CN113191951B - 木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统 - Google Patents
木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统，通过设计和整合声音、光照、机械、电子、算法、控制功能或组件，实现声光机电算控一体化的木材加工环境监控解决方案。整体机械结构围绕除尘腔室设计了：可广角巡视带照明喷淋的多路监视吸尘报警组件、非同步双凸轮可调速振动过滤组件、适应性观测自卸式集尘组件和强度自适应的吹排气喷淋组件。继而设计以工控机与PLC为核心，电控连接系统各部件的电控结构，再通过嵌入所编制的智能电控工作程序，实现系统的自主感知与自适应调控。为提升监视质量，调用网格化拼接的图像超分辨率程序，高分辨率监视使智能运行更可靠。系统可实现安全健康、节能降耗、智能高效的环保目标。
Description
技术领域
本发明是一种木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统，属于木材加工环境监控技术领域。
背景技术
在消耗各种原材料的木材加工过程中，向环境中排出的粉尘是造成空气污染的重要源头。现有除尘措施及设备，通常以吸-滤-排方式工作，即吸入污染空气、过滤木屑粉尘、排出清洁空气三个环节。对于过滤环节，比较简便的方式就是使用过滤网滤除空气中的木屑粉尘。此种通过过滤网滤除木屑粉尘的除尘方式或设备存在着缺陷：
⑴由于木材加工环境粉尘量大，设备工作一定时间后，过滤网上会积存大量木屑粉尘，影响除尘效率、增加能耗，如果采用人工清理积尘就要中断除尘且耗费人力。而目前已有的机械振动清理积尘法，没有时机和力度控制，清理过滤网效果不佳，使得集尘效率低。
⑵除尘设备的运行状态与环境状况适应性差。如无人工干预调整，会出现诸如低污染高强度工作或高污染低强度工作的错配情况，导致设备空转损耗、能源虚耗，或造成除尘不及时而损害人员健康，甚至造成爆燃等安全隐患。
⑶在木材加工高粉尘低照度的特殊环境影响下，除尘设备即使辅以监视器件获取环境状况，其监视的分辨率也很差，且监视范围有限，效果并不理想。
因而木材加工环境下采用常规除尘方式及设备进行除尘，存在除尘效率低、集尘效果差、器件损耗大、能源虚耗多、人工成本高等问题。
发明内容
为了克服现有技术中木材加工环境除尘过程中存在的除尘效率低、集尘效果差、器件损耗大、能源虚耗多、人工成本高等问题，本发明提供一种面向高粉尘低照度条件的木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统，在改进机械结构的基础上，将系统各部件电控连接，以实现系统的智能自适应感知、反馈与运行，通过超分辨率技术提升监视质量及分辨率为智能运行提供可靠依据，从而完成安全健康、节能降耗、智能高效的除尘目标。
本发明的技术解决方案：木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统，其特征是其结构包括主框架、吸尘监视报警组件、集尘组件、振动过滤组件、吹排气喷淋组件和控制模块，其中主框架包括竖直设置的侧板1及其顶部固定的顶板2、下部固定的集尘箱3，共同合围形成除尘腔室4；
所述吸尘监视报警组件包括第一风机6、吸气管7、监视报警装置8、关节轴承9，所述侧板1上开有进气口5，除尘腔室4通过第一风机6和吸气管7与外界相通，第一风机6运转即将外部含有粉尘的空气吸入除尘腔室4中，吸气管7的进气端通过关节轴承9安装监视报警装置8，形成球铰链结构，实现电控多自由度监视；
所述集尘组件包括集运车10、电控底板12、微型红外广角摄像头13，用于粉尘收集运输的集运车10停置在集尘箱3下方，集尘箱3的箱底为双扇门结构的可开合电控底板12，当电控底板12打开，集尘箱3内的粉尘倾倒入集运车10中；侧板1内壁安装微型红外广角摄像头13，用于实时监视除尘腔室4的状况；
所述振动过滤组件包括转轴、过滤网14、第一凸轮15、第二凸轮16、电机17、第一定位条18、第二定位条19、第一弹簧20和第二弹簧21，除尘腔室4上部两侧设有第一定位条18和第二定位条19，两定位条底端固定连接有第一弹簧20和第二弹簧21，两弹簧底端与过滤网14固定连接，所述转轴设于过滤网14下方，一端连接固定于侧板上的电机17，转轴上可转动安装有第一凸轮15和第二凸轮16，电机17通过转轴带动第一凸轮15和第二凸轮16转动，两凸轮与过滤网14两侧底端相抵，使得过滤网14不断上下移动而产生震动，弹簧保证过滤网14始终与不断转动的两凸轮紧密相抵，从而抖落附着在过滤网14上的木屑粉尘，掉进集尘箱3中；
所述吹排气喷淋组件包括第二风机23、排气管24、集气缸25、电控阀门26、气压传感器27、第一出气孔28、第二出气孔29、第一吹气管30、第二吹气管31、第一喷嘴32、第二喷嘴33、储水罐34、第一细管35和第二细管36，所述顶板2一侧开排气口22，排气口22外接第二风机23，第二风机23通过排气管24连接固定于顶板2上的集气缸25，集气缸25上壁开口并安装电控阀门26，集气缸25内部嵌有气压传感器27；集气缸25侧壁设有与外界相通的第一出气孔28和第二出气孔29；第一出气孔28依次通过第一吹气管30及第一喷嘴32与除尘腔室4相通，第一喷嘴32紧密嵌入侧板1上的开孔之中；第二出气孔29依次通过第二吹气管31及第二喷嘴33与外界相通，第二喷嘴33固定于监视报警装置8之上；侧板1外侧固定连接有储水罐34，储水罐34内设有分别与第一吹气管30、第二吹气管31连通的第一细管35、第二细管36，第一细管35、第二细管36的另一端均位于水面以下；当第二风机23开始工作时，吹气管内气流流动，根据伯努利原理，细管位于水面以下的压强大于吹气管内的压强，水在压强的作用下从喷嘴喷出，电控阀门26打开时，集气缸25中的气压降低，水雾喷淋随即停止；
所述控制模块包括工控机和PLC，所述工控机和PLC通过串口相互传输数据和指令；所述PLC的信号输入输出端连接第一风机6、关节轴承9、电控底板12、微型红外广角摄像头13、电机17、第二风机23、电控阀门26、气压传感器27、第一微型摄像头37、蜂鸣器38、第二微型摄像头39、发光二极管40和第三微型摄像头41的信号输出输入端，其中第一风机6通过第一变频器42连接PLC、第二风机23通过第二变频器43连接PLC；所述工控机的信号输入输出端连接数据采集卡的信号输出输入端，数据采集卡的信号输入端连接微型红外广角摄像头13、气压传感器27、第一微型摄像头37、第二微型摄像头39和第三微型摄像头41的信号输出端。
所述吸尘监视报警组件中，监视报警装置8为通气管式结构，其横切面中心为圆筒形通气管，在管口壁外周顺时针方向0点、2点、4点、6点、8点、10点、12点处，依次固定有第二喷嘴33、第一微型摄像头37、蜂鸣器38、第二微型摄像头39、发光二极管40和第三微型摄像头41。
所述集尘组件设于除尘腔室4下部，侧板1下侧设有与侧板1转动连接的侧门11，集运车10通过与侧板1转动连接的侧门11驶出；侧板1内壁安装微型红外广角摄像头13，用于实时监视除尘腔室4的状况，特别是监测集尘箱3内木屑粉尘的收集量。
所述振动过滤组件中两凸轮型号规格相同，转轴转动时两凸轮的凸部与过滤网14的相抵形式为交替相抵，转动的两凸轮的凸部不同时抵触过滤网14两端，进而使得过滤网14两端均能产生持续交替的上下震动，木屑粉尘抖落得更加彻底。
所述PLC电控连接的部件分别有：关节轴承9、电控底板12、微型红外广角摄像头13、电机17、电控阀门26、气压传感器27、蜂鸣器38、发光二极管40、第一微型摄像头37、第二微型摄像头39和第三微型摄像头41，通过第一变频器42连接第一风机6、通过第二变频器43连接第二风机23；PLC可根据工控机传输的指令执行如下操作：控制第一变频器42的输出，进而调节第一风机6的启闭及转速；控制第二变频器43的输出，进而调节第二风机23的启闭及转速；控制关节轴承9的旋转，进而调整监视报警装置8的方位角度；控制电控底板12的开闭；控制微型红外广角摄像头13的开闭；控制电机17的启闭及转速；控制电控阀门26的开闭；控制气压传感器27的开闭；控制蜂鸣器38的开闭；控制发光二极管40的开闭；控制第一微型摄像头37、第二微型摄像头39、第三微型摄像头41的开闭；可获取与其电控连接部件的工作状态数据，并通过串口反馈工控机；
所述工控机通过数据采集卡分别连接微型红外广角摄像头13、气压传感器27、第一微型摄像头37、第二微型摄像头39、第三微型摄像头41，所述工控机不仅通过串口与PLC收发数据和向PLC发送指令，还通过数据采集卡接收并处理以下部件传输的数据：接收微型红外广角摄像头13获取的除尘腔室4内的视频图像a，并对视频图像a进行超分辨率复原，高分辨率地呈现除尘腔室4内的状况，据此判别除尘腔室4内空气粉尘浓度是否超标，特别是集尘箱3和过滤网14是否须清理；接收气压传感器27获取的集气缸25内的气压数据，并据此判别集气缸25内气压是否超标；分别接收第一微型摄像头37，第二微型摄像头39，第三微型摄像头41三个通道传来的系统外环境同场景的视频图像组b，并对视频图像组b进行超分辨率重建，高分辨率地呈现系统外空气能见度及粉尘浓度，据此判断系统外空气质量是否超标。
所述各部件电控连接，且可在工控机和PLC的调控下自主智能工作，其智能电控工作方法流程如下：
①系统通电启动；
②工控机指令PLC开启系统内的所有摄像头和传感器；
③工控机通过数据采集卡实时采集第一微型摄像头37，第二微型摄像头39，第三微型摄像头41三个微型摄像头传来的视频图像组b，并利用图像灰度直方图判定环境照度是否不足：如不足，则工控机指令PLC开启发光二极管40；
④工控机指令PLC通过关节轴承9调整监视报警装置8定位至所需方位角度，或全方位转动巡视；工控机调用超分辨率程序，对图像组b进行重建，也对微型红外广角摄像头13传来的视频图像a进行复原；
⑤工控机实时依据重建的高分辨率图像，判断外环境的空气能见度及粉尘浓度是否超标；实时依据复原的高分辨率红外图像，判断除尘腔室4内的空气粉尘浓度是否超标；如未超标，则系统休眠设定时间后，转回第②步重新执行；如超标，则按第⑥步分情况执行；
⑥如第⑤步中，空气质量超标严重，有安全隐患，则工控机指令PLC开启蜂鸣器38并调整发光二极管40为闪烁报警状态，等待人工干预处理；否则，工控机指令PLC：通过第一变频器42开启第一风机6并实时依据外环境的空气能见度及粉尘浓度调速，通过第二变频器43开启第二风机23并实时依据除尘腔室4内的空气粉尘浓度调速；
⑦工控机同步执行第⑤、⑧、⑨和⑩步流程，实行同步实时监控；
⑧工控机实时通过数据采集卡采集气压传感器27传来的气压值，判断集气缸25内气压是否安全：如安全，则工控机指令PLC开启电控阀门26，排气释压，水雾喷淋随之停止；否则工控机指令PLC关闭电控阀门26，使集气缸25内气压增加，在压强的作用下恢复水雾喷淋；
⑨工控机实时依据复原的高分辨率红外图像，判断过滤网14上的粉尘量是否超标：如超标，则工控机指令PLC开启电机17，依据粉尘量调整转速，使过滤网14振动清尘；如未超标，则工控机指令PLC关闭电机17，过滤网14停止振动；
⑩工控机实时依据复原的高分辨率红外图像，判断集尘箱3内的粉尘木屑是否已集满：如已满，则工控机指令PLC开启电控底板12，将木屑粉尘卸入集运车10，而后PLC反馈信息至工控机人机界面，提示工作人员拖运集运车；如未满，则工控机指令PLC保持电控底板12的闭合状态。
所述超分辨率程序是基于网格化拼接的图像超分辨率方法设计的，依次包括以下流程环节：
(1)如果输入的低分辨率图像g是多帧的图像组，则先将图像组融合成单帧图像，仍表示为g；
(2)将单帧图像g分成图像网格，为避免边界效应，网格化时每个图像格保留冗余边界；
(3)根据每个图像格自身的特征来构造最适合的特征驱动先验，并逐一对每个图像格进行超分辨率复原；
(4)切除每个复原图像格的冗余边界，再将它们拼接成完整的高清图像。
所述环节(1)中，图像组融合成单帧图像的过程为：输入同场景低分辨率的图像组，然后对该图像组进行空间配准，而后将所有低分辨率图像融合成较高分辨率的单帧图像g，其中，融合的具体过程为：
(1-1)按照配准的位置将所有图像置于一个标准的高分辨率网框内，得到像素非均匀分布的图像；
(1-2)对网框内像素非均匀分布的图像进行核回归处理，使像素分布均匀化，得到较高分辨率的单帧图像；
所述环节(2)中单帧图像g分成图像网格的过程为：将单帧图像g分割成p行q列，得到p×q个图像网格，每相邻两个图像格的边界均向外保留w(0＜w＜5)个像素宽度的冗余，使得每对相邻图像格都有2w个像素宽度的边界重叠；
所述环节(3)是对所有图像格{gij|0<i≤p,0<j≤q}逐一进行基于特征驱动先验的单帧超分辨率复原，每个图像格gij的复原结果为其原始图像格fij的估计值
其中，下标i表示图像格的行序数，下标j表示图像格的列序数；
设gij、fij和
的像素数均为N，每个图像格gij复原的步骤均如下：
(3-1)用高通算子Γ(此处的的高通算子采用拉普拉斯算子，其掩模表示为
)对gij进行高通滤波，得到gij的高频图像gHij＝Γgij，其中，gHij的像素数为N；
(3-2)从gHij中抽取S个像素，构成样本gSHij；
(3-3)用gSHij分别估计在高斯分布先验和拉普拉斯分布先验下gHij像素的标准差：当gHij服从高斯分布的先验，标准差为
当gHij服从拉普拉斯分布的先验，标准差为
(3-4)构造代价函数Cij：若
则fij服从高斯分布先验，且
若
则fij服从拉普拉斯分布先验，且
其中，e表示自然常数，Bij表示gij的模糊算子，1/β为gij的噪声方差，||·||1表示1-范数运算符，||·||2表示2-范数运算符；
(3-5)以gij作为初始值，利用共轭梯度算法对Cij进行迭代寻优，得到估计值
所述环节(4)中，切除每个复原图像格的冗余边界的具体操作为：对环节(3)中每个复原后的图像格
逐一切除其w个像素宽度的边界进而得到无冗余边界的复原图像格hij，此时每相邻两个复原图像格hij的边界均不再重合；
所述环节(4)中，拼接成完整的高清图像的过程为：将所有切除冗余边界的复原图像格{hij|0<i≤p,0<j≤q}按下标行列位置进行重新拼接；具体过程是：将h1置于第1行第1列，将h12置于第1行第2列，…，将hij置于第i行第j列，…，将hpq置于第p行第q列，得到灰度相关的完整高分辨率图像h，并作为最终结果输出。本发明的有益效果：
⑴实现系统运行的智能化。本发明通过工控机与PLC电控连接系统各部件，系统可依据实时感知的环境变化信息，自主有序控制各部件的启闭、运转及其强度，并在极端情况下启动报警。在保证安全的前提下，实现了自主高效、安全健康、节能降耗的目标。
⑵过滤网积尘清理更加高效彻底。本发明通过红外广角摄像头实时监视无光照的过滤网，适时启动清尘并调整振动强度。振动清尘部件设计为非同步双凸轮结构，加之喷雾增湿增重，使得过滤网积尘清理更加高效彻底，提高了集尘效率。
⑶实现极端条件下的高效环境监视。红外广角摄像头解决了除尘腔室无光照广角监视的问题，而为了解决外环境监视的低照度问题和满足范围更大的监视需求，设计了三摄像通道的监视报警装置，能灵活巡视并配有灯光、报警和喷雾器件。所有监视部件均嵌入超分辨率程序，用以克服高粉尘低能见度困扰，提高了监视质量。
⑷超分辨率程序的方法设计更高效适用。运用一种网格化拼接的图像超分辨率方法，通过图像网格化来提高先验模型区域针对性和计算机存储运算效率，后续的拼接采用拓展和切除冗余边界的方式有效保持了图像网格间灰度的相关性，对于每个图像网格的复原更加入了特征驱动的先验选择机制，先验信息形式由图像统计特征决定，由此保证了图像复原过程高效、复原视觉连续性好、数据准确。
附图说明
图1为本发明的整体机械结构剖面示意图；
图2为本发明图1中凸轮的侧视图；
图3为本发明图1中监视报警装置的横切面示意图；
图4为本发明的电控连接结构框图；
图5为本发明的智能电控工作方法流程图；
图6为本发明图5中的超分辨率方法的流程框图；
图7为本发明图5中的超分辨率方法的具体步骤示意图；
图8为本发明图7中特征驱动超分辨率复原方法的流程图。
图中1.侧板，2.顶板，3.集尘箱，4.除尘腔室，5.进气口，6.第一风机，7.吸气管，8.监视报警装置，9.关节轴承，10.集运车，11.侧门，12.电控底板，13.微型红外广角摄像头，14.过滤网，15.第一凸轮，16.第二凸轮，17.电机，18.第一定位条，19.第二定位条，20.第一弹簧，21.第二弹簧，22.排气口，23.第二风机，24.排气管，25.集气缸，26.电控阀门，27.气压传感器，28.第一出气孔，29.第二出气孔，30.第一吹气管，31.第二吹气管，32.第一喷嘴，33.第二喷嘴，34.储水罐，35.第一细管，36.第二细管，37.第一微型摄像头，38.蜂鸣器，39.第二微型摄像头，40.发光二极管(LED)，41.第三微型摄像头，42.第一变频器，43.第二变频器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案进一步说明。
参见图1，本发明所提木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统的整体机械结构，主框架包括：竖直设置的侧板1，侧板1顶部固定的顶板2，侧板1下部固定的集尘箱3，侧板1、顶板2和集尘箱3合围形成除尘腔室4。在主框架基础上附设以下组件：吸尘监视报警组件、集尘组件、振动过滤组件、吹排气喷淋组件。
具体的，吸尘监视报警组件包括：侧板1开进气口5，使得除尘腔室4通过第一风机6和吸气管7与外界相通，第一风机运转即可将外部含有粉尘的空气吸入除尘腔室4中；吸气管7的进气端安装监视报警装置8，具体安装方式为：吸气管7与监视报警装置8通过关节轴承9电控连接，形成球铰链结构，以便监视报警装置8能够实现电控多自由度监视。
具体的，集尘组件包括：集尘箱3下方停置的用于粉尘收集运输的集运车10，集运车10可通过与侧板1转动连接的侧门11驶出；集尘箱3的箱底为双扇门结构的可开合电控底板12，当电控底板12打开，集尘箱3内的粉尘会倾倒入集运车10中；侧板1内壁安装微型红外广角摄像头13，用于实时监视除尘腔室4的状况，特别是监测集尘箱3内木屑粉尘的收集量。
具体的，振动过滤组件设于除尘腔室4上部，包括：过滤网14，过滤网14两侧底端分别设有与过滤网14相抵的第一凸轮15和第二凸轮16，第一凸轮15和第二凸轮16固定连接在一根转轴上，转轴转动时两凸轮的凸部与过滤网14的相抵形式为交替相抵，转轴贯穿侧板1并延伸至侧板1另一侧，并固定连接有与侧板1固定连接的电机17，电机17工作能够通过转轴带动第一凸轮15和第二凸轮16转动，且与两凸轮相抵的过滤网14也将不断上下移动而产生震动，进而能够抖落附着在过滤网14上的木屑粉尘，掉进集尘箱3中；侧板1上，位于过滤网14两侧上方，固定连接有第一定位条18和第二定位条19，两定位条底端固定连接有第一弹簧20和第二弹簧21，两弹簧底端与过滤网14固定连接，弹簧能够保证过滤网14始终与不断转动的两凸轮紧密相抵，且转动的两凸轮的凸部不同时抵触过滤网14两端，进而使得过滤网14两端均能产生持续交替的上下震动，木屑粉尘抖落得更加彻底。
具体的，吹排气喷淋组件包括：顶板2一侧开排气口22，排气口22外接第二风机23，第二风机23通过排气管24连接固定于顶板2上的集气缸25，集气缸25上壁开口并安装电控阀门26，集气缸25内部嵌有气压传感器27；集气缸25侧壁设有与外界相通且尺寸较小的第一出气孔28和第二出气孔29，第一出气孔28依次通过尺寸较细的第一吹气管30及第一喷嘴32与除尘腔室4相通，第一喷嘴32紧密嵌入侧板1上的开孔之中，第二出气孔29依次通过尺寸较细的第二吹气管31及第二喷嘴33与外界相通，第二喷嘴33固定于监视报警装置8之上；第二风机23鼓入集气缸25的气流通过第一出气孔28、第二出气孔29、第一吹气管30、第二吹气管31时，由于孔径细小，均将会产生较大的流速；侧板1外侧固定连接有储水罐34，储水罐34内装有适量的水以及设有分别与第一吹气管30、第二吹气管31连通的第一细管35、第二细管36，第一细管35、第二细管36的另一端均位于水面以下；当第二风机23开始工作时，第一吹气管30、第二吹气管31气流流速较大，根据伯努利原理，流速大则压强小，第一细管35、第二细管36位于水面以下的压强将会大于第一吹气管30、第二吹气管31内的压强，于是水将会在压强的作用下从第一喷嘴32和第二喷嘴33喷出；当电控阀门26打开时，水雾喷淋会停止，且集气缸25中的气压也会降低。
具体的，对于第一凸轮15和第二凸轮16的规格大小均为一致的，且其侧视图如图2所示。
具体的，监视报警装置8为通气管式结构，其横切面如图3所示：中心为圆筒形通气管，在管口壁外周顺时针方向0点、2点、4点、6点、8点、10点、12点处，依次固定有第二喷嘴33、第一微型摄像头37、蜂鸣器38、第二微型摄像头39、发光二极管(LED)40、第三微型摄像头41。
参见图4，本发明所提木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统的电控连接结构，核心部分为通过串口连接的上位机和下位机。所述上位机为人机交互界面计算机(工控机)，所述下位机为可编程序控制器(PLC)，工控机和PLC可通过串口相互传输数据和指令。
具体的，PLC电控连接的部件分别有：通过第一变频器42连接第一风机6，连接关节轴承9，连接电控底板12，连接微型红外广角摄像头13，连接电机17，连接气压传感器27，通过第二变频器43连接第二风机23，连接电控阀门26，连接蜂鸣器38，连接LED 40，连接三个微型摄像头37、39和41。PLC可根据工控机传输的指令执行如下操作：控制第一变频器42的输出，进而调节第一风机6的启闭及转速；控制第二变频器43的输出，进而调节第二风机23的启闭及转速；控制关节轴承9的旋转，进而调整监视报警装置8的方位角度；控制电控底板12的开闭；控制微型红外广角摄像头13的开闭；控制电机17的启闭及转速；控制电控阀门26的开闭；控制气压传感器27的开闭；控制蜂鸣器38的开闭；控制LED 40的开闭；控制三个微型摄像头37、39和41的开闭；可获取与其电控连接部件的工作状态数据，并通过串口反馈工控机。
具体的，工控机通过数据采集卡分别连接以下部件：微型红外广角摄像头13，气压传感器27，第一微型摄像头37，第二微型摄像头39，第三微型摄像头41。工控机不仅可通过串口与PLC收发数据和向PLC发送指令，还可通过数据采集卡接收并处理以下部件传输的数据：接收微型红外广角摄像头13获取的除尘腔室4内的视频图像a，并对视频图像a进行超分辨率复原，这样可以高分辨率地呈现除尘腔室4内的状况，据此判别除尘腔室4内空气粉尘浓度是否超标，特别是集尘箱3和过滤网14是否须清理；接收气压传感器27获取的集气缸25内的气压数据，并据此判别集气缸25内气压是否超标；分别接收第一微型摄像头37，第二微型摄像头39，第三微型摄像头41三个通道传来的系统外环境同场景的视频图像组b，并对视频图像组b进行超分辨率重建，这样可以高分辨率地呈现系统外空气能见度及粉尘浓度，据此判断系统外空气质量是否超标。
参见图5，本发明所提木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统的智能电控工作方法流程，具体如下：
①系统通电启动；
②工控机指令PLC开启系统内的所有摄像头和传感器(此处工控机指令PLC是通过串口传递指令后实施，下文若无说明，均为此方式)；
③工控机通过数据采集卡实时采集三个微型摄像头37、39和41三个通道传来的视频图像组b，并利用图像灰度直方图判定环境照度是否不足：如不足，则工控机指令PLC开启LED 40；
④工控机指令PLC通过关节轴承9调整监视报警装置8定位至所需方位角度，或全方位转动巡视；工控机调用超分辨率程序，对图像组b进行重建，也对微型红外广角摄像头13传来的视频图像a进行复原；
⑤工控机实时依据重建的高分辨率图像，判断外环境的空气能见度及粉尘浓度是否超标；实时依据复原的高分辨率红外图像，判断除尘腔室4内的空气粉尘浓度是否超标；如未超标，则系统休眠一定时间(时间长短可预先结合监控与节能的需要而设定)后，转回第②步流程重新执行；如超标，则按第⑥步流程分情况执行；
⑥如第⑤步中，空气质量超标严重，有安全隐患，则工控机指令PLC开启蜂鸣器38并调整LED 40为闪烁报警状态，等待人工干预处理；否则，工控机指令PLC：通过第一变频器42开启第一风机6并实时依据外环境的空气能见度及粉尘浓度调速，通过第二变频器43开启第二风机23并实时依据除尘腔室4内的空气粉尘浓度调速；
⑦工控机同步执行第⑤、⑧、⑨和⑩步流程，实时监控；
⑧工控机实时通过数据采集卡采集气压传感器27传来的气压值，判断集气缸25内气压是否安全：如安全，则工控机指令PLC开启电控阀门26，排气释压，水雾喷淋随之停止；否则工控机指令PLC关闭电控阀门26，使集气缸25内气压增加，在压强的作用下恢复水雾喷淋；
⑨工控机实时依据复原的高分辨率红外图像，判断过滤网14上的粉尘量是否超标：如超标，则工控机指令PLC开启电机17，依据粉尘量调整转速，使过滤网14振动清尘；如未超标，则工控机指令PLC关闭电机17，过滤网14停止振动；
⑩工控机实时依据复原的高分辨率红外图像，判断集尘箱3内的粉尘木屑是否已集满：如已满，则工控机指令PLC开启电控底板12，将木屑粉尘卸入集运车10，而后PLC反馈信息至工控机人机界面，提示工作人员拖运集运车；如未满，则工控机指令PLC保持电控底板12的闭合状态。
参见图6-8，本发明所提木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统的超分辨率方法的具体实施如下：
如图6所示，本发明的网格化拼接的图像超分辨率方法，依次包括以下流程：如果输入的低分辨率图像g是多帧的图像组，则先将图像组融合成单帧图像，仍表示为g；而后将g分成图像网格，为避免边界效应，网格化时为每个图像格保留一定冗余边界；根据每个图像格自身的特征来构造最适合它的特征驱动先验，并逐一对每个图像格进行超分辨率复原；最后切除每个复原图像格的冗余边界，再将它们拼接成完整的高清图像。
如图7所示，本发明的网格化拼接的图像超分辨率方法的具体步骤为：
(1)输入低分辨率图像g；如g为多帧图像组，则从第(2)步执行；如g为单帧图像，则跳至第(3)步执行；
(2)对图像组进行空间配准，而后将组内所有低分辨率图像融合成较高分辨率的单帧图像，仍表示为g；融合的具体过程为：
(2-1)按照配准的位置将所有图像置于一个标准的高分辨率网框内，得到像素非均匀分布的图像；
(2-2)对网框内像素非均匀分布的图像进行核回归处理，使像素分布均匀化，得到较高分辨率的单帧图像g；
(3)将g分割成2行2列的图像网格，每相邻两个图像格的边界向外保留w(0＜w＜5)个像素宽度的冗余，使得每对相邻图像格都有2w个像素宽度的边界重叠；
(4)对所有图像格{gij|0<i≤2,0<j≤2}逐一进行基于特征驱动先验的单帧超分辨率复原，每个图像格gij的复原结果为其原始图像格fij的估计值
其中，下标i表示图像格的行序数，下标j表示图像格的列序数；设gij、fij和
的像素数均为N，如图8所示，针对每个gij，基于特征驱动先验的单帧超分辨率复原的步骤如下：
(4-1)用高通算子Γ(此处的的高通算子采用拉普拉斯算子，其掩模表示为
)对gij进行高通滤波，得到gij的高频图像gHij＝Γgij，其中，gHij的像素数为N；
(4-2)从gHij中抽取S个像素，构成样本gSHij；
(4-3)用gjiSH分别估计在高斯分布先验和拉普拉斯分布先验下gHij像素的标准差：当gHij服从高斯分布的先验，标准差为
当gHij服从拉普拉斯分布的先验，标准差为
(4-4)构造代价函数Cij：若
则fij服从高斯分布先验，且
若
则fij服从拉普拉斯分布先验，且
其中，e表示自然常数，Bij表示gij的模糊算子，1/β为gij的噪声方差，||·||1表示1-范数运算符，||·||2表示2-范数运算符；
(4-5)以gij作为初始值，利用共轭梯度算法对Cij进行迭代寻优，得到估计值
(5)对每个图像格
逐一切除其w个像素宽度的边界得到无冗余边界的图像格hij，此时相邻hij的边界不再重合；
(6)将所有图像格{hij|0<i≤2,0<j≤2}按下标行列位置进行重新拼接(具体过程是：将h1置于第1行第1列，将h12置于第1行第2列，将h21置于第2行第1列，将hpq置于第2行第2列)，得到灰度相关的完整高分辨率图像h，并作为最终结果输出。
Claims (7)
1.木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统，其特征是其结构包括主框架、吸尘监视报警组件、集尘组件、振动过滤组件、吹排气喷淋组件和控制模块，其中主框架包括竖直设置的侧板(1)及其顶部固定的顶板(2)、下部固定的集尘箱(3)，共同合围形成除尘腔室(4)；
所述吸尘监视报警组件包括第一风机(6)、吸气管(7)、监视报警装置(8)、关节轴承(9)，所述侧板(1)上开有进气口(5)，除尘腔室(4)通过第一风机(6)和吸气管(7)与外界相通，第一风机(6)运转即将外部含有粉尘的空气吸入除尘腔室(4)中，吸气管(7)的进气端通过关节轴承(9)安装监视报警装置(8)，形成球铰链结构，实现电控多自由度监视；
所述集尘组件包括集运车(10)、电控底板(12)、微型红外广角摄像头(13)，用于粉尘收集运输的集运车(10)停置在集尘箱(3)下方，集尘箱(3)的箱底为双扇门结构的可开合电控底板(12)，当电控底板(12)打开，集尘箱(3)内的粉尘倾倒入集运车(10)中；侧板(1)内壁安装微型红外广角摄像头(13)，用于实时监视除尘腔室(4)的状况；
所述振动过滤组件包括转轴、过滤网(14)、第一凸轮(15)、第二凸轮(16)、电机(17)、第一定位条(18)、第二定位条(19)、第一弹簧(20)和第二弹簧(21)，除尘腔室(4)上部两侧设有第一定位条(18)和第二定位条(19)，两定位条底端固定连接有第一弹簧(20)和第二弹簧(21)，两弹簧底端与过滤网(14)固定连接，所述转轴设于过滤网(14)下方，一端连接固定于侧板上的电机(17)，转轴上可转动安装有第一凸轮(15)和第二凸轮(16)，电机(17)通过转轴带动第一凸轮(15)和第二凸轮(16)转动，两凸轮与过滤网(14)两侧底端相抵，使得过滤网(14)不断上下移动而产生震动，弹簧保证过滤网(14)始终与不断转动的两凸轮紧密相抵，从而抖落附着在过滤网(14)上的木屑粉尘，掉进集尘箱(3)中；
所述吹排气喷淋组件包括第二风机(23)、排气管(24)、集气缸(25)、电控阀门(26)、气压传感器(27)、第一出气孔(28)、第二出气孔(29)、第一吹气管(30)、第二吹气管(31)、第一喷嘴(32)、第二喷嘴(33)、储水罐(34)、第一细管(35)和第二细管(36)，所述顶板(2)一侧开排气口(22)，排气口(22)外接第二风机(23)，第二风机(23)通过排气管(24)连接固定于顶板(2)上的集气缸(25)，集气缸(25)上壁开口并安装电控阀门(26)，集气缸(25)内部嵌有气压传感器(27)；集气缸(25)侧壁设有与外界相通的第一出气孔(28)和第二出气孔(29)；第一出气孔(28)依次通过第一吹气管(30)及第一喷嘴(32)与除尘腔室(4)相通，第一喷嘴(32)紧密嵌入侧板(1)上的开孔之中；第二出气孔(29)依次通过第二吹气管(31)及第二喷嘴(33)与外界相通，第二喷嘴(33)固定于监视报警装置(8)之上；侧板(1)外侧固定连接有储水罐(34)，储水罐(34)内设有分别与第一吹气管(30)、第二吹气管(31)连通的第一细管(35)、第二细管(36)，第一细管(35)、第二细管(36)的另一端均位于水面以下；当第二风机(23)开始工作时，吹气管内气流流动，根据伯努利原理，细管位于水面以下的压强大于吹气管内的压强，水在压强的作用下从喷嘴喷出，电控阀门(26)打开时，集气缸(25)中的气压降低，水雾喷淋随即停止；
所述控制模块包括工控机和PLC，所述工控机和PLC通过串口相互传输数据和指令；所述PLC的信号输入输出端连接第一风机(6)、关节轴承(9)、电控底板(12)、微型红外广角摄像头(13)、电机(17)、第二风机(23)、电控阀门(26)、气压传感器(27)、第一微型摄像头(37)、蜂鸣器(38)、第二微型摄像头(39)、发光二极管(40)和第三微型摄像头(41)的信号输出输入端，其中第一风机(6)通过第一变频器(42)连接PLC、第二风机(23)通过第二变频器(43)连接PLC；所述工控机的信号输入输出端连接数据采集卡的信号输出输入端，数据采集卡的信号输入端连接微型红外广角摄像头(13)、气压传感器(27)、第一微型摄像头(37)、第二微型摄像头(39)和第三微型摄像头(41)的信号输出端；
所述吸尘监视报警组件、集尘组件、振动过滤组件、吹排气喷淋组件和控制模块之间电控连接，在工控机和PLC的调控下自主智能工作，其智能电控工作方法流程如下：
①系统通电启动；
②工控机指令PLC开启系统内的所有摄像头和传感器；
③工控机通过数据采集卡实时采集第一微型摄像头(37)，第二微型摄像头(39)，第三微型摄像头(41)三个微型摄像头传来的视频图像组b，并利用图像灰度直方图判定环境照度是否不足：如不足，则工控机指令PLC开启发光二极管(40)；
④工控机指令PLC通过关节轴承(9)调整监视报警装置(8)定位至所需方位角度，或全方位转动巡视；工控机调用超分辨率程序，对视频图像组b进行重建，也对微型红外广角摄像头(13)传来的视频图像a进行复原；
⑤工控机实时依据重建的高分辨率图像，判断外环境的空气能见度及粉尘浓度是否超标；实时依据复原的高分辨率红外图像，判断除尘腔室(4)内的空气粉尘浓度是否超标；如未超标，则系统休眠设定时间后，转回第②步重新执行；如超标，则按第⑥步分情况执行；
⑥如第⑤步中，空气质量超标严重，有安全隐患，则工控机指令PLC开启蜂鸣器(38)并调整发光二极管(40)为闪烁报警状态，等待人工干预处理；否则，工控机指令PLC：通过第一变频器(42)开启第一风机(6)并实时依据外环境的空气能见度及粉尘浓度调速，通过第二变频器(43)开启第二风机(23)并实时依据除尘腔室(4)内的空气粉尘浓度调速；
⑦工控机同步执行第⑤、⑧、⑨和⑩步流程，实行同步实时监控；
⑧工控机实时通过数据采集卡采集气压传感器(27)传来的气压值，判断集气缸(25)内气压是否安全：如安全，则工控机指令PLC开启电控阀门(26)，排气释压，水雾喷淋随之停止；否则工控机指令PLC关闭电控阀门(26)，使集气缸(25)内气压增加，在压强的作用下恢复水雾喷淋；
⑨工控机实时依据复原的高分辨率红外图像，判断过滤网(14)上的粉尘量是否超标：如超标，则工控机指令PLC开启电机(17)，依据粉尘量调整转速，使过滤网(14)振动清尘；如未超标，则工控机指令PLC关闭电机(17)，过滤网(14)停止振动；
⑩工控机实时依据复原的高分辨率红外图像，判断集尘箱(3)内的粉尘木屑是否已集满：如已满，则工控机指令PLC开启电控底板(12)，将木屑粉尘卸入集运车(10)，而后PLC反馈信息至工控机人机界面，提示工作人员拖运集运车；如未满，则工控机指令PLC保持电控底板(12)的闭合状态。
2.根据权利要求1所述的木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统，其特征是所述吸尘监视报警组件中，监视报警装置(8)为通气管式结构，其横切面中心为圆筒形通气管，在管口壁外周顺时针方向0点、2点、4点、6点、8点、10点、12点处，依次固定有第二喷嘴(33)、第一微型摄像头(37)、蜂鸣器(38)、第二微型摄像头(39)、发光二极管(40)和第三微型摄像头(41)。
3.根据权利要求1所述的木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统，其特征是所述集尘组件设于除尘腔室(4)下部，侧板(1)下侧设有与侧板(1)转动连接的侧门(11)，集运车(10)通过与侧板(1)转动连接的侧门(11)驶出；侧板(1)内壁安装微型红外广角摄像头(13)，用于实时监视除尘腔室(4)的状况，包括监测集尘箱(3)内木屑粉尘的收集量。
4.根据权利要求1所述的木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统，其特征是所述振动过滤组件中两凸轮型号规格相同，转轴转动时两凸轮的凸部与过滤网(14)的相抵形式为交替相抵，转动的两凸轮的凸部不同时抵触过滤网(14)两端，进而使得过滤网(14)两端均能产生持续交替的上下震动，木屑粉尘抖落得更加彻底。
5.根据权利要求2所述的木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统，其特征是所述PLC电控连接的部件分别有：关节轴承(9)、电控底板(12)、微型红外广角摄像头(13)、电机(17)、电控阀门(26)、气压传感器(27)、蜂鸣器(38)、发光二极管(40)、第一微型摄像头(37)、第二微型摄像头(39)和第三微型摄像头(41)，通过第一变频器(42)连接第一风机(6)、通过第二变频器(43)连接第二风机(23)；PLC可根据工控机传输的指令执行如下操作：控制第一变频器(42)的输出，进而调节第一风机(6)的启闭及转速；控制第二变频器(43)的输出，进而调节第二风机(23)的启闭及转速；控制关节轴承(9)的旋转，进而调整监视报警装置(8)的方位角度；控制电控底板(12)的开闭；控制微型红外广角摄像头(13)的开闭；控制电机(17)的启闭及转速；控制电控阀门(26)的开闭；控制气压传感器(27)的开闭；控制蜂鸣器(38)的开闭；控制发光二极管(40)的开闭；控制第一微型摄像头(37)、第二微型摄像头(39)、第三微型摄像头(41)的开闭；可获取与其电控连接部件的工作状态数据，并通过串口反馈工控机；
所述工控机通过数据采集卡分别连接微型红外广角摄像头(13)、气压传感器(27)、第一微型摄像头(37)、第二微型摄像头(39)、第三微型摄像头(41)，所述工控机不仅通过串口与PLC收发数据和向PLC发送指令，还通过数据采集卡接收并处理以下部件传输的数据：接收微型红外广角摄像头(13)获取的除尘腔室(4)内的视频图像a，并对视频图像a进行超分辨率复原，高分辨率地呈现除尘腔室(4)内的状况，据此判别除尘腔室(4)内空气粉尘浓度是否超标，集尘箱(3)和过滤网(14)是否须清理；接收气压传感器(27)获取的集气缸(25)内的气压数据，并据此判别集气缸(25)内气压是否超标；分别接收第一微型摄像头(37)，第二微型摄像头(39)，第三微型摄像头(41)三个通道传来的系统外环境同场景的视频图像组b，并对视频图像组b进行超分辨率重建，高分辨率地呈现系统外空气能见度及粉尘浓度，据此判断系统外空气质量是否超标。
6.根据权利要求1所述的木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统，其特征是所述超分辨率程序是基于网格化拼接的图像超分辨率方法设计的，依次包括以下流程环节：
(1)如果输入的低分辨率图像g是多帧的图像组，则先将图像组融合成单帧图像，仍表示为g；
(2)将单帧图像g分成图像网格，为避免边界效应，网格化时每个图像格保留冗余边界；
(3)根据每个图像格自身的特征来构造最适合的特征驱动先验，并逐一对每个图像格进行超分辨率复原；
(4)切除每个复原图像格的冗余边界，再将它们拼接成完整的高清图像。
7.根据权利要求6所述的木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统，其特征是所述环节(1)中，图像组融合成单帧图像的过程为：输入同场景低分辨率的图像组，然后对该图像组进行空间配准，而后将所有低分辨率图像融合成较高分辨率的单帧图像g，其中，融合的具体过程为：
(1-1)按照配准的位置将所有图像置于一个标准的高分辨率网框内，得到像素非均匀分布的图像；
(1-2)对网框内像素非均匀分布的图像进行核回归处理，使像素分布均匀化，得到较高分辨率的单帧图像；
所述环节(2)中单帧图像g分成图像网格的过程为：将单帧图像g分割成p行q列，得到p×q个图像网格，每相邻两个图像格的边界均向外保留w个像素宽度的冗余，0＜w＜5，使得每对相邻图像格都有2w个像素宽度的边界重叠；
所述环节(3)是对所有图像格{gij|0<i≤p,0<j≤q}逐一进行基于特征驱动先验的单帧超分辨率复原，每个图像格gij的复原结果为其原始图像格fij的估计值
其中，下标i表示图像格的行序数，下标j表示图像格的列序数；
设gij、fij和
的像素数均为N，每个图像格gij复原的步骤均如下：
(3-1)用高通算子Γ对gij进行高通滤波，所述高通算子采用拉普拉斯算子，其掩模表示为
得到gij的高频图像gHij＝Γgij，其中，gHij的像素数为N；
(3-2)从gHij中抽取S个像素，构成样本gSHij；
(3-3)用gjSiH分别估计在高斯分布先验和拉普拉斯分布先验下gHij像素的标准差：当gHij服从高斯分布的先验，标准差为
当gHij服从拉普拉斯分布的先验，标准差为
(3-4)构造代价函数Cij：若
则fij服从高斯分布先验，且
若
则fij服从拉普拉斯分布先验，且
其中，e表示自然常数，Bij表示gij的模糊算子，1/β为gij的噪声方差，||·||1表示1-范数运算符，||·||2表示2-范数运算符；
(3-5)以gij作为初始值，利用共轭梯度算法对Cij进行迭代寻优，得到估计值
所述环节(4)中，切除每个复原图像格的冗余边界的具体操作为：对环节(3)中每个复原后的图像格
逐一切除其w个像素宽度的边界进而得到无冗余边界的复原图像格hij，此时每相邻两个复原图像格hij的边界均不再重合；
所述环节(4)中，拼接成完整的高清图像的过程为：将所有切除冗余边界的复原图像格{hij|0<i≤p,0<j≤q}按下标行列位置进行重新拼接；具体过程是：将h11置于第1行第1列，将h12置于第1行第2列，…，将hij置于第i行第j列，…，将hpq置于第p行第q列，得到灰度相关的完整高分辨率图像h，并作为最终结果输出。
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| CN202110547439.6A CN113191951B (zh) | 2021-05-19 | 2021-05-19 | 木材加工环境智能超分辨率监视除尘报警系统 |
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| CN109879089A (zh) * | 2019-03-18 | 2019-06-14 | 乳源东阳光机械有限公司 | 一种腐蚀箔表面实时监控预警和除尘的系统及方法 |
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2021
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