、準(zhǔn)確掌握設(shè)備運行狀態(tài)和用能情況。有的供熱企業(yè)雖已建成運營監(jiān)控平臺，但由于底層數(shù)據(jù)收集問題，導(dǎo)致后端的能耗分析、管理等功能較難發(fā)揮作用。

圖像采集及識別技術(shù)的一種應(yīng)用是儀表讀數(shù)的采集，在工業(yè)領(lǐng)域中，有大量的儀表采用表頭進(jìn)行數(shù)據(jù)的表征，現(xiàn)場人員可以直接觀察表頭來獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。隨著技術(shù)進(jìn)步，通過將自動化控制手段與圖像識別技術(shù)有機結(jié)合，可實現(xiàn)現(xiàn)場儀表讀數(shù)的采集、識別、儲存、分析的自動化完成。既節(jié)省了人工抄表成本，又提高了數(shù)據(jù)采集的效率與準(zhǔn)確性。本文對基于圖像識別技術(shù)讀表系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行探討，分析應(yīng)用效果。

2 讀表系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

讀表系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。讀表系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用管理層。數(shù)據(jù)采集層包括現(xiàn)場儀表、讀表終端設(shè)備?，F(xiàn)場儀表包括指針式儀表、字輪式儀表、數(shù)碼式儀表、液晶儀表等，主要用于工藝數(shù)據(jù)測量。讀表終端設(shè)備包括照相機、攝像機、圖像采集模塊，主要完成儀表讀數(shù)的圖像采集、發(fā)送以及接收控制指令等。網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用無線網(wǎng)絡(luò)將儀表讀數(shù)圖像傳輸?shù)綉?yīng)用管理層的上位服務(wù)器，然后利用阿里云等提供的圖像識別服務(wù)對圖像進(jìn)行識別，并將結(jié)果反饋并儲存在上位服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，以進(jìn)行二次利用和分析。

沿河地區(qū)民居建筑平面形式豐富，正房面闊三間、五間或七間，有相當(dāng)多采用帶檐廊和甩袖的平面形式，部分民居以窯洞為正房；廂房多采用三開間不帶甩袖的平面；臨時性或附屬建筑多為兩開間平面。山區(qū)民居院內(nèi)建筑等級差別不大，多為不帶甩袖的三開間平面。多開間及帶甩袖民居建筑平面的產(chǎn)生與當(dāng)?shù)夭煌H共同生活的居住模式息息相關(guān)。以五開間南北向建筑為例，“長輩一般住東邊三間，中間會有一個小廳，晚輩住西邊兩間（圖10）?！?）甩袖的做法可以增加室內(nèi)空間，前后墻一般都會砌筑小土炕，兩炕之間用土灶或火爐聯(lián)系，或者可將土灶砌筑在室外檐廊盡端。

2.2 讀表終端設(shè)備硬件的主要部分：圖像采集模塊

圖像采集模塊包括主控微處理器、圖像傳感器、緩存芯片、無線傳輸模塊、電源模塊、時鐘模塊等，組成見圖2。

主控微處理器通過外置引腳與其他模塊連接，實現(xiàn)與各模塊的數(shù)據(jù)與指令傳輸。圖像采集模塊利用圖像傳感器獲取儀表讀數(shù)圖像，經(jīng)緩存芯片傳輸至主控微處理器。主控微處理器將收到的儀表讀數(shù)圖像信息通過無線傳輸模塊發(fā)送到上位服務(wù)器，進(jìn)而通過圖像識別服務(wù)進(jìn)行識別并返回識別后的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程讀取儀表讀數(shù)的功能。讀表終端設(shè)備采用電池供電，電源模塊的設(shè)計充分考慮了低功耗與傳輸可靠性。

紫坪鋪龍?zhí)ь^無壓泄洪洞洞內(nèi)最大流速約45 m/s，經(jīng)水工模型試驗，將初步設(shè)計階段反弧末端2道通氣槽改為5道摻氣坎，其中斜井段（龍?zhí)ь^段）設(shè)置3道，導(dǎo)流結(jié)合段設(shè)置2道，使每道摻氣設(shè)施保護(hù)段長度均小于200 m。九甸峽工程有壓放空泄洪排沙洞在井塔式進(jìn)水口采用旁通充水管和通氣管，為防止高速水流沖蝕破壞，在閘門出口以后的泄槽（流速為 33～34 m/s）底部設(shè)垂直跌坎，以 1∶8底坡直至挑流鼻坎反弧段為起點，閘門后的泄槽兩側(cè)各突擴80 cm。

阿里云圖像識別服務(wù)是阿里云為開發(fā)者提供的一項基礎(chǔ)的圖像識別服務(wù)

，采用深度學(xué)習(xí)的算法。同時，此項服務(wù)對于開發(fā)人員也十分方便，只需要根據(jù)阿里云服務(wù)提供的API接口，在客戶端正確調(diào)用接口，即可返回識別后相應(yīng)格式的數(shù)據(jù)。此外，此項服務(wù)適用于任何編程語言的開發(fā)，大幅降低了開發(fā)門檻，減少了重復(fù)開發(fā)，擴大了應(yīng)用范圍。

2.3 讀表終端設(shè)備軟件

讀表終端設(shè)備軟件是在IAR Embedded Workbench集成環(huán)境(由瑞典IAR Systems公司為微處理器開發(fā)的一個集成開發(fā)環(huán)境)下利用C語言進(jìn)行開發(fā)的。軟件整體參照模塊化編程進(jìn)行設(shè)計，劃分為主控芯片驅(qū)動設(shè)置模塊、圖像采集模塊、無線通信模塊、電源管理模塊等。讀表終端設(shè)備軟件架構(gòu)見圖3。設(shè)備通電完成后，首先對各功能模塊進(jìn)行初始化，確保硬件具備正常工作狀態(tài)。接著判斷讀表終端設(shè)備是否已在云平臺中進(jìn)行注冊，已注冊的讀表終端設(shè)備可以正常接入平臺。隨后讀表終端設(shè)備進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)初始設(shè)定的時鐘中斷觸發(fā)時，調(diào)用圖像采集程序進(jìn)行現(xiàn)場儀表讀數(shù)拍攝取像，然后通過無線通信程序完成數(shù)據(jù)的上報，完成現(xiàn)場儀表讀數(shù)的遠(yuǎn)程圖像采集。

對于現(xiàn)場儀表讀數(shù)圖像的自動識別，依次通過調(diào)用阿里云圖像識別服務(wù)的API接口

，采用HTTP協(xié)議以POST方式上傳現(xiàn)場儀表讀數(shù)的圖像文件，然后以JSON格式接收阿里云圖像識別服務(wù)返回的識別結(jié)果。

綜合考慮批量采集、識別效率、開發(fā)難度等因素，采用阿里云提供的圖像識別服務(wù)。在此基礎(chǔ)上，以Java語言作為開發(fā)工具，實現(xiàn)了低成本、方便快捷的圖像識別應(yīng)用開發(fā)解決方案

。

2.4 圖像識別服務(wù)

圖像采集主要依靠圖像傳感器完成，在工作前，需要對圖像傳感器進(jìn)行初始化，包括I/O端口及寄存器序列，寄存器配置決定了圖像傳感器的工作模式(包括增益、通道控制、曝光、輸出格式、分辨率、成像方式、時鐘參數(shù)等)。緩存芯片的容量可以儲存2幀QVGA的圖像數(shù)據(jù)，因此將圖像傳感器設(shè)置為QVGA模式

。

圖像傳感器采用CMOS圖像傳感器，體積小巧，工作電壓低，可以輸出VGA、QVGA、QQVGA等格式圖像數(shù)據(jù)，對環(huán)境溫度不敏感，抗干擾能力強，在各種復(fù)雜條件下均能對現(xiàn)場儀表的讀數(shù)進(jìn)行很好地拍攝取像

。緩存芯片采用專門用于圖像數(shù)據(jù)儲存的緩存芯片，支持高速的異步串行I/O讀寫操作

。

4.4 減少非護(hù)理工作，提供良好支持 對于一些不需要專業(yè)護(hù)理人員完成的工作可由其他人員完成，減少護(hù)理工作量［5］。發(fā)揮輔助部門的效用，減少護(hù)士非護(hù)理工作的時間，減輕護(hù)士的壓力。發(fā)揮社會支持系統(tǒng)的作用，通過家庭、親友、同事等的支持，緩解護(hù)士的身心壓力。

3 應(yīng)用效果

圖像識別結(jié)果見圖4，圖4右側(cè)為當(dāng)前上傳的現(xiàn)場儀表讀數(shù)圖像，左側(cè)為歷次識別出的結(jié)果。

經(jīng)過測試，平均識別率可達(dá)到95%以上，識別用時達(dá)到ms級。識別后的數(shù)據(jù)還可進(jìn)入智慧數(shù)據(jù)平臺，方便管理人員隨時完成數(shù)據(jù)的監(jiān)控、修正、統(tǒng)計分析等操作，為上層數(shù)據(jù)分析平臺提供數(shù)據(jù)支持。

李嶠汝還真沒想到，母親竟然說出這樣的話。梁叔有工資，一個月接近兩千。就他們倆，吃不愁穿不愁的，還能有什么苦？李嶠汝自認(rèn)為自己做女兒還算稱職，平時經(jīng)常塞給母親一些零花錢，過年過節(jié)也會給他們買衣服買禮物。她自己離婚后，就更能理解母親當(dāng)年帶她的不易。當(dāng)然，她也不吃虧，樂樂的生活費都是母親和梁叔負(fù)擔(dān)，連學(xué)費都沒讓李嶠汝出過。聽說梁叔也曾有過兩個孩子，發(fā)大水給沖沒了。梁叔把父愛毫無保留地給了樂樂，比樂樂爸還疼她。

4 結(jié)語

基于圖像識別技術(shù)的讀表系統(tǒng)實現(xiàn)了對現(xiàn)場儀表讀數(shù)的拍照、上傳、識別。讀表系統(tǒng)的識別率達(dá)到了95%以上，識別用時達(dá)到ms級，可滿足供熱企業(yè)對儀表讀數(shù)的自動采集、識別需求。

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