嵌入式远程抄表系统设计

摘要

中国的水资源短缺，人均占有量约为世界人均占有量的1/4，排世界第121位。水资源的科学管理和合理利用是关乎经济、民生的大事。在居民生活用水计量中，水表是应用最为广泛的用水计量装置。随着物联网技术的发展，远程抄表正在逐步取代传统的人工抄表。然而大多数的老式小区依然沿用的传统水表，传统的老式水表不能够满足远程抄表的需要。如果全部更换新式水表，不仅成本较高，而且替换下的老式水表依然能够正常工作，就造成了资源的浪费。受相关企业委托，开发一套摄像直读式远程抄表系统。要求在保留原有水表的基础上，采用远程抄表终端对水表读数进行拍摄识别和读数远传。
　　本文的工作内容如下:
　　(1)设计系统硬件和编写应用程序。系统硬件主要包括摄像头、图像采集和处理模块、GPRS传输模块。ARM主控芯片中需要移植嵌入式操作系统来运行图像处理程序。本文在S3C6410最小系统中安装了Linux3.0.1，编写了摄像头和GPRS模块的应用程序。本文通过安装配置交叉编译工具链和Linux环境变量，实现了水表读数识别程序交叉编译和移植工作。
　　(2)水表读数图像识别程序主要分为水表图像预处理和读数识别两个步骤。在水表读数图像的获取过程中，受到光线和水表注水字轮的影响，拍摄到的水表读数不够清晰，需要通过增强图像的对比度来提高水表读数的识别精度。增强图像对比度比较了灰度变换和直方图均衡化两种方式。前者的灰度值变换区间是固定的;后者是利用图像直方图调整图像对比度，对于太亮或太暗的图像均能达到增强图像对比度效果。使用canny算子对图像边缘信息进行提取，边缘检测是基于图像强度的一阶和二阶导数，对高阶噪声较为敏感。先采用高斯滤波进行降噪，再进行边缘检测，然后将图像中联通域进行填充。使用霍夫变换检测水表字轮中直线，并计算直线的倾斜角度，对水表图像进行校正。最后通过对水平和垂直方向上的字轮区域轮进行投影，获得水表字轮坐标。
　　(3)考虑到ARM的处理速度和水表读数样板量小的特点，对基于统计数字特征、模版匹配和基于神经网络等常用的数字识别方法进行比较。最终选择了模板匹配的方式，用平方差法对待匹配区域和读数模板进行比较，获得水表读数。本次实验总共拍摄了400幅水表图像来测量设计的抄表终端的识别正确度，识别正确率达到99.5％，平均耗时不超过0.5s。实验证明，基本能够满足用户的需要。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景和意义

1．2 水表抄表技术的研究现状

1．3 目前存在的问题

1．4 本文的主要工作

第二章 系统总体方案设计

2．1 远程抄表系统的需求分析

2．2 远程抄表系统的基本架构

2．3 系统硬件设计与选型

2．4 操作系统选型和软件平台搭建

2．4．1 嵌入式操作系统选型

2．4．2 上位机开发平台搭建

2．4．3 交叉编译工具安装

2．4．4 OpenCV移植操作

2．5 本章小结

第三章 水表读数图像获取和预处理

3．1 水表读数图像获取

3．1．1 Linux设备驱动的简介

3．1．2 Video for Linux Two(V4L2)简介

3．1．3 基于V4L2获取水表图像

3．2 水表读数图像的预处理研究

3．2．1 增强对比度

3．2．2 边缘检测

3．2．3 水表字轮的填充

3．2．4 水表图像校正

3．2．5 水表字轮定位

3．3 本章小结

第四章 水表读数识别方法

4．1 水表读数识别算法简介与比较

4．2 水表灰度图像模版匹配

4．3 本章总结

第五章 实验及结果分析

5．1 读数模板匹配实验

5．2 水表读数识别实验

5．3 影响读数识别准确率的因素分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况