仪器仪表数字 像的识别及其应用

　　摘要：本文针对仪器仪表应用环境的实际情况，设计了数字图像识别硬件平台，采用STC12LE5A60S2单片机驱动图像传感器OV7670采集图像，可减少由人为因素或传感器干扰引起的数据错误，省去采集卡，节省了成本。通过无线通信，成功地将数字图像识别技术应用到了检测环境中。经过试验，证明了系统的稳定性。

　　关键词：图像采集;无线通信;STC12LE5A60S2;OV7670引言

　　目前，仪器仪表被广泛地应用于各行各业的测量系统中。但是，由于某些仪器仪表只是通过LCD、LED数码管或者表盘来显示数值，并没有提供数据传送的接口，因此很难实现数据的自动采集以及保证数据的实时性和准确性，难以满足对测量系统工作自动化的要求[1]。现如今，随着科学技术的不断进步，对测量系统的管理也从人工监管方式逐步向自动管理方式转变[2]。为了提高系统的工作效率，需要对测量系统所采集的数据进行实时监控，控制中心要快速、准确、自动获取所需数值，这是急需解决的问题。

　　为了使系统能够很好地实现控制功能，笔者设计出基于数字图像的仪器仪表读数识别系统。该系统利用单片机控制图像传感器自动读取仪器仪表的数字图像，经过图像处理和图像识别技术，将识别结果通过无线网络传输，传送至控制中心，由控制中心对采集数据进行综合管理，从而真正实现数据的统一管理和对系统控制的自动化。

　　数字图像识别系统

　　仪器仪表数字图像采集系统主要组成部分有单片机、图像传感器、LCD显示器、无线收发模块以及数据存储器，系统功能框图如图1所示。单片机作为系统的控制核心，控制图像传感器采集仪器仪表数字图像，将仪器仪表图像数据存储在扩展的外部数据存储器中，利用数字图像处理和模式识别技术读取仪器仪表数字，通过无线收发模块将仪器仪表数字发送到控制中心，控制中心可以直观地显示所采集的数据并对数据进行统一管理。

　　图像采集电路

　　本设计中，仪器仪表图像数据采集模块选用的图像传感器是美国OmniVision公司的彩色/黑白CMOS图像传感器OV7670，该传感器可以通过I2C总线进行对其内部寄存器进行配置，使得输出数据速率、格式都可以得到改变，且输出数据已经做完分离，处理起来相对也比较容易[3～4]。基于功能的实现和价格两方面的考虑，本设计最终决定选取该型号图像传感器作为图像数据采集的核心器件。

　　由于OV7670图像传感器的工作电压为2.45V到3V，对外部工作时钟频率在10MHz到48MHz，因此控制芯片选用宏晶科技的单时钟/机器周期的STC12LE5A60S2单片机。该单片机工作电压在2.2V到3.6V，能够和OV7670图像传感器理想匹配;工作频率在0~35MHz，且内部含有波特率发生器，最大可以产生12MHz的方波[5～6]，该信号可以作为OV7670图像传感器的外部工作时钟，也满足了OV7670图像传感器对工作时钟频率的要求。图像采集硬件电路图如图2所示。

　　图像传感器的SDA和SCL分别为内部寄存器配置数据线和时钟线，单片机通过P1.2、P1.3模拟I2C总线对图像传感器内部寄存器进行配置，使得图像数据输出为QVGA格式，在QVGA的基础之上再次对输出数据进行水平、垂直方向分别8抽样，使得最终输出为像素为60×80;帧同步输出信号VSYNC引脚接入单片机P3.2口，由P3.2引脚捕捉该信号，当捕捉到帧同步输出信号时，开始采集仪表图像数据，图像有效数据是通过单片机对有效像素信号捕捉获取的，有效像素信号是指图像传感器像素时钟信号PCLK接74HC74二分频后与行同步信号HREF经过与非门的信号;主函数中对像素时钟信号PCLK进行捕捉，在该信号有效时，选通图像采集数据控制线，将图像保存在缓存，然后使图像数据线无效，将缓存数据存储到62LV256存储器中，这样就得到了一个像素点的灰度值;行同步信号HREF接入单片机定时器T0中断，当单片机捕捉到该信号时，行地址加1，当采集完最后一行时将标识置1，退出图像采集程序，到此完成对一帧图像的采集。

　　一帧采集完事之后通过无线收发模块传送至控制中心，控制中心利用该数据按照BMP格式进行组装，生成BMP文件显示。74HC573主要是利用分时复用技术解决单片机资源不够的问题。

　　数字图像识别流程

　　本系统采用C语言进行程序设计，通过控制图像传感器的场同步信号(VSYNC)、行同步信号(HREF)以及像素时钟信号(PCLK)，完成一帧图像采集，并将采集到的图像数据存储到扩展的外部数据存储器中。采集到的数字图像先经过灰度变换、均值滤波、中值滤波、二值化等预处理[7]过程，滤除图像中噪声等无关信息，使图像信息量最小化;其次对采集图像进行字符定位;利用模板匹配的方法进行识别，计算匹配率，匹配率最大的就是识别的结果。数字图像识别流程图如图3所示。

　　数字图像预处理过程如图4所示。经过预处理后，在标准模板基础上采用模板匹配的方法就很容易得出数字图像识别的结果。本系统在非理想环境下，经过大量的数据采集、识别实验，识别结果正确率达95%以上，证明了系统的稳定性。

　　数字图像识别在检测系统中的应用

　　基于数字图像识别技术的特点，我们将其应用在对建筑环境的水表识别系统中，通过无线网络将水表的实时数据传送给控制中心，这样控制中心可以根据数据对水表进行实时监控，既减少了人为因素所造成的误判，也减少由其他传感器干扰引起的数据错误，提高了工作效率。

　　结合水表在建筑环境中应用的特点，我们设计了一个三层的无线网络结构来实现水表数据和控制中心之间的传输。无线网络拓扑结构如图5所示。

　　三层组网模式中各层之间任务有明确分工，末端节点主要实现对水表数据的采集与识别，并将识别结果传给控制中心;考虑到传输距离的问题，我们在末端节点与控制中心间加入了中继器，中继器是末端节点和控制中心间桥梁，其作用主要是将接收到的末端节点数据加强后传送给控制中心，同时也能将控制中心的命令发送给末端节点;控制中心接收水表的实时数据，并对这些数据进行统一的管理。设计中控制中心最大可管理255个中继器设备，每个中继器设备可以接收255个末端节点所发送的数据。

　　无线网络拓扑结构仅仅是一个网络模式，要真正意义上实现网络间的可靠通信，还必须依靠相应网络通信协议的支持。本系统采用自定义的统一的通信包进行通信，通信数据是成帧成包发送的。系统总体数据传输流程示意图如图6所示。

　　结语

　　本文设计的仪器仪表数字图像识别系统，利用单片机驱动图像传感器OV7670采集数字图像，并在硬件采集系统中实现了图像数据的存储和处理，硬件电路简洁可靠，且成本低，经过实验验证OV7670采集仪表数字效果良好，数字图像识别系统稳定。同时将仪表数字识别系统应用到水表数据采集系统中，通过无线组网和自定义的通信协议实现了水表与控制中心间的数据传输，减少了人为误判和干扰产生的错误数据，该方法识别率高达97.5%，识别速度快，达到了水表数字识别的准确率和识别速度的要求。不论是在各式的现代建筑中，还是在工业、机加等恶劣的数据检测环境，仪器仪表数字图像识别系统都具有广阔的应用前景。