一種基於圖像識別的自動化電度表的製作方法
2023-10-19 14:17:08
本發明是申請號為2016101804894、申請日為2016年3月25日、發明名稱為「一種基於圖像識別的自動化電度表的使用方法」的專利的分案申請。
本發明涉及圖像識別領域，尤其涉及一種基於圖像識別的自動化電度表。
背景技術：
電度表按用途來劃分，可分為：有功電度表、無功電度表、最大需量表、標準電度表、復費率分時電度表、預付費電度表(分投幣式、磁卡式、電卡式)、損耗電度表、多功能電度表和智能電度表。
電度表按工作原理來劃分，可分為：感應式(機械式)、靜止式(電子式)、機電一體式(混合式)。
電度表按接入相線來劃分，可分為單相、三相三線、三相四線電度表。
當前，缺乏專門的電度表外框破損實時檢測設備，以及現有的電度表的結構冗餘過多，檢測效率低下，同時需要將電度表外框破損實時檢測設備集成到電度表結構內，以節省原本擁擠的公共設備空間。
因此，需要一種基於圖像識別的自動化電度表，對電度表的結構進行改進，而且能夠對電度表的外框破損情況進行實時檢測，從而在避免浪費公共設備空間的情況下，拓展電度表的功能。
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明提供了一種基於圖像識別的自動化電度表，充分利用電度表空間，對現有技術中每個居民使用的樓梯間處的電度表進行性能優化，提高其對電量的檢測準確性，還引入了有針對性的、高精度的圖像檢測技術以確定電度表外框圖像和預設灰度基準外框之間的匹配程度，並基於匹配程度確定是否輸出外框正常信號、外框出現破損信號或外框破損嚴重信號，從而為電力管理部門的換表決策提供數據基礎。
根據本發明的一方面，提供了一種基於圖像識別的自動化電度表，包括eeprom存儲晶片、cmos視覺傳感器、圖像檢測設備和凌陽spce061a晶片，eeprom存儲晶片、cmos視覺傳感器和圖像檢測設備聯合操作，用於提供電度表的外框特徵，凌陽spce061a晶片分別與eeprom存儲晶片、cmos視覺傳感器和圖像檢測設備連接，用於確定電度表的外框是否破損。
更具體地，在所述基於圖像識別的自動化電度表中，包括：cmos視覺傳感器，設置在電度表的上方，面向電度表的外框進行拍攝，以獲得高清外框圖像；複雜度檢測設備，與cmos視覺傳感器連接，用於接收高清外框圖像圖像，並基於高清外框圖像圖像計算並輸出圖像複雜度；灰度轉化設備，與cmos視覺傳感器連接，用於接收高清外框圖像圖像，針對高清外框圖像圖像中的每一個像素點，提取其r、g、b三顏色通道分量，對r、g、b三顏色通道分量賦予不同的權重值以進行加權平均，以獲得對應的灰度值，所有像素點的灰度值組成灰度化圖像，其中r、g、b三顏色通道分量的權重值分別為0.3、0.59和0.11；電流互感器及取樣電路，與交流線路中的a相線路、b相線路和c相線路連接，用於對a相線路、b相線路和c相線路中的電流信號分別進行取樣；電壓取樣電路，與交流線路中的a相線路、b相線路和c相線路連接，用於對a相線路、b相線路和c相線路中的電壓信號分別進行取樣；電流信號調理電路，與電流互感器及取樣電路連接，用於對取樣電流進行信號調理；電壓信號調理電路，與電壓取樣電路連接，用於對取樣電壓進行信號調理；ad73360晶片，分別與電流信號調理電路和電壓信號調理電路連接，對調理後的取樣電流和調理後的取樣電壓分別執行16位a/d轉換，獲得數字電流信號和數字電壓信號，還通過串行外設接口spi與控制器進行數據通信；eeprom存儲晶片，通過串行外設接口spi與控制器進行雙向數據交換；系統供電電源模塊，與交流線路中的a相線路、b相線路和c相線路連接，用於執行交流電到直流電的轉換，為各個電子器件提供直流電力供應；gprs通信接口，與控制器連接，用於接收並輸出交流線路的有功功率和無功功率；顯示接口，與控制器連接，用於接收並顯示交流線路的有功功率和無功功率；電力線載波通訊設備，與控制器連接，包括載波接收電路和載波發送電路，載波接收電路由耦合電路、帶通濾波器和模擬前端組成，載波發送電路由信號耦合電路、諧振功率放大器和擴頻調製信號輸入接口組成；圖像濾波設備，分別與複雜度檢測設備和灰度轉化設備連接，用於基於圖像複雜度確定選擇的濾波策略，當圖像複雜度在預設複雜度範圍下限以下時，選擇高斯濾波策略對灰度化圖像進行濾波，當圖像複雜度在預設複雜度範圍上限以上時，選擇均值濾波策略對灰度化圖像進行濾波，當圖像複雜度在預設複雜度範圍以內時，選擇中值濾波策略對灰度化圖像進行濾波；全局二值化設備，分別與複雜度檢測設備和圖像濾波設備連接，用於基於圖像複雜度確定全局二值化閾值的確定策略，在確定全局二值化閾值之後，使用全局二值化閾值將灰度化圖像進行二值化處理，使得處理後的二值化圖像的像素值只有0或255這二種選擇，其中基於圖像複雜度確定全局二值化閾值的確定策略具體包括：當圖像複雜度在預設複雜度範圍下限以下時，採用雙峰法確定全局二值化閾值，當圖像複雜度在預設複雜度範圍上限以上時，採用最大類間方差法確定全局二值化閾值，當圖像複雜度在預設複雜度範圍以內時，採用平均值法確定全局二值化閾值；圖像校正設備，與全局二值化設備連接以接收二值化圖像，用於對二值化圖像依次進行旋轉校正處理、冗餘裁剪處理和圖像歸一化處理，以獲得校正圖像；輪廓檢測設備，分別與圖像校正設備和灰度轉化設備連接，用於基於預設電度表外框輪廓檢測校正圖像中電度表外框的位置，並基於校正圖像中電度表外框的位置從灰度化圖像處分割出對應的電度表外框圖像；凌陽spce061a晶片，與輪廓檢測設備和eeprom存儲晶片連接，用於確定電度表外框圖像和預設灰度基準外框之間的匹配程度，並基於匹配程度確定是否輸出外框正常信號、外框出現破損信號或外框破損嚴重信號；凌陽spce061a晶片還分別與ad73360晶片、eeprom存儲晶片、gprs通信接口和顯示接口連接，用於接收ad73360晶片通過串行外設接口spi輸出的數字電流信號和數字電壓信號，基於數字電流信號和數字電壓信號確定數字電流信號的有效值、數字電壓信號的有效值以及交流線路的有功功率和無功功率；其中，eeprom存儲晶片還用於存儲預設灰度基準外框；其中，電力線載波通訊設備與凌陽spce061a晶片連接，用於將外框正常信號、外框出現破損信號或外框破損嚴重信號發送給遠端的電力設備管理中心，以便有電力設備管理中心確定是否需要更換電度表。
更具體地，在所述基於圖像識別的自動化電度表中：gprs通信接口設置在電度表的外框上。
更具體地，在所述基於圖像識別的自動化電度表中：電力線載波通訊設備設置在電度表的後側面上。
更具體地，在所述基於圖像識別的自動化電度表中：eeprom存儲晶片的容量為1m字節。
更具體地，在所述基於圖像識別的自動化電度表中：凌陽spce061a與ad73360晶片、eeprom存儲晶片和顯示接口集成在一塊集成電路板上。
附圖說明
以下將結合附圖對本發明的實施方案進行描述，其中：
圖1為根據本發明實施方案示出的基於圖像識別的自動化電度表的結構方框圖。
附圖標記：1eeprom存儲晶片；2cmos視覺傳感器；3圖像檢測設備；4凌陽spce061a晶片
具體實施方式
下面將參照附圖對本發明的基於圖像識別的自動化電度表的實施方案進行詳細說明。
電度表在使用過程中，由於外界壓力或者長時間使用，其外框存在破損的可能，一旦外框破損，則電度表內部元器件容易暴露出來，對電度表本身的正常運行造成危害，例如導致內部元器件毀壞，測量精度下降，同時，也容易居民觸電，增加了電度表使用的不安全性。
因此，需要在電度表的使用過程中，定期對電度表進行設備檢查，尤其是外框的檢查，在發現存在外框破損的情況下，及時更換外框，甚至更換電度表，從而避免電度表被破壞以及避免居民觸電。
然而，現有技術中，對民用電度表的設備檢查一般是由電力設備管理中心定期安排人手進行巡視，過於依賴人工經驗，而且設備檢查不是實時性的，容易出現巡視間隔時間過長而沒有及時發現電度表外框破損的情況，另外，如果為電度表的外框檢查專門定製獨立的電子設備，為每個電度表安置一個，則佔據過多的設備公共空間。同時，現有的電度表的檢測精度不高，需要優化檢測機制，提高其對交流線路各個參數的檢測效率。
為了克服上述不足，本發明搭建了一種基於圖像識別的自動化電度表，能夠對電度表的電能參數的測量機制進行優化，提高其檢測精度，同時能夠對電度表的外框破損情況進行實時檢測，在發現外框破損時及時進行報警，以避免用電事故發生。
圖1為根據本發明實施方案示出的基於圖像識別的自動化電度表的結構方框圖，包括eeprom存儲晶片、cmos視覺傳感器、圖像檢測設備和凌陽spce061a晶片，eeprom存儲晶片、cmos視覺傳感器和圖像檢測設備聯合操作，用於提供電度表的外框特徵，凌陽spce061a晶片分別與eeprom存儲晶片、cmos視覺傳感器和圖像檢測設備連接，用於確定電度表的外框是否破損。
接著，繼續對本發明的基於圖像識別的自動化電度表的具體結構進行進一步的說明。
所述電度表包括：cmos視覺傳感器，設置在電度表的上方，面向電度表的外框進行拍攝，以獲得高清外框圖像；複雜度檢測設備，與cmos視覺傳感器連接，用於接收高清外框圖像圖像，並基於高清外框圖像圖像計算並輸出圖像複雜度；灰度轉化設備，與cmos視覺傳感器連接，用於接收高清外框圖像圖像，針對高清外框圖像圖像中的每一個像素點，提取其r、g、b三顏色通道分量，對r、g、b三顏色通道分量賦予不同的權重值以進行加權平均，以獲得對應的灰度值，所有像素點的灰度值組成灰度化圖像，其中r、g、b三顏色通道分量的權重值分別為0.3、0.59和0.11。
所述電度表包括：電流互感器及取樣電路，與交流線路中的a相線路、b相線路和c相線路連接，用於對a相線路、b相線路和c相線路中的電流信號分別進行取樣；電壓取樣電路，與交流線路中的a相線路、b相線路和c相線路連接，用於對a相線路、b相線路和c相線路中的電壓信號分別進行取樣；電流信號調理電路，與電流互感器及取樣電路連接，用於對取樣電流進行信號調理。
所述電度表包括：電壓信號調理電路，與電壓取樣電路連接，用於對取樣電壓進行信號調理；ad73360晶片，分別與電流信號調理電路和電壓信號調理電路連接，對調理後的取樣電流和調理後的取樣電壓分別執行16位a/d轉換，獲得數字電流信號和數字電壓信號，還通過串行外設接口spi與控制器進行數據通信。
所述電度表包括：eeprom存儲晶片，通過串行外設接口spi與控制器進行雙向數據交換；系統供電電源模塊，與交流線路中的a相線路、b相線路和c相線路連接，用於執行交流電到直流電的轉換，為各個電子器件提供直流電力供應；gprs通信接口，與控制器連接，用於接收並輸出交流線路的有功功率和無功功率。
所述電度表包括：顯示接口，與控制器連接，用於接收並顯示交流線路的有功功率和無功功率；電力線載波通訊設備，與控制器連接，包括載波接收電路和載波發送電路，載波接收電路由耦合電路、帶通濾波器和模擬前端組成，載波發送電路由信號耦合電路、諧振功率放大器和擴頻調製信號輸入接口組成。
所述電度表包括：圖像濾波設備，分別與複雜度檢測設備和灰度轉化設備連接，用於基於圖像複雜度確定選擇的濾波策略，當圖像複雜度在預設複雜度範圍下限以下時，選擇高斯濾波策略對灰度化圖像進行濾波，當圖像複雜度在預設複雜度範圍上限以上時，選擇均值濾波策略對灰度化圖像進行濾波，當圖像複雜度在預設複雜度範圍以內時，選擇中值濾波策略對灰度化圖像進行濾波。
所述電度表包括：全局二值化設備，分別與複雜度檢測設備和圖像濾波設備連接，用於基於圖像複雜度確定全局二值化閾值的確定策略，在確定全局二值化閾值之後，使用全局二值化閾值將灰度化圖像進行二值化處理，使得處理後的二值化圖像的像素值只有0或255這二種選擇，其中基於圖像複雜度確定全局二值化閾值的確定策略具體包括：當圖像複雜度在預設複雜度範圍下限以下時，採用雙峰法確定全局二值化閾值，當圖像複雜度在預設複雜度範圍上限以上時，採用最大類間方差法確定全局二值化閾值，當圖像複雜度在預設複雜度範圍以內時，採用平均值法確定全局二值化閾值。
所述電度表包括：圖像校正設備，與全局二值化設備連接以接收二值化圖像，用於對二值化圖像依次進行旋轉校正處理、冗餘裁剪處理和圖像歸一化處理，以獲得校正圖像；輪廓檢測設備，分別與圖像校正設備和灰度轉化設備連接，用於基於預設電度表外框輪廓檢測校正圖像中電度表外框的位置，並基於校正圖像中電度表外框的位置從灰度化圖像處分割出對應的電度表外框圖像。
所述電度表包括：凌陽spce061a晶片，與輪廓檢測設備和eeprom存儲晶片連接，用於確定電度表外框圖像和預設灰度基準外框之間的匹配程度，並基於匹配程度確定是否輸出外框正常信號、外框出現破損信號或外框破損嚴重信號；凌陽spce061a晶片還分別與ad73360晶片、eeprom存儲晶片、gprs通信接口和顯示接口連接，用於接收ad73360晶片通過串行外設接口spi輸出的數字電流信號和數字電壓信號，基於數字電流信號和數字電壓信號確定數字電流信號的有效值、數字電壓信號的有效值以及交流線路的有功功率和無功功率。
其中，eeprom存儲晶片還用於存儲預設灰度基準外框；其中，電力線載波通訊設備與凌陽spce061a晶片連接，用於將外框正常信號、外框出現破損信號或外框破損嚴重信號發送給遠端的電力設備管理中心，以便有電力設備管理中心確定是否需要更換電度表。
可選地，在所述電度表中：gprs通信接口設置在電度表的外框上；電力線載波通訊設備設置在電度表的後側面上；eeprom存儲晶片的容量為1m字節；以及可以將凌陽spce061a與ad73360晶片、eeprom存儲晶片和顯示接口集成在一塊集成電路板上。
另外，cmos(complementarymetal-oxide-semiconductor)，中文學名為互補金屬氧化物半導體，他本是計算機系統內一種重要的晶片，保存了系統引導最基本的資料。cmos的製造技術和一般計算機晶片沒什麼差別，主要是利用矽和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在cmos上共存著帶n(帶-電)和p(帶+電)級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理晶片紀錄和解讀成影像。後來發現cmos經過加工也可以作為數碼攝影中的圖像傳感器。
對於獨立於電網的可攜式應用而言，以低功耗特性而著稱的cmos技術具有一個明顯的優勢：cmos圖像傳感器是針對5v和3.3v電源電壓而設計的。而ccd晶片則需要大約12v的電源電壓，因此不得不採用一個電壓轉換器，從而導致功耗增加。在總功耗方面，把控制和系統功能集成到cmos傳感器中將帶來另一個好處：他去除了與其他半導體元件的所有外部連接線。其高功耗的驅動器如今已遭棄用，這是因為在晶片內部進行通信所消耗的能量要比通過pcb或襯底的外部實現方式低得多。
cmos傳感器也可細分為被動式像素傳感器(passivepixelsensorcmos)與主動式像素傳感器(activepixelsensorcmos)。
被動式像素傳感器(passivepixelsensor，簡稱pps)，又叫無源式像素傳感器，他由一個反向偏置的光敏二極體和一個開關管構成。光敏二極體本質上是一個由p型半導體和n型半導體組成的pn結，他可等效為一個反向偏置的二極體和一個mos電容並聯。當開關管開啟時，光敏二極體與垂直的列線(columnbus)連通。位於列線末端的電荷積分放大器讀出電路(chargeintegratingamplifier)保持列線電壓為一常數，當光敏二極體存貯的信號電荷被讀出時，其電壓被復位到列線電壓水平，與此同時，與光信號成正比的電荷由電荷積分放大器轉換為電荷輸出。
主動式像素傳感器(activepixelsensor，簡稱aps)，又叫有源式像素傳感器。幾乎在cmospps像素結構發明的同時，人們很快認識到在像素內引入緩衝器或放大器可以改善像素的性能，在cmosaps中每一像素內都有自己的放大器。集成在表面的放大電晶體減少了像素元件的有效表面積，降低了「封裝密度」，使40％～50％的入射光被反射。這種傳感器的另一個問題是，如何使傳感器的多通道放大器之間有較好的匹配，這可以通過降低殘餘水平的固定圖形噪聲較好地實現。由於cmosaps像素內的每個放大器僅在此讀出期間被激發，所以cmosaps的功耗比ccd圖像傳感器的還小。
採用本發明的基於圖像識別的自動化電度表，針對現有技術無法在提高電度表性能的同時實現對電度表外框實時檢測的技術問題，將識別裝置搭載在電度表上以避免浪費公共設備空間，通過改善電度表結構以準確確定三相電力線路中各相以及合相的有功功率、無功功率和視在功率，通過外框檢測設備用於檢測電度表的外框特徵，並基於所述電度表的外框特徵確定所述電度表的外框破損程度，從而能夠為電力管理部門的電度表替換提供重要依據。
可以理解的是，雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然而上述實施例並非用以限定本發明。對於任何熟悉本領域的技術人員而言，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。