CN105181072B - 一种水位自动检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水位自动检测设备，所述检测设备包括水位测量标尺、高清摄像头、图像处理器和主控制器，所述水位测量标尺竖直立于水中，所述高清摄像头用于对所述水位测量标尺在水位上的部分进行拍摄，以获得水上标尺图像，所述图像处理器与所述高清摄像头连接，用于对水上标尺图像进行图像处理，以获得当前水位，所述主控制器与所述图像处理器连接，用于基于所述当前水位确定是否进行水位报警。

Description

一种水位自动检测设备

本发明是申请号为201510101412.9、申请日为2015年3月8日、发明名称为“一种水位自动检测方法”的专利的分案申请。

技术领域

本发明涉及图像处理领域，尤其涉及一种水位自动检测设备。

背景技术

水位(water level)是江河、湖泊、水库和海洋等的自由水面以及地下水的表面相对于某一基准面的高程。通常在上述水域设置各式水位测量标尺，人工定时观测，或设置自记水位计绘制连续的水位变化曲线，以获得不同时间、不同地点的水位资料。水位是重要的水文特征值之一，水位资料对于水文预报、防汛抢险和水利工程设施都有重要意义。

现有技术中的电子式水位检测设备替代了以前的人工定时观测的模式，或采用浮子和压组式为代表的接触式传感器进行水位测量，或采用超声波、雷达、激光为代表的非接触式传感器进行水位测量，但是这些测量方式都存在一定的弊端，前者机械故障率高、非线性误差大、杂质影响测量精度，后者成本高、易受周围环境干扰、通用性不强。

因此，需要一种水位自动检测设备，在降低检测设备成本的同时，不以损失测量精度为代价，具有故障率低、可靠性强的优点，为水文预报、防汛抢险和水利工程设施提供重要的参考数据。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种水位自动检测设备，根据水位测量标尺的形状特点，有针对性地搭建专门的图像采集和识别子设备集合高效、准确地检测出当前水位，并以时间为轴统计短时平均水位，使用短时平均水位进行水位预警或报警，整个系统安装简便，测量数据准确、可靠。

根据本发明的一方面，提供了一种水位自动检测设备，所述检测设备包括水位测量标尺、高清摄像头、图像处理器和主控制器，所述水位测量标尺竖直立于水中，所述高清摄像头用于对所述水位测量标尺在水位上的部分进行拍摄，以获得水上标尺图像，所述图像处理器与所述高清摄像头连接，用于对水上标尺图像进行图像处理，以获得当前水位，所述主控制器与所述图像处理器连接，用于基于所述当前水位确定是否进行水位报警。

更具体地，在所述水位自动检测设备中，还包括：RS232串行通信接口，用于通过RS232串行通信方式连接外部设备，以读取外部设备中存储的水位测量标尺总长度、水位测量标尺单位刻度值、预设检测时间间隔、预设接收次数、水位上限、单位刻度线上限灰度阈值和单位刻度线下限灰度阈值，所述单位刻度线上限灰度阈值和所述单位刻度线下限灰度阈值用于将图像中的单位刻度线与背景分开，所述预设检测时间间隔小于0.5秒；静态存储器，与所述RS232串行通信接口连接，用于读取并存储所述水位测量标尺总长度、所述水位测量标尺单位刻度值、所述预设检测时间间隔、所述预设接收次数、所述水位上限、所述单位刻度线上限灰度阈值和所述单位刻度线下限灰度阈值；定时器，用于为所述检测设备的水位自动检测提供计时数据；无线通信接口，与远端的水务管理平台建立双向的无线通信链路，用于接收所述水务管理平台发送的控制指令，还用于与所述主控制器连接，以将水位正常信号、水位超限预警信号或水位超限报警信号发送给所述水务管理平台，还将平均水位发送给所述水务管理平台；报警设备，与所述主控制器连接，包括扬声器和液晶显示屏，所述扬声器用于播放与水位正常信号、水位超限预警信号或水位超限报警信号对应的语音提示文件，所述液晶显示屏用于显示与水位正常信号、水位超限预警信号或水位超限报警信号对应的提示文字，所述液晶显示屏还用于与平均水位对应的提示文字；所述高清摄像头包括滤光片、镜头和CMOS图像传感器，所述镜头位于所述滤光片和所述CMOS图像传感器之间，所述CMOS图像传感器采集的水上标尺图像的分辨率为1920×1080，所述CMOS图像传感器与所述定时器连接，每隔所述预设检测时间间隔拍摄一次水上标尺图像以发送给所述图像处理器进行图像处理；所述图像处理器与所述静态存储器和所述高清摄像头分别连接，包括径向畸变校正单元、小波滤波单元、灰度化处理单元、单位刻度识别单元和水位计算单元，所述径向畸变校正单元、所述小波滤波单元、所述灰度化处理单元、所述单位刻度识别单元和所述水位计算单元分别采用不同的FPGA芯片来实现，所述径向畸变校正单元与所述CMOS图像传感器连接，采用基于图像平面的畸变校正对水上标尺图像实现径向畸变校正，获得接近理想成像条件下的图像作为已校正水上标尺图像，所述小波滤波单元与所述径向畸变校正单元连接，通过Harr小波滤波器对已校正水上标尺图像执行小波滤波，以获得滤波图像，所述灰度化处理单元与所述小波滤波单元连接，对滤波图像执行灰度化处理，以获得灰度图像，所述单位刻度识别单元与所述灰度化处理单元和所述静态存储器连接，将所述灰度图像中灰度值在所述单位刻度线上限灰度阈值和所述单位刻度线下限灰度阈值之间的像素识别并组成单位刻度线图像，计算单位刻度线图像中的单位刻度线间隔的数量以作为水上标尺单位刻度数量输出，所述水位计算单元与所述单位刻度识别单元和所述静态存储器分别连接，基于所述水位测量标尺总长度、所述水位测量标尺单位刻度值和所述水上标尺单位刻度数量计算出当前水位；所述主控制器与所述静态存储器和所述水位计算单元分别连接，每当已接收到的当前水位的次数达到所述预设接收次数时，计算一次平均水位，所述平均水位为已接收到的多个当前水位的平均值，并当计算的平均水位小于所述水位上限时，发出水位正常信号，当计算的平均水位大于等于所述水位上限时，发出水位超限预警信号，当计算的平均水位超过所述水位上限的20％时，发出水位超限报警信号；其中，所述水位计算单元基于所述水位测量标尺总长度、所述水位测量标尺单位刻度值和所述水上标尺单位刻度数量计算出当前水位具体为：所述当前水位等于所述水位测量标尺总长度减去所述水位测量标尺单位刻度值和所述水上标尺单位刻度数量的乘积。

更具体地，在所述水位自动检测设备中：所述CMOS图像传感器通过CSI接口将水上标尺图像发送给所述图像处理器。

更具体地，在所述水位自动检测设备中：所述无线通信链路为GPRS移动通信链路、3G移动通信链路或4G移动通信链路中的一种。

更具体地，在所述水位自动检测设备中：所述静态存储器为同步动态随机存储器SDRAM，所述静态存储器的存储容量为1GB。

更具体地，在所述水位自动检测设备中：所述高清摄像头位于所述水位测量标尺正对面的横杆上。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的水位自动检测设备的结构方框图。

图2为根据本发明实施方案示出的水位自动检测设备的高清摄像头的结构方框图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的水位自动检测设备的实施方案进行详细说明。

水位检测广泛应用于水文预报、防汛抢险和水利工程设施中。对于水文预报来说，历史水位和当前水位的结合参考，能够基本确定未来预定时间内的水位和其他水文数据，对于防汛抢险来说，当前水位超过预警水位的幅度决定了防汛抢险的紧急程度，是调配救灾人员数量和防汛物质数量的重要参考数据，而对于水利工程设施建设来说，是否有效利用水位数据能够决定水利工程设施建设是否成功。

由于水位检测参考作用非常重要，因而水位检测结果必须实时、可靠。最初的水位检测是通过人工目测水位测量标尺来完成，随着电子技术的发展，浮子和压组式为代表的接触式传感器、采用超声波、雷达、激光为代表的非接触式传感器开始应用于水位测量，虽然这些电子测量技术在一定程度上减少了人工成本和时间成本，但都具有本身固有的弊端，测量精度和性价比都不能满足当前对水位检测技术的要求。

本发明搭建了一种水位自动检测设备，基于水位测量标尺的形状特点，设置有针对性的、性价比较高的图像采集和处理子设备准确获得当前水位，同时通过合理的统计技术和相应的报警设备，实现基于当前水位的各种水位报警操作。

图1为根据本发明实施方案示出的水位自动检测设备的结构方框图，所述检测设备包括水位测量标尺1、高清摄像头2、图像处理器3和主控制器4，所述水位测量标尺1竖直立于水中，所述高清摄像头2用于对所述水位测量标尺1在水位上的部分进行拍摄，以获得水上标尺图像，所述图像处理器3与所述高清摄像头2连接，用于对水上标尺图像进行图像处理，以获得当前水位，所述主控制器4与所述图像处理器3和所述高清摄像头2分别连接，用于基于所述当前水位确定是否进行水位报警。

接着，继续对本发明的水位自动检测设备的具体结构进行进一步的说明。

所述检测设备还包括：RS232串行通信接口，用于通过RS232串行通信方式连接外部设备，以读取外部设备中存储的水位测量标尺总长度、水位测量标尺单位刻度值、预设检测时间间隔、预设接收次数、水位上限、单位刻度线上限灰度阈值和单位刻度线下限灰度阈值，所述单位刻度线上限灰度阈值和所述单位刻度线下限灰度阈值用于将图像中的单位刻度线与背景分开，所述预设检测时间间隔小于0.5秒。

所述检测设备还包括：静态存储器，与所述RS232串行通信接口连接，用于读取并存储所述水位测量标尺总长度、所述水位测量标尺单位刻度值、所述预设检测时间间隔、所述预设接收次数、所述水位上限、所述单位刻度线上限灰度阈值和所述单位刻度线下限灰度阈值。

所述检测设备还包括：定时器，用于为所述检测设备的水位自动检测提供计时数据。

所述检测设备还包括：无线通信接口，与远端的水务管理平台建立双向的无线通信链路，用于接收所述水务管理平台发送的控制指令，还用于与所述主控制器4连接，以将水位正常信号、水位超限预警信号或水位超限报警信号发送给所述水务管理平台，还将平均水位发送给所述水务管理平台。

所述检测设备还包括：报警设备，与所述主控制器4连接，包括扬声器和液晶显示屏，所述扬声器用于播放与水位正常信号、水位超限预警信号或水位超限报警信号对应的语音提示文件，所述液晶显示屏用于显示与水位正常信号、水位超限预警信号或水位超限报警信号对应的提示文字，所述液晶显示屏还用于与平均水位对应的提示文字。

如图2所示，所述高清摄像头2包括滤光片21、镜头22和CMOS图像传感器23，所述镜头22位于所述滤光片21和所述CMOS图像传感器23之间，所述CMOS图像传感器23采集的水上标尺图像的分辨率为1920×1080，所述CMOS图像传感器23与所述定时器连接，每隔所述预设检测时间间隔拍摄一次水上标尺图像以发送给所述图像处理器3进行图像处理。

所述图像处理器3与所述静态存储器和所述高清摄像头2分别连接，包括径向畸变校正单元、小波滤波单元、灰度化处理单元、单位刻度识别单元和水位计算单元，所述径向畸变校正单元、所述小波滤波单元、所述灰度化处理单元、所述单位刻度识别单元和所述水位计算单元分别采用不同的FPGA芯片来实现，所述径向畸变校正单元与所述CMOS图像传感器23连接，采用基于图像平面的畸变校正对水上标尺图像实现径向畸变校正，获得接近理想成像条件下的图像作为已校正水上标尺图像，所述小波滤波单元与所述径向畸变校正单元连接，通过Harr小波滤波器对已校正水上标尺图像执行小波滤波，以获得滤波图像，所述灰度化处理单元与所述小波滤波单元连接，对滤波图像执行灰度化处理，以获得灰度图像。

所述单位刻度识别单元与所述灰度化处理单元和所述静态存储器连接，将所述灰度图像中灰度值在所述单位刻度线上限灰度阈值和所述单位刻度线下限灰度阈值之间的像素识别并组成单位刻度线图像，计算单位刻度线图像中的单位刻度线间隔的数量以作为水上标尺单位刻度数量输出，所述水位计算单元与所述单位刻度识别单元和所述静态存储器分别连接，基于所述水位测量标尺总长度、所述水位测量标尺单位刻度值和所述水上标尺单位刻度数量计算出当前水位。

所述主控制器4与所述静态存储器和所述水位计算单元分别连接，每当已接收到的当前水位的次数达到所述预设接收次数时，计算一次平均水位，所述平均水位为已接收到的多个当前水位的平均值，并当计算的平均水位小于所述水位上限时，发出水位正常信号，当计算的平均水位大于等于所述水位上限时，发出水位超限预警信号，当计算的平均水位超过所述水位上限的20％时，发出水位超限报警信号。

其中，所述水位计算单元基于所述水位测量标尺总长度、所述水位测量标尺单位刻度值和所述水上标尺单位刻度数量计算出当前水位具体为：所述当前水位等于所述水位测量标尺总长度减去所述水位测量标尺单位刻度值和所述水上标尺单位刻度数量的乘积。

其中，在所述检测设备中，所述CMOS图像传感器23可选择通过CSI接口将水上标尺图像发送给所述图像处理器3，所述无线通信链路可选为GPRS移动通信链路、3G移动通信链路或4G移动通信链路中的一种，所述静态存储器可以为同步动态随机存储器SDRAM，所述静态存储器的存储容量为1GB，以及所述高清摄像头2可位于所述水位测量标尺正对面的横杆上。

另外，CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文学名为互补金属氧化物半导体，他本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N(带-电)和P(带+电)级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。后来发现CMOS经过加工也可以作为数码摄影中的图像传感器。

对于独立于电网的便携式应用而言，以低功耗特性而著称的CMOS技术具有一个明显的优势：CMOS图像传感器是针对5V和3.3V电源电压而设计的。而CCD芯片则需要大约12V的电源电压，因此不得不采用一个电压转换器，从而导致功耗增加。在总功耗方面，把控制和系统功能集成到CMOS传感器中将带来另一个好处：他去除了与其他半导体元件的所有外部连接线。其高功耗的驱动器如今已遭弃用，这是因为在芯片内部进行通信所消耗的能量要比通过PCB或衬底的外部实现方式低得多。

CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor CMOS)与主动式像素传感器(Active Pixel Sensor CMOS)。

被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor，简称PPS)，又叫无源式像素传感器，他由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。光敏二极管本质上是一个由P型半导体和N型半导体组成的PN结，他可等效为一个反向偏置的二极管和一个MOS电容并联。当开关管开启时，光敏二极管与垂直的列线(Column bus)连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路(Charge integrating amplifier)保持列线电压为一常数，当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时，其电压被复位到列线电压水平，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。

主动式像素传感器(Active Pixel Sensor，简称APS)，又叫有源式像素传感器。几乎在CMOS PPS像素结构发明的同时，人们很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能，在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大器。集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积，降低了“封装密度”，使40％～50％的入射光被反射。这种传感器的另一个问题是，如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配，这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现。由于CMOS APS像素内的每个放大器仅在此读出期间被激发，所以CMOS APS的功耗比CCD图像传感器的还小。

采用本发明的水位自动检测设备，针对现有电子式水位检测设备性价比不高或可靠性差的技术问题，通过有针对性的图像采集技术、图像处理技术以及数据统计技术搭建了一种能够平衡性价比和可靠性的视觉水位自动检测设备，同时该设备安装简便、检测的数据稳定，从而能够为水文预报、防汛抢险和水利工程设施提供更有价值的参考数据。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (1)

1.一种水位自动检测设备，所述检测设备包括水位测量标尺、高清摄像头、图像处理器和主控制器，所述水位测量标尺竖直立于水中，所述高清摄像头用于对所述水位测量标尺在水位上的部分进行拍摄，以获得水上标尺图像，所述图像处理器与所述高清摄像头连接，用于对水上标尺图像进行图像处理，以获得当前水位，所述主控制器与所述图像处理器连接，用于基于所述当前水位确定是否进行水位报警

其特征在于，所述检测设备还包括：

RS232串行通信接口，用于通过RS232串行通信方式连接外部设备，以读取外部设备中存储的水位测量标尺总长度、水位测量标尺单位刻度值、预设检测时间间隔、预设接收次数、水位上限、单位刻度线上限灰度阈值和单位刻度线下限灰度阈值，所述单位刻度线上限灰度阈值和所述单位刻度线下限灰度阈值用于将图像中的单位刻度线与背景分开，所述预设检测时间间隔小于0.5秒；

静态存储器，与所述RS232串行通信接口连接，用于读取并存储所述水位测量标尺总长度、所述水位测量标尺单位刻度值、所述预设检测时间间隔、所述预设接收次数、所述水位上限、所述单位刻度线上限灰度阈值和所述单位刻度线下限灰度阈值；

定时器，用于为所述检测设备的水位自动检测提供计时数据；

无线通信接口，与远端的水务管理平台建立双向的无线通信链路，用于接收所述水务管理平台发送的控制指令，还用于与所述主控制器连接，以将水位正常信号、水位超限预警信号或水位超限报警信号发送给所述水务管理平台，还将平均水位发送给所述水务管理平台；

报警设备，与所述主控制器连接，包括扬声器和液晶显示屏，所述扬声器用于播放与水位正常信号、水位超限预警信号或水位超限报警信号对应的语音提示文件，所述液晶显示屏用于显示与水位正常信号、水位超限预警信号或水位超限报警信号对应的提示文字，所述液晶显示屏还用于与平均水位对应的提示文字；

所述高清摄像头包括滤光片、镜头和CMOS图像传感器，所述镜头位于所述滤光片和所述CMOS图像传感器之间，所述CMOS图像传感器采集的水上标尺图像的分辨率为1920×1080，所述CMOS图像传感器与所述定时器连接，每隔所述预设检测时间间隔拍摄一次水上标尺图像以发送给所述图像处理器进行图像处理；

所述图像处理器与所述静态存储器和所述高清摄像头分别连接，包括径向畸变校正单元、小波滤波单元、灰度化处理单元、单位刻度识别单元和水位计算单元，所述径向畸变校正单元、所述小波滤波单元、所述灰度化处理单元、所述单位刻度识别单元和所述水位计算单元分别采用不同的FPGA芯片来实现，所述径向畸变校正单元与所述CMOS图像传感器连接，采用基于图像平面的畸变校正对水上标尺图像实现径向畸变校正，获得接近理想成像条件下的图像作为已校正水上标尺图像，所述小波滤波单元与所述径向畸变校正单元连接，通过Harr小波滤波器对已校正水上标尺图像执行小波滤波，以获得滤波图像，所述灰度化处理单元与所述小波滤波单元连接，对滤波图像执行灰度化处理，以获得灰度图像，所述单位刻度识别单元与所述灰度化处理单元和所述静态存储器连接，将所述灰度图像中灰度值在所述单位刻度线上限灰度阈值和所述单位刻度线下限灰度阈值之间的像素识别并组成单位刻度线图像，计算单位刻度线图像中的单位刻度线间隔的数量以作为水上标尺单位刻度数量输出，所述水位计算单元与所述单位刻度识别单元和所述静态存储器分别连接，基于所述水位测量标尺总长度、所述水位测量标尺单位刻度值和所述水上标尺单位刻度数量计算出当前水位；

所述主控制器与所述静态存储器和所述水位计算单元分别连接，每当已接收到的当前水位的次数达到所述预设接收次数时，计算一次平均水位，所述平均水位为已接收到的多个当前水位的平均值，并当计算的平均水位小于所述水位上限时，发出水位正常信号，当计算的平均水位大于等于所述水位上限时，发出水位超限预警信号，当计算的平均水位超过所述水位上限的20％时，发出水位超限报警信号；

其中，所述水位计算单元基于所述水位测量标尺总长度、所述水位测量标尺单位刻度值和所述水上标尺单位刻度数量计算出当前水位具体为：所述当前水位等于所述水位测量标尺总长度减去所述水位测量标尺单位刻度值和所述水上标尺单位刻度数量的乘积，

所述静态存储器为同步动态随机存储器SDRAM，所述静态存储器的存储容量为1GB，

所述高清摄像头位于所述水位测量标尺正对面的横杆上。