CN107228976A - 基于图像识别的自动化电度表 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像识别的自动化电度表，包括EEPROM存储芯片、CMOS视觉传感器、图像检测设备和凌阳SPCE061A芯片，EEPROM存储芯片、CMOS视觉传感器和图像检测设备联合操作，用于提供电度表的外框特征，凌阳SPCE061A芯片分别与EEPROM存储芯片、CMOS视觉传感器和图像检测设备连接，用于确定电度表的外框是否破损。通过本发明，能够通过图像识别技术为电力设备管理中心的电度表更换操作提供重要的参考数据。

Description

基于图像识别的自动化电度表

本发明是申请号为2016101792191、申请日为2016年3月25日、发明名称为“基于图像识别的自动化电度表”的专利的分案申请。

技术领域

本发明涉及图像识别领域，尤其涉及一种基于图像识别的自动化电度表。

背景技术

电度表按用途来划分，可分为：有功电度表、无功电度表、最大需量表、标准电度表、复费率分时电度表、预付费电度表(分投币式、磁卡式、电卡式)、损耗电度表、多功能电度表和智能电度表。

电度表按工作原理来划分，可分为：感应式(机械式)、静止式(电子式)、机电一体式(混合式)。

电度表按接入相线来划分，可分为单相、三相三线、三相四线电度表。

当前，缺乏专门的电度表外框破损实时检测设备，以及现有的电度表的结构冗余过多，检测效率低下，同时需要将电度表外框破损实时检测设备集成到电度表结构内，以节省原本拥挤的公共设备空间。

因此，需要一种基于图像识别的自动化电度表，对电度表的结构进行改进，而且能够对电度表的外框破损情况进行实时检测，从而在避免浪费公共设备空间的情况下，拓展电度表的功能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于图像识别的自动化电度表，充分利用电度表空间，对现有技术中每个居民使用的楼梯间处的电度表进行性能优化，提高其对电量的检测准确性，还引入了有针对性的、高精度的图像检测技术以确定电度表外框图像和预设灰度基准外框之间的匹配程度，并基于匹配程度确定是否输出外框正常信号、外框出现破损信号或外框破损严重信号，从而为电力管理部门的换表决策提供数据基础。

根据本发明的一方面，提供了一种基于图像识别的自动化电度表，包括EEPROM存储芯片、CMOS视觉传感器、图像检测设备和凌阳SPCE061A芯片，EEPROM存储芯片、CMOS视觉传感器和图像检测设备联合操作，用于提供电度表的外框特征，凌阳SPCE061A芯片分别与EEPROM存储芯片、CMOS视觉传感器和图像检测设备连接，用于确定电度表的外框是否破损。

更具体地，在所述基于图像识别的自动化电度表中，包括：CMOS视觉传感器，设置在电度表的上方，面向电度表的外框进行拍摄，以获得高清外框图像；复杂度检测设备，与CMOS视觉传感器连接，用于接收高清外框图像图像，并基于高清外框图像图像计算并输出图像复杂度；灰度转化设备，与CMOS视觉传感器连接，用于接收高清外框图像图像，针对高清外框图像图像中的每一个像素点，提取其R、G、B三颜色通道分量，对R、G、B三颜色通道分量赋予不同的权重值以进行加权平均，以获得对应的灰度值，所有像素点的灰度值组成灰度化图像，其中R、G、B三颜色通道分量的权重值分别为0.3、0.59和0.11；电流互感器及取样电路，与交流线路中的A相线路、B相线路和C相线路连接，用于对A相线路、B相线路和C相线路中的电流信号分别进行取样；电压取样电路，与交流线路中的A相线路、B相线路和C相线路连接，用于对A相线路、B相线路和C相线路中的电压信号分别进行取样；电流信号调理电路，与电流互感器及取样电路连接，用于对取样电流进行信号调理；电压信号调理电路，与电压取样电路连接，用于对取样电压进行信号调理；AD73360芯片，分别与电流信号调理电路和电压信号调理电路连接，对调理后的取样电流和调理后的取样电压分别执行16位A/D转换，获得数字电流信号和数字电压信号，还通过串行外设接口SPI与控制器进行数据通信；EEPROM存储芯片，通过串行外设接口SPI与控制器进行双向数据交换；系统供电电源模块，与交流线路中的A相线路、B相线路和C相线路连接，用于执行交流电到直流电的转换，为各个电子器件提供直流电力供应；GPRS通信接口，与控制器连接，用于接收并输出交流线路的有功功率和无功功率；显示接口，与控制器连接，用于接收并显示交流线路的有功功率和无功功率；电力线载波通讯设备，与控制器连接，包括载波接收电路和载波发送电路，载波接收电路由耦合电路、带通滤波器和模拟前端组成，载波发送电路由信号耦合电路、谐振功率放大器和扩频调制信号输入接口组成；图像滤波设备，分别与复杂度检测设备和灰度转化设备连接，用于基于图像复杂度确定选择的滤波策略，当图像复杂度在预设复杂度范围下限以下时，选择高斯滤波策略对灰度化图像进行滤波，当图像复杂度在预设复杂度范围上限以上时，选择均值滤波策略对灰度化图像进行滤波，当图像复杂度在预设复杂度范围以内时，选择中值滤波策略对灰度化图像进行滤波；全局二值化设备，分别与复杂度检测设备和图像滤波设备连接，用于基于图像复杂度确定全局二值化阈值的确定策略，在确定全局二值化阈值之后，使用全局二值化阈值将灰度化图像进行二值化处理，使得处理后的二值化图像的像素值只有0或255这二种选择，其中基于图像复杂度确定全局二值化阈值的确定策略具体包括：当图像复杂度在预设复杂度范围下限以下时，采用双峰法确定全局二值化阈值，当图像复杂度在预设复杂度范围上限以上时，采用最大类间方差法确定全局二值化阈值，当图像复杂度在预设复杂度范围以内时，采用平均值法确定全局二值化阈值；图像校正设备，与全局二值化设备连接以接收二值化图像，用于对二值化图像依次进行旋转校正处理、冗余裁剪处理和图像归一化处理，以获得校正图像；轮廓检测设备，分别与图像校正设备和灰度转化设备连接，用于基于预设电度表外框轮廓检测校正图像中电度表外框的位置，并基于校正图像中电度表外框的位置从灰度化图像处分割出对应的电度表外框图像；凌阳SPCE061A芯片，与轮廓检测设备和EEPROM存储芯片连接，用于确定电度表外框图像和预设灰度基准外框之间的匹配程度，并基于匹配程度确定是否输出外框正常信号、外框出现破损信号或外框破损严重信号；凌阳SPCE061A芯片还分别与AD73360芯片、EEPROM存储芯片、GPRS通信接口和显示接口连接，用于接收AD73360芯片通过串行外设接口SPI输出的数字电流信号和数字电压信号，基于数字电流信号和数字电压信号确定数字电流信号的有效值、数字电压信号的有效值以及交流线路的有功功率和无功功率；其中，EEPROM存储芯片还用于存储预设灰度基准外框；其中，电力线载波通讯设备与凌阳SPCE061A芯片连接，用于将外框正常信号、外框出现破损信号或外框破损严重信号发送给远端的电力设备管理中心，以便有电力设备管理中心确定是否需要更换电度表。

更具体地，在所述基于图像识别的自动化电度表中：GPRS通信接口设置在电度表的外框上。

更具体地，在所述基于图像识别的自动化电度表中：电力线载波通讯设备设置在电度表的后侧面上。

更具体地，在所述基于图像识别的自动化电度表中：EEPROM存储芯片的容量为1M字节。

更具体地，在所述基于图像识别的自动化电度表中：凌阳SPCE061A与AD73360芯片、EEPROM存储芯片和显示接口集成在一块集成电路板上。

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基于图像识别的自动化电度表的结构方框图。

附图标记：1EEPROM存储芯片；2CMOS视觉传感器；3图像检测设备；4凌阳SPCE061A芯片

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的基于图像识别的自动化电度表的实施方案进行详细说明。

电度表在使用过程中，由于外界压力或者长时间使用，其外框存在破损的可能，一旦外框破损，则电度表内部元器件容易暴露出来，对电度表本身的正常运行造成危害，例如导致内部元器件毁坏，测量精度下降，同时，也容易居民触电，增加了电度表使用的不安全性。

因此，需要在电度表的使用过程中，定期对电度表进行设备检查，尤其是外框的检查，在发现存在外框破损的情况下，及时更换外框，甚至更换电度表，从而避免电度表被破坏以及避免居民触电。

然而，现有技术中，对民用电度表的设备检查一般是由电力设备管理中心定期安排人手进行巡视，过于依赖人工经验，而且设备检查不是实时性的，容易出现巡视间隔时间过长而没有及时发现电度表外框破损的情况，另外，如果为电度表的外框检查专门定制独立的电子设备，为每个电度表安置一个，则占据过多的设备公共空间。同时，现有的电度表的检测精度不高，需要优化检测机制，提高其对交流线路各个参数的检测效率。

为了克服上述不足，本发明搭建了一种基于图像识别的自动化电度表，能够对电度表的电能参数的测量机制进行优化，提高其检测精度，同时能够对电度表的外框破损情况进行实时检测，在发现外框破损时及时进行报警，以避免用电事故发生。

图1为根据本发明实施方案示出的基于图像识别的自动化电度表的结构方框图，包括EEPROM存储芯片、CMOS视觉传感器、图像检测设备和凌阳SPCE061A芯片，EEPROM存储芯片、CMOS视觉传感器和图像检测设备联合操作，用于提供电度表的外框特征，凌阳SPCE061A芯片分别与EEPROM存储芯片、CMOS视觉传感器和图像检测设备连接，用于确定电度表的外框是否破损。

接着，继续对本发明的基于图像识别的自动化电度表的具体结构进行进一步的说明。

所述电度表包括：CMOS视觉传感器，设置在电度表的上方，面向电度表的外框进行拍摄，以获得高清外框图像；复杂度检测设备，与CMOS视觉传感器连接，用于接收高清外框图像图像，并基于高清外框图像图像计算并输出图像复杂度；灰度转化设备，与CMOS视觉传感器连接，用于接收高清外框图像图像，针对高清外框图像图像中的每一个像素点，提取其R、G、B三颜色通道分量，对R、G、B三颜色通道分量赋予不同的权重值以进行加权平均，以获得对应的灰度值，所有像素点的灰度值组成灰度化图像，其中R、G、B三颜色通道分量的权重值分别为0.3、0.59和0.11。

所述电度表包括：电流互感器及取样电路，与交流线路中的A相线路、B相线路和C相线路连接，用于对A相线路、B相线路和C相线路中的电流信号分别进行取样；电压取样电路，与交流线路中的A相线路、B相线路和C相线路连接，用于对A相线路、B相线路和C相线路中的电压信号分别进行取样；电流信号调理电路，与电流互感器及取样电路连接，用于对取样电流进行信号调理。

所述电度表包括：电压信号调理电路，与电压取样电路连接，用于对取样电压进行信号调理；AD73360芯片，分别与电流信号调理电路和电压信号调理电路连接，对调理后的取样电流和调理后的取样电压分别执行16位A/D转换，获得数字电流信号和数字电压信号，还通过串行外设接口SPI与控制器进行数据通信。

所述电度表包括：EEPROM存储芯片，通过串行外设接口SPI与控制器进行双向数据交换；系统供电电源模块，与交流线路中的A相线路、B相线路和C相线路连接，用于执行交流电到直流电的转换，为各个电子器件提供直流电力供应；GPRS通信接口，与控制器连接，用于接收并输出交流线路的有功功率和无功功率。

所述电度表包括：显示接口，与控制器连接，用于接收并显示交流线路的有功功率和无功功率；电力线载波通讯设备，与控制器连接，包括载波接收电路和载波发送电路，载波接收电路由耦合电路、带通滤波器和模拟前端组成，载波发送电路由信号耦合电路、谐振功率放大器和扩频调制信号输入接口组成。

所述电度表包括：图像滤波设备，分别与复杂度检测设备和灰度转化设备连接，用于基于图像复杂度确定选择的滤波策略，当图像复杂度在预设复杂度范围下限以下时，选择高斯滤波策略对灰度化图像进行滤波，当图像复杂度在预设复杂度范围上限以上时，选择均值滤波策略对灰度化图像进行滤波，当图像复杂度在预设复杂度范围以内时，选择中值滤波策略对灰度化图像进行滤波。

所述电度表包括：全局二值化设备，分别与复杂度检测设备和图像滤波设备连接，用于基于图像复杂度确定全局二值化阈值的确定策略，在确定全局二值化阈值之后，使用全局二值化阈值将灰度化图像进行二值化处理，使得处理后的二值化图像的像素值只有0或255这二种选择，其中基于图像复杂度确定全局二值化阈值的确定策略具体包括：当图像复杂度在预设复杂度范围下限以下时，采用双峰法确定全局二值化阈值，当图像复杂度在预设复杂度范围上限以上时，采用最大类间方差法确定全局二值化阈值，当图像复杂度在预设复杂度范围以内时，采用平均值法确定全局二值化阈值。

所述电度表包括：图像校正设备，与全局二值化设备连接以接收二值化图像，用于对二值化图像依次进行旋转校正处理、冗余裁剪处理和图像归一化处理，以获得校正图像；轮廓检测设备，分别与图像校正设备和灰度转化设备连接，用于基于预设电度表外框轮廓检测校正图像中电度表外框的位置，并基于校正图像中电度表外框的位置从灰度化图像处分割出对应的电度表外框图像。

所述电度表包括：凌阳SPCE061A芯片，与轮廓检测设备和EEPROM存储芯片连接，用于确定电度表外框图像和预设灰度基准外框之间的匹配程度，并基于匹配程度确定是否输出外框正常信号、外框出现破损信号或外框破损严重信号；凌阳SPCE061A芯片还分别与AD73360芯片、EEPROM存储芯片、GPRS通信接口和显示接口连接，用于接收AD73360芯片通过串行外设接口SPI输出的数字电流信号和数字电压信号，基于数字电流信号和数字电压信号确定数字电流信号的有效值、数字电压信号的有效值以及交流线路的有功功率和无功功率。

其中，EEPROM存储芯片还用于存储预设灰度基准外框；其中，电力线载波通讯设备与凌阳SPCE061A芯片连接，用于将外框正常信号、外框出现破损信号或外框破损严重信号发送给远端的电力设备管理中心，以便有电力设备管理中心确定是否需要更换电度表。

可选地，在所述电度表中：GPRS通信接口设置在电度表的外框上；电力线载波通讯设备设置在电度表的后侧面上；EEPROM存储芯片的容量为1M字节；以及可以将凌阳SPCE061A与AD73360芯片、EEPROM存储芯片和显示接口集成在一块集成电路板上。

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 SensorCMOS)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。

采用本发明的基于图像识别的自动化电度表，针对现有技术无法在提高电度表性能的同时实现对电度表外框实时检测的技术问题，将识别装置搭载在电度表上以避免浪费公共设备空间，通过改善电度表结构以准确确定三相电力线路中各相以及合相的有功功率、无功功率和视在功率，通过外框检测设备用于检测电度表的外框特征，并基于所述电度表的外框特征确定所述电度表的外框破损程度，从而能够为电力管理部门的电度表替换提供重要依据。

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 (2)

1.一种基于图像识别的自动化电度表，包括EEPROM存储芯片、CMOS视觉传感器、图像检测设备和凌阳SPCE061A芯片，EEPROM存储芯片、CMOS视觉传感器和图像检测设备联合操作，用于提供电度表的外框特征，凌阳SPCE061A芯片分别与EEPROM存储芯片、CMOS视觉传感器和图像检测设备连接，用于确定电度表的外框是否破损。

2.如权利要求1所述的基于图像识别的自动化电度表，其特征在于，所述电度表包括：

CMOS视觉传感器，设置在电度表的上方，面向电度表的外框进行拍摄，以获得高清外框图像；

复杂度检测设备，与CMOS视觉传感器连接，用于接收高清外框图像图像，并基于高清外框图像图像计算并输出图像复杂度；

灰度转化设备，与CMOS视觉传感器连接，用于接收高清外框图像图像，针对高清外框图像图像中的每一个像素点，提取其R、G、B三颜色通道分量，对R、G、B三颜色通道分量赋予不同的权重值以进行加权平均，以获得对应的灰度值，所有像素点的灰度值组成灰度化图像，其中R、G、B三颜色通道分量的权重值分别为0.3、0.59和0.11；

电流互感器及取样电路，与交流线路中的A相线路、B相线路和C相线路连接，用于对A相线路、B相线路和C相线路中的电流信号分别进行取样；

电压取样电路，与交流线路中的A相线路、B相线路和C相线路连接，用于对A相线路、B相线路和C相线路中的电压信号分别进行取样；

电流信号调理电路，与电流互感器及取样电路连接，用于对取样电流进行信号调理；

电压信号调理电路，与电压取样电路连接，用于对取样电压进行信号调理；

AD73360芯片，分别与电流信号调理电路和电压信号调理电路连接，对调理后的取样电流和调理后的取样电压分别执行16位A/D转换，获得数字电流信号和数字电压信号，还通过串行外设接口SPI与控制器进行数据通信；

EEPROM存储芯片，通过串行外设接口SPI与控制器进行双向数据交换；

系统供电电源模块，与交流线路中的A相线路、B相线路和C相线路连接，用于执行交流电到直流电的转换，为各个电子器件提供直流电力供应；

GPRS通信接口，与控制器连接，用于接收并输出交流线路的有功功率和无功功率；

显示接口，与控制器连接，用于接收并显示交流线路的有功功率和无功功率；

电力线载波通讯设备，与控制器连接，包括载波接收电路和载波发送电路，载波接收电路由耦合电路、带通滤波器和模拟前端组成，载波发送电路由信号耦合电路、谐振功率放大器和扩频调制信号输入接口组成；

图像滤波设备，分别与复杂度检测设备和灰度转化设备连接，用于基于图像复杂度确定选择的滤波策略，当图像复杂度在预设复杂度范围下限以下时，选择高斯滤波策略对灰度化图像进行滤波，当图像复杂度在预设复杂度范围上限以上时，选择均值滤波策略对灰度化图像进行滤波，当图像复杂度在预设复杂度范围以内时，选择中值滤波策略对灰度化图像进行滤波；

全局二值化设备，分别与复杂度检测设备和图像滤波设备连接，用于基于图像复杂度确定全局二值化阈值的确定策略，在确定全局二值化阈值之后，使用全局二值化阈值将灰度化图像进行二值化处理，使得处理后的二值化图像的像素值只有0或255这二种选择，其中基于图像复杂度确定全局二值化阈值的确定策略具体包括：当图像复杂度在预设复杂度范围下限以下时，采用双峰法确定全局二值化阈值，当图像复杂度在预设复杂度范围上限以上时，采用最大类间方差法确定全局二值化阈值，当图像复杂度在预设复杂度范围以内时，采用平均值法确定全局二值化阈值；

图像校正设备，与全局二值化设备连接以接收二值化图像，用于对二值化图像依次进行旋转校正处理、冗余裁剪处理和图像归一化处理，以获得校正图像；

轮廓检测设备，分别与图像校正设备和灰度转化设备连接，用于基于预设电度表外框轮廓检测校正图像中电度表外框的位置，并基于校正图像中电度表外框的位置从灰度化图像处分割出对应的电度表外框图像；

凌阳SPCE061A芯片，与轮廓检测设备和EEPROM存储芯片连接，用于确定电度表外框图像和预设灰度基准外框之间的匹配程度，并基于匹配程度确定是否输出外框正常信号、外框出现破损信号或外框破损严重信号；凌阳SPCE061A芯片还分别与AD73360芯片、EEPROM存储芯片、GPRS通信接口和显示接口连接，用于接收AD73360芯片通过串行外设接口SPI输出的数字电流信号和数字电压信号，基于数字电流信号和数字电压信号确定数字电流信号的有效值、数字电压信号的有效值以及交流线路的有功功率和无功功率；

其中，EEPROM存储芯片还用于存储预设灰度基准外框；

其中，电力线载波通讯设备与凌阳SPCE061A芯片连接，用于将外框正常信号、外框出现破损信号或外框破损严重信号发送给远端的电力设备管理中心，以便有电力设备管理中心确定是否需要更换电度表；

GPRS通信接口设置在电度表的外框上；

电力线载波通讯设备设置在电度表的后侧面上。