CN111110956A - 一种基于机器视觉和fpga的输液自动报警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器视觉技术，具体涉及一种基于机器视觉和FPGA的输液自动报警系统及方法，该系统包括FPGA，摄像头，SD卡，服务器和蜂鸣报警器；摄像头用于采集输液瓶的图像；SD卡用于存放嵌入式系统和FPGA配置文件，系统初始化时直接加载启动系统；服务器包括本地主机和云主机，用于接收报警信息并通过网络通信传给医护人员；蜂鸣报警器用于药液输尽时报警；FPGA用于对输液瓶的药液剩余量进行检测，判断药液是否输尽，若药液即将输尽，则发出警报信息。该系统安装简单，一次安装可长期使用，易于推广，并且安装一套系统便可实现对一个输液间的多个输液装置同时监控，性价比高。

Description

一种基于机器视觉和FPGA的输液自动报警系统及方法

技术领域

本发明属于机器视觉技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉和FPGA的输液自动报警系统及方法。

背景技术

目前，看护点滴需要是陪护人员、病人或护士，但浪费医护人员的精力和时间，输液过程中如果药液用完后未及时处理，极易发生回血现象，给患者带来痛苦甚至威胁患者身体健康。

目前已知的输液报警设备主要分为两类：

其一，接触式液面探测，直接安装在输液装置内，与药液直接解除来测量药液剩余量，但安装繁琐，使用不便，且有污染药物的风险。

其二，非接触式液面探测，主要通过红外光电元件探测液面，但一个装置仅能探测一个输液装置，安装繁琐，对其大规模使用推广造成了障碍。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于机器视觉和FPGA的输液自动报警系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于机器视觉和FPGA的输液自动报警系统，包括FPGA，摄像头，SD卡，服务器和蜂鸣报警器；

摄像头用于采集输液瓶的图像；

SD卡用于存放嵌入式系统和FPGA配置文件，系统初始化时直接加载启动系统；

服务器包括本地主机和云主机，用于接收报警信息并通过网络通信传给医护人员；

蜂鸣报警器用于药液输尽时报警；

FPGA用于对输液瓶的药液剩余量进行检测，判断药液是否输尽，若药液即将输尽，则发出警报信息。

在上述的基于机器视觉和FPGA的输液自动报警系统中，FPGA包括图像接收模块、图像预处理模块、图像分析模块和报警输出模块；

图像接收模块用于接收摄像头采集的输液瓶图像；

图像预处理模块用于对图像接收模块所接收的输液瓶图像亮度对比度的调整，并将其转换为灰度图像；

图像分析模块包括输液瓶提取模块和液面检测模块；

输液瓶提取模块通过模板匹配的算法提取预处理图像中所有的输液瓶图像；

液面检测模块分别对所有的输液瓶图像进行边缘提取，标记输液瓶的轮廓；同时检测出液面，然后再根据液面相对于输液瓶顶部和底部的高度计算出药液剩余量，当药液剩余量低于10％时的激活报警输出模块。

在上述的基于机器视觉和FPGA的输液自动报警系统中，FPGA选用XILINX PYNQ-Z2；图像预处理模块和图像分析模块采用XILINX PYNQ-Z2配合嵌入式的linux操作系统组成图像处理系统。

基于机器视觉和FPGA的输液自动报警系统的方法，包括以下步骤：

步骤1、将所接收摄像头采集的输液瓶图像转化为灰度图；

步骤2、通过模板匹配的方法标记所有输液瓶区域；若无输液瓶区域标记，则返回步骤1；否则进行步骤3；

步骤3、提取第一个输液瓶区域，进行药液剩余量检测；先对第一个输液瓶区域进行边缘提取，标记输液瓶的边缘，采用Laplace算子提取边缘，之后通过霍夫变换标记直线，并提取液面所在的直线，根据下列公式计算药液剩余量：

Net＝(Top-f)/(Top-Buttom)*100％

Net表示药液剩余量，Top表示输液瓶顶部的高度，Buttom表示输液瓶底部的高度，f表示液面高度；

步骤4、判断药液是否用尽，若步骤3计算得到的Net值小于10％，则触发报警输出模块通知医护人员药液用尽；若步骤3计算得到的Net值大于10％，则进行步骤5；

步骤5、判断是否所有输液瓶都已检测药液剩余量，如有未检测输液瓶，则提取下一个输液瓶的区域，重复步骤3；否则返回步骤1。

本发明的有益效果：本发明通过图像采集装置采集图像，图像分析装置提取输液瓶区域并分析药液剩余量，由报警装置通知医护人员采取相应行动。安装简便，一次安装长期使用，易于推广，并且安装一套系统便可实现对一个输液间的多个输液装置同时监控，性价比高。

附图说明

图1是本发明一个实施例一种基于机器视觉和FPGA的输液自动报警系统的总框架图；

图2是本发明一个实施例的输液药液输尽报警算法流程图；

图3是本发明一个实施例的输液药液剩余量检测方法流程图；

其中，1-FPGA、2-摄像头、3-SD卡、4-服务器、5-蜂鸣报警器；

11-图像接收模块、12-图像预处理模块、13-图像分析模块、14-报警输出模块；131-输液瓶提取模块、132-液面检测模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本申请实施例提供基于机器视觉和FPGA集成开发板的输液自动报警系统，包括：现场可编程门阵列FPGA集成开发板，以下称FPGA，摄像头，SD卡，服务器，蜂鸣报警器。

并且，摄像头用于采集输液瓶的画面信息。SD卡用于存放嵌入式的Linux系统和FPGA配置文件，系统初始化时直接加载启动系统。服务器包括本地主机与云主机，用于接收报警信息，可以通过网络通信通知医护人员采取相应措施。蜂鸣报警器用于在输液输尽时报警。FPGA用于对输液瓶的药液剩余量进行检测，判断药液是否输尽，若药液即将输尽，则发出警报信息。

并且，FPGA包括图像接收模块，图像预处理模块，图像分析模块和报警输出模块；图像接收模块用于获取摄像头捕捉的输液室实时图像。图像预处理模块用于对图像亮度对比度的调整，并将图像转换为灰度图像。图像分析模块包括输液瓶提取模块和液面检测模块。输液瓶提取模块通过模板匹配的算法将预处理图像中所有的输液瓶区域提取出来。液面检测模块分别对所有的输液瓶区域进行边缘提取，标记输液瓶的轮廓。同时检测出液面，然后再根据液面相对于输液瓶顶部和底部的高度计算出药液剩余量，当药液剩余量低于10％时的激活报警系统工作。

本实施例涉及视频传输线路包括WIFI无线局域网传输，有线网络传输。

FPGA选用XILINX PYNQ-Z2，也可选用其他型号。

具体实施时，如图1所示，一种基于机器视觉和FPGA的输液自动报警系统，整个硬件部分包括：FPGA1，摄像头2，SD卡3，服务器4，蜂鸣报警器5。FPGA1用于对输液瓶的液面进行检测，判断药液是否用尽，若是，则发送警报信息；摄像头2用于采集输液瓶的图像；SD卡3用于存放嵌入式系统和FPGA配置文件，在系统初始化时，直接加载启动系统；服务器4用于收集报警信息，并通知医护人员，蜂鸣报警器5用于在输液药液用尽时发出警告。

其中软件部分用C语言实现。

硬件部分的工作流程如下：

图像接收模块11通过USB接口接收摄像头所拍摄的图像，从而获取输液瓶图像，实现了图像采集的功能。

图像与处理模块12和图像处理模块13采用XILINX公司的PYNQ-Z2FPGA集成开发板，配合嵌入式的linux操作系统组成一个图像处理系统，实现图像的实时分析与处理。本实施例输液瓶区域提取和液面检测的算法在这个部分实现。

报警输出模块14如果检测到输液药液即将用尽，使用FPGA1控制蜂鸣器报警，并通过FPGA1向服务器4传输输液瓶图像以及报警信息。

摄像头2采集输液瓶图像，通过USB接口与图像接收模块11连接。

SD卡3存放嵌入式系统和FPGA配置文件，系统直接从SD卡3加载并启动。

服务器4包括本地主机和云主机，用于把报警信息传给医护人员。

蜂鸣报警器5用于接收报警信息并发出声音。

软件部分工作流程如下：如图2所示，输液药液输尽报警算法流程图；

第一步，对所接收的输液瓶图像进行预处理。由于摄像头在不同的光照环境下取得的图像差异性较大，而且图像中或多或少会存在不同程度的噪声，因此，为了保证较好的检测和识别效果，必须进行图像的预处理；

为了加快处理速度，提高系统性能，依以下公式将图像统一转化为灰度图：

I(x,y)＝0.3*I_R(x,y)+0.59*I_G(x,y)+0.11*I_B(x,y)

其中I(x,y)代表每一点(x,y)处的灰度值，I_R(x,y)代表每一点(x,y)处的红色分量，I_G(x,y)代表每一点(x,y)处的绿色分量，I_B(x,y)代表每一点(x,y)处的绿色分量。

第二步，模板匹配，通过模板匹配的方法标记出所有输液瓶的区域，若无，则返回第一步，否则继续下面的步骤。

第三步，药液剩余量检测，详细算法如图3所示，对输液瓶区域的图像先进行边缘提取，标记输液瓶的边缘，采用Laplace算子提取边缘，离散形式的Laplace算子如表1；

表1

0	-1	0
			-1	4	-1
0	-1	0

之后通过霍夫变换标记直线，并提取出液面所在的直线，根据下列公式计算得出药液剩余量

Net＝(Top-f)/(Top-Buttom)*100％

Net代表药液剩余量，Top代表输液瓶顶部的高度，Buttom代表输液瓶底部的高度，f代表液面高度。

第四步，判断药液是否用尽，如果第三步计算得到的Net值小于10％则认为药液即将用尽，触发警报通知医护人员；否则进入第五步。

第五步，判断是否还有其他输液瓶，如有，则提取下一个输液瓶区域，重复第三步，否则回到第一步。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种基于机器视觉和FPGA的输液自动报警系统，其特征是，包括FPGA，摄像头，SD卡，服务器和蜂鸣报警器；

摄像头用于采集输液瓶的图像；

SD卡用于存放嵌入式系统和FPGA配置文件，系统初始化时直接加载启动系统；

服务器包括本地主机和云主机，用于接收报警信息并通过网络通信传给医护人员；

蜂鸣报警器用于药液输尽时报警；

FPGA用于对输液瓶的药液剩余量进行检测，判断药液是否输尽，若药液即将输尽，则发出警报信息。

2.如权利要求1所述的基于机器视觉和FPGA的输液自动报警系统，其特征是，FPGA包括图像接收模块、图像预处理模块、图像分析模块和报警输出模块；

图像接收模块用于接收摄像头采集的输液瓶图像；

图像预处理模块用于对图像接收模块所接收的输液瓶图像亮度对比度的调整，并将其转换为灰度图像；

图像分析模块包括输液瓶提取模块和液面检测模块；

输液瓶提取模块通过模板匹配的算法提取预处理图像中所有的输液瓶图像；

液面检测模块分别对所有的输液瓶图像进行边缘提取，标记输液瓶的轮廓；同时检测出液面，然后再根据液面相对于输液瓶顶部和底部的高度计算出药液剩余量，当药液剩余量低于10％时的激活报警输出模块。

3.如权利要求2所述的基于机器视觉和FPGA的输液自动报警系统，其特征是，FPGA选用XILINX PYNQ-Z2；图像预处理模块和图像分析模块采用XILINX PYNQ-Z2配合嵌入式的linux操作系统组成图像处理系统。

4.基于权利要求1所述的基于机器视觉和FPGA的输液自动报警系统的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、将所接收摄像头采集的输液瓶图像转化为灰度图；

步骤2、通过模板匹配的方法标记所有输液瓶区域；若无输液瓶区域标记，则返回步骤1；否则进行步骤3；

步骤3、提取第一个输液瓶区域，进行药液剩余量检测；先对第一个输液瓶区域进行边缘提取，标记输液瓶的边缘，采用Laplace算子提取边缘，之后通过霍夫变换标记直线，并提取液面所在的直线，根据下列公式计算药液剩余量：

Net＝(Top-f)/(Top-Buttom)*100％

Net表示药液剩余量，Top表示输液瓶顶部的高度，Buttom表示输液瓶底部的高度，f表示液面高度；

步骤4、判断药液是否用尽，若步骤3计算得到的Net值小于10％，则触发报警输出模块通知医护人员药液用尽；若步骤3计算得到的Net值大于10％，则进行步骤5；

步骤5、判断是否所有输液瓶都已检测药液剩余量，如有未检测输液瓶，则提取下一个输液瓶的区域，重复步骤3；否则返回步骤1。

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