CN215728909U - 一种基于图像处理的降水测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于图像处理的降水测量仪，雨水检测模块安装于装置外壳顶部检测是否有降水，当其检测到有降水时，向微处理器发出脉冲信号，系统开始正常工作，微处理器根据环境光检测模块检测到的光强判断是否开启红外照明，同时红外摄像头开始采集降水图像，微处理器将采集到的降水图像数据传输至存储器中，并结合图像处理算法进行分析处理，得出降水粒子的直径、个数和下落速度，判断降水类型和降水强度，求出降水量大小，最终通过无线传输模块将检测数据发送至上位机或无线传感网络。本实用新型相比于传统的机械式雨量计，体积较小、便于安装并避免了在测量过程中与降水粒子的直接接触及管道堵塞等问题。

Description

一种基于图像处理的降水测量仪

技术领域

本实用新型涉及一种基于图像处理的降水测量仪，属于气象检测技术领域。

背景技术

降水是指云中液态水或固态水向地面降落的一种天气现象，包括降雨、降雪和冰雹等，其中主要以降雨形式为主。对降水实时并准确的测量对于天气的预报、气候的分析以及自然灾害的防护有着重要的意义。

目前对降水测量的仪器主要还是以虹吸式、翻斗式、称重式等机械式雨量计为主，而机械式雨量计普遍存在体积较大、内部机械结构复杂、无法获得降水类型以及管道易堵塞等问题；因此亟需设计一种新型的降水测量仪，解决上述提出的问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种基于图像处理的降水测量仪，检测速度快，测量精度高，同时稳定性高。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于图像处理的降水测量仪，包括底座和外壳，外壳嵌设在底座上，在外壳的顶部安装雨水检测模块，在外壳的圆周壁中间位置开设内槽，内槽中安装红外摄像头，在内槽口覆设红外滤光片；

在外壳的圆周壁上以红外摄像头为中心开设环形内槽，环形内槽内均布设红外发射模块，环形内槽口覆设环形玻璃片；

在外壳圆周壁与内槽对称的位置开设凹槽，凹槽内安装控制结构以及环境光检测模块，控制结构以及环境光检测模块均安装在主控电路板上，且环境光检测模块安装在靠近凹槽口的位置，控制结构与红外摄像头、雨水检测模块、环境光检测模块以及红外发射模块均连通；

作为本实用新型的进一步优选，所述的控制结构包括相连通的微处理器以及无线通信模块，微处理器通过导线与红外摄像头、雨水检测模块、环境光检测模块以及红外发射模块连通；

在外壳上安装天线，天线与无线通信模块连通；

作为本实用新型的进一步优选，在外壳内靠近底座位置安装锂电池，锂电池与控制结构、红外摄像头、雨水检测模块、环境光检测模块以及红外发射模块连通；

作为本实用新型的进一步优选，所述红外发射模块包括若干940nm波长的红外LED灯珠，若干红外LED灯珠均匀安装在环形内槽中；

作为本实用新型的进一步优选，在红外滤光片、环形玻璃片朝向外部的表面均涂设疏水层；

作为本实用新型的进一步优选，所述微处理器采用32位微处理器芯片STM32F429IGT6；

作为本实用新型的进一步优选，所述无线通信模块采用以CC2530芯片为核心的Zigbee无线传输模块；

作为本实用新型的进一步优选，所述红外滤光片采用940nm的窄带高透滤光片；

作为本实用新型的进一步优选，所述红外摄像头采用940nm的窄带免驱摄像头；

作为本实用新型的进一步优选，所述环境光检测模块采用环境光传感器AP3216C；所述雨水检测模块采用电容式雨水传感器模块。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型通过红外摄像头采集降水图像，并对降水图像进行处理分析，具有检测速度快、测量精度高等优点；

2、本实用新型在检测降水过程中，测量仪无需与降水直接接触，保证了测量仪不易损坏，稳定性高；

3、本实用新型的无线通信模块可以将检测到的降水数据发送至上位机或者传输至无线传感网络，方便用户观测分析。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型提供的优选实施例的整体结构示意图；

图2是本实用新型提供的优选实施例的测量流程示意图；

图3是本实用新型提供的优选实施例中环形内槽的结构示意图。

图中：1为雨水检测模块，2为环境光检测模块，3为主控电路板，4为微处理器，5为天线，6为无线通信模块，7为环形玻璃片，8为红外滤光片，9为红外摄像头，10为红外发射模块，11为锂电池，12为环形内槽，13为红外LED灯珠。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本实用新型的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本实用新型的保护范围。

目前市面上用于测量降水的仪器普遍存在体积较大、内部机械结构复杂等问题，本申请提供一种基于图像处理的降水测量仪，其原理是通过红外摄像头实时采集降水图像，分析图像中的降水信息，从而判断出当前的降水类型、降水强度以及降水量，不仅将测量仪结构简化，同时提高了检测速度以及检测精度。

具体的如图1所示，整个结构是包括底座和外壳，外壳嵌设在底座上，为了可以最准确的检测到雨水，在外壳的顶部安装雨水检测模块，所述雨水检测模块采用电容式雨水传感器模块；在外壳的圆周壁中间位置开设内槽，内槽中安装红外摄像头，在内槽口覆设红外滤光片，为了避免降水粒子附着在红外滤光片表面影响测量精度，因此在红外滤光片表面均涂设疏水层；在外壳的圆周壁上以红外摄像头为中心开设环形内槽12，环形内槽内均布设红外发射模块，环形内槽口覆设环形玻璃片，同样的为了避免降水粒子附着在环形玻璃片表面，在其表面也涂设了疏水层，本申请对疏水层做了优选，采用AD3105型疏水涂层或者疏水剂均可；

在外壳圆周壁与内槽对称的位置开设凹槽，凹槽内安装控制结构以及环境光检测模块，控制结构以及环境光检测模块均安装在主控电路板上，且环境光检测模块安装在靠近凹槽口的位置，控制结构与红外摄像头、雨水检测模块、环境光检测模块以及红外发射模块均连通。所述的控制结构包括相连通的微处理器以及无线通信模块，微处理器通过导线与红外摄像头、雨水检测模块、环境光检测模块以及红外发射模块连通；在外壳内靠近底座位置安装锂电池，锂电池与控制结构、红外摄像头、雨水检测模块、环境光检测模块以及红外发射模块连通，通过锂电池实现对各个部件的供电。

在本申请优选实施例中，红外发射模块为若干红外LED灯珠13，图3所示，若干红外LED灯珠均匀安装在环形内槽中，此种设置结合环境光检测模块，当环境光检测模块检测到环境光亮较暗时，即可以开启红外发射模块的若干940nm波长的红外LED灯珠，确保降水图像的正常采集，优选的，环境光检测模块采用环境光传感器AP3216C，同时在红外摄像头的四周位置均环设一圈红外LED灯珠，可以保证光线的均匀性，进一步提高降水图像采集的精度；

在本申请中，微处理器采用32位微处理器芯片STM32F429IGT6，在外壳上安装天线，天线与无线通信模块连通，无线通信模块采用以CC2530芯片为核心的Zigbee无线传输模块，通过该无线传输模块可以将串口数据通过天线传输至2.4G无线网络进行无线传输。本申请提供的环境光检测模块通过采用IIC协议与微处理器进行通信，当该传感器检测到环境光亮度较暗时，开启红外照明，确保降水图像正常采集。

优选实施例中，红外摄像头采用940nm的窄带免驱摄像头，红外滤光片采用940nm的窄带高透滤光片。

最后本申请基于提供的降水测量仪给出了其控制方法，具体如下：

图2给出了相关控制流程图，本申请中基于图像处理的降水测量仪启动后，首先对各外设以及接口电路进行初始化，接着雨水检测模块判断是否检测到降水粒子，若检测到降水粒子，向微处理器发出脉冲信号，系统开始正常工作，微处理器开启环境光检测功能，根据环境光的强度判断是否开启红外照明功能，然后启动红外摄像头开始对降水图像进行采集，微处理器将采集到的降水图像数据传输至微处理器的存储器SDRAM中，并结合图像处理算法对降水图像进行分析处理，得出降水粒子的直径、个数和下落速度，再经由微处理器对降水类型和降水强度进行判断，求出降水量大小，最终通过无线传输模块将检测数据发送至上位机或无线传感网络。

在检测过程中，需对降水图像进行处理分析，具体过程如下：

通过图像采集模块连续采集两帧降水图像并传输至存储器中，微处理器对第一帧降水图像进行处理分析，首先将降水图像进行预处理，其中包括：对降水图像进行灰度化变换，通过高斯滤波法去除图像中的噪声干扰，采用Otsu法设置阈值对降水图像进行二值化变换，再利用霍夫变换法计算出降水粒子的倾斜角并进行旋转，使雨线竖直向下，根据降水图像的连通域检测计算出图像中的雨线个数和宽度，最终得出降水粒子的直径大小，降水粒子的实际直径大小可由下面公式计算得出：

上述式中，d_m为降水图像中雨线的不同宽度值，n_m为降水图像中雨线不同宽度对应的个数，N为降水图像中雨线的总个数，L₁为真实的环境距离宽度，L₂为降水图像的行像素数。

微处理器对采集的第二帧图像进行处理分析，通过对比相邻两帧图像中的降水粒子位置，得出降水粒子的下落距离，再由红外摄像头采集降水图像的帧率得出降水粒子的下落时间，计算出降水粒子的下落速度，降水粒子的下落速度可由下面公式计算得出：

上述式中，p_m为第一帧降水图像中不同降水粒子位置，q_m为第二帧降水图像中不同降水粒子位置，f为红外摄像头采集降水图像的帧率。

综上可知，本申请通过红外摄像头实时采集降水图像，分析图像中的降水信息，判断出当前的降水类型、降水强度和降水量，解决背景中提出的机械式雨量计体积较大、管道易堵塞等问题。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种基于图像处理的降水测量仪，其特征在于：包括底座和外壳，外壳嵌设在底座上，在外壳的顶部安装雨水检测模块，在外壳的圆周壁中间位置开设内槽，内槽中安装红外摄像头，在内槽口覆设红外滤光片；

在外壳的圆周壁上以红外摄像头为中心开设环形内槽，环形内槽内布设红外发射模块，环形内槽口覆设环形玻璃片；

在外壳圆周壁与内槽对称的位置开设凹槽，凹槽内安装控制结构以及环境光检测模块，控制结构以及环境光检测模块均安装在主控电路板上，且环境光检测模块安装在靠近凹槽口的位置，控制结构与红外摄像头、雨水检测模块、环境光检测模块以及红外发射模块均连通。

2.根据权利要求1所述的基于图像处理的降水测量仪，其特征在于：所述的控制结构包括相连通的微处理器以及无线通信模块，微处理器通过导线与红外摄像头、雨水检测模块、环境光检测模块以及红外发射模块连通；

在外壳上安装天线，天线与无线通信模块连通。

3.根据权利要求1所述的基于图像处理的降水测量仪，其特征在于：在外壳内靠近底座位置安装锂电池，锂电池与控制结构、红外摄像头、雨水检测模块、环境光检测模块以及红外发射模块连通。

4.根据权利要求1所述的基于图像处理的降水测量仪，其特征在于：所述红外发射模块包括若干940nm波长的红外LED灯珠，若干红外LED灯珠均匀安装在环形内槽中。

5.根据权利要求1所述的基于图像处理的降水测量仪，其特征在于：在红外滤光片、环形玻璃片朝向外部的表面均涂设疏水层。

6.根据权利要求2所述的基于图像处理的降水测量仪，其特征在于：所述微处理器采用32位微处理器芯片STM32F429IGT6。

7.根据权利要求2所述的基于图像处理的降水测量仪，其特征在于：所述无线通信模块采用以CC2530芯片为核心的Zigbee无线传输模块。

8.根据权利要求1所述的基于图像处理的降水测量仪，其特征在于：所述红外滤光片采用940nm的窄带高透滤光片。

9.根据权利要求1所述的基于图像处理的降水测量仪，其特征在于：所述红外摄像头采用940nm的窄带免驱摄像头。

10.根据权利要求1所述的基于图像处理的降水测量仪，其特征在于：所述环境光检测模块采用环境光传感器AP3216C； 所述雨水检测模块采用电容式雨水传感器模块。

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