摄像式远传水表管理系统的设计与开发

摘要

我国现有传统水表已销售多年，市场比较大。为实现信息化管理的需要，水表应具有数据远传功能。若将现有传统水表改成远传水表，实施成本较高，故水表市场销售比较难以切入。本课题瞄准对现有水表的改造，设计并开发了摄像式远传水表管理系统，在现有水表的基础上加装摄像头，通过无线网络，传输水表图像数据，在降低成本的同时可以保证水费的正常收取，提高供水公司的工作效率，有着广阔的应用前景。
　　本文的摄像式远传水表管理系统是基于C/S模式开发实现的，摄像头和水表构成采集水表数据的终端，集中器通过RS485总线控制摄像头，定时获取图片数据，其GPRS模块将收到的图片数据通过Internet网上传给服务器。服务器将接收的图像数据解析、识别后，存储当前水表读数至数据库中。操作员通过人机界面客户端对服务器进行访问，实现水费收取、统计管理等用户功能需求，服务器也会响应请求并回复数据给客户端。本文研究的主要内容包括:
　　1.水表表头数字图像识别算法的研究。在实际水表图像采集过程中会引入各种各样的噪声，本文先通过预处理改善输入图像质量，包括彩色图像转为灰度图像、图像增强、噪声去除三方面。通过二值化方法实现目标与背景的分离，采用连通小区域去除法消除二值化后的噪声。通过区域定位法确定目标数字区域，对有倾斜的图像采用旋转投影法进行校正，然后采用数字字符分割法获取单字符图像。本文提出一种基于模板匹配的有效的二次识别算法，实现整字和半字识别。最后实现了粘连字符的识别以及高度自适应的字符识别。
　　2.水表管理系统服务器软件的设计与开发。分析了服务器的工作原理，基于单一职责原则设计了服务器的总体结构。服务器主要包括数据库、通信模块和数据库事务处理模块。对于数据库，基于用户需求，建立相关实体表、视图和存储过程，并设计了性能优化策略和备份恢复策略。通信模块的实现中，给出本文自定义通信协议，采用多线程技术实现与多个客户端大并发的数据收发与数据处理。数据库事务处理模块使用ADO.NET实现数据库的访问，根据标志位实现不同的应用功能。同时也完成了服务器端的界面设计。
　　3.水表管理系统客户端软件的设计与开发。客户端从层次结构上分为数据通信层、数据业务处理层和用户界面层。数据通信层利用基于TCP/IP的Socket套接字实现异步非阻塞网络数据通信，采用多线程技术实现底层通信。数据业务处理层是客户端应用功能的逻辑实现部分，重点讨论了用户管理模块功能的设计和实现方法。最后完成了各功能模块的用户界面设计。
　　为了验证摄像式远传水表管理系统是否满足各项设计指标，对系统分别进行了通信测试、水表图像识别率测试、功能测试、容错性测试。测试结果表明，系统运行稳定可靠，满足预定的要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 课题研究内容

1．4 本文的章节安排

第二章 摄像式远传水表管理系统总体设计

2．1 水表管理系统的工作原理

2．2 水表管理系统的总体架构

2．3 水表管理系统各组成部分工作原理

2．3．1 水表图像采集和集中器

2．3．2 服务器

2．3．3 客户端

2．4 软件开发平台介绍

2．4．1 图像识别开发环境

2．4．2 服务器开发环境

2．4．3 客户端开发环境

2．5 本章小结

第三章 水表表头数字图像的识别

3．1 数字字符识别综述

3．1．1 数字识别研究现状

3．1．2 水表表头数字识别内容

3．2 水表图像预处理

3．2．1 彩色图像转为灰度图像

3．2．2 图像增强

3．2．3 噪声去除

3．3 水表图像二值化

3．3．1 全局阈值二值化

3．3．2 局部阈值二值化

3．4 连通小区域去除

3．5 数字区域定位

3．5．1 数字区域粗略定位

3．5．2 数字区域精确定位

3．6 倾斜校正

3．6．1 倾斜角的检测

3．6．2 图像校正

3．7 数字字符分割

3．7．1 粗分割

3．7．2 细分割

3．8 数字字符识别

3．8．1 字符识别方法的选择

3．8．2 归一化处理

3．8．3 整字识别

3．8．4 半字识别

3．9 粘连字符的识别

3．9．1 问题的提出

3．9．2 问题的解决方法

3．9．3 实验结果

3．10 高度自适应识别

3．10．1 问题的提出

3．10．2 问题的解决方法

3．10．3 实验结果

3．11 本章小结

第四章 摄像式远传水表管理系统的服务器设计

4．1 服务器的原理与架构

4．1．1 服务器的原理

4．1．2 服务器的总体结构设计

4．2 数据库的设计与实现

4．2．1 需求分析

4．2．2 概念结构设计

4．2．3 逻辑结构设计

4．2．4 视图

4．2．5 存储过程

4．2．6 数据库的优化

4．2．7 数据库的备份与恢复

4．3 通信模块

4．3．1 通信协议的设计

4．3．2 基于多线程的数据接收

4．3．3 基于多线程的数据处理

4．4 数据库事务处理模块

4．4．1 ADO．NET数据库访问

4．4．2 数据库事务处理

4．5 服务器的主要类设计

4．5．1 C#内置通信类

4．5．2 服务器的类设计

4．6 界面设计

4．7 本章小结

第五章 摄像式远传水表管理系统的客户端设计

5．1 客户端总体结构设计

5．1．1 客户端层次结构

5．1．2 户端功能模块划分

5．2 数据通信模块

5．2．1 WinSock通信

5．2．2 Socket面向连接通信

5．2．3 通信模块类的设计

5．2．4 通信模块的实现

5．3 客户端功能模块介绍

5．3．1 用户管理模块的功能

5．3．2 主要功能的实现

5．4 用户界面设计

5．5 本章小结

第六章 摄像式远传水表管理系统的测试

6．1 软件测试

6．1．1 软件测试的原则

6．1．2 软件测试的目的

6．1．3 软件测试的内容

6．2 测试平台的搭建

6．3 通信测试

6．3．1 服务器与客户端通信测试

6．3．2 服务器与集中器通信测试

6．4 水表图像识别率测试

6．5 功能测试

6．6 容错性测试

6．7 本章小结

第七章 总结与展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文及获奖