基于计算机视觉的家庭清洁系统设计

刘昱岑 重庆大学 重庆沙坪坝 400044



基于计算机视觉的家庭清洁系统设计

刘昱岑 重庆大学 重庆沙坪坝 400044

【文章摘要】

中国经济的快速发展，加快了人们的生活节奏，同时也带来了快节奏生活与低效的传统清洁方式的剧烈冲突，人们急需一种更为高效的家居清洁方式，而计算机视觉的兴起给新型的家居清洁方式带来了可能。

【关键词】

计算机视觉；家庭清洁系统；图像处理技术

全球经济高速发展，在给人们带来了便捷、舒适的同时，给人们带来更多的是快节奏生活的压力。据调查结果可知，55.6%的40岁及以下市民认为自己的时间不够用。在过去电子时代飞速发展的几年里，世界范围内平均睡眠时间有了显著的下降，在我国，国民平均睡眠时间与五年前相比减少了一个小时。在大多人都处于睡眠不足的情况下，调查结果却显示平均每人花费2-2.5个小时用于做家务。无穷无尽的家务让现代人更加疲惫的同时更压缩了人们社交、娱乐、休息的时间。即便人们逐渐树立起请家政人员从事家庭清洁活动的观念，可如今全国家政市场人员严重短缺，以昆明为例，每年光在非春节时期就有40%的缺口，到了春节时期人员短缺的形式更为严峻。在严峻的家政市场中，高空清洁的缺口是最大的。近些年来，平均每年有上百起高空玻璃擦洗事故发生，这深刻的显示了落后低效的传统清洁方式与快节奏生活的剧烈冲突，人们急需从繁杂、无尽的家务清洁中解脱出来。

社会发展到今天，家庭空巢成为中国老人居住的主要方式。中华人民共和国国家统计局2005年全国1%抽样调查报告显示我国65岁以上的人口占总人口的7.69%，按照国际标准我国已经进入老年型社会。然而在老年人身体脆弱、行动不便的情形下，传统清洁的方式给老人的生活带来了更多的隐患，考虑我国人口老龄化、独居老人的社会问题和一些行动不便的残疾人的需要，再考虑到落后、低效的清洁方式给人们带来的疲惫与不便，基于计算机视觉的家庭清洁系统越发具有重要意义。

1 国内外家庭新兴清洁工具的研究现状

自上个世纪八十年代起，美日韩及欧洲各国都开始致力于清洁机器人的研究、开发和生产。如今国外的研究者已经能够轻松实现清洁机器人对环境的识别技术和自主充电的功能。在国外学者对清洁机器人进行研究的同时，近几年来，我国的一些企业也开始了相关的研究，并成功的研制出了自己的清洁机器人。由于高空玻璃擦洗事故频繁发生，我国政府也逐渐重视起对家庭清洁机器人的研究，加大了对这方面的经济、人才投入。自2008年起，我国每年都会举行如《高空清洗技术研讨会》、《WAHT2012中国(北京)国际高空作业机械、安全防护用品及清洗设备展览会暨论坛》的用于探讨高空清洁发展状况的研讨交流会，并鼓励更多的人才参与到这些项目的研发。也正是由于国家的大力支持，我国对于清洁机器人的研发技术也取得了突飞猛进的成绩。比如在传感器方面，我国能够通过CCD摄像机、超声波传感器、红外线传感器等多种技术，实现对机器人的视觉导航定位、目标识别和地图构造。而在路径规划方面，我国也能够通过视图法、自由空间法和栅格法等环境建模方法，利用随机和局部遍历规划相结合的技术产生清扫路径。

虽然中国乃至世界多个国家都致力于对家庭清洁工具的研究，但这类产品的应用存在着明显的缺陷，如今的清洁工具主要分为两类，一类是简单的清洁工具虽然造价便宜、易于掌握但清洁效率低下，花费时间长，高空清洁的简单工具更是导致了一幕幕从高楼跌下当场身亡的人间惨案，根本无法满足人们的需求。另一类是以清洁机器人为主的复杂清洁工具，这类清洁工具可以代替人类从事高强度的幕墙清洗，但是造价昂贵、研发时间强，难以走进寻常百姓家，短期时间内难以普及。

目前的除清洁机器人以外的清洁工具研究中没有引入计算机视觉技术的先例，因此导致家庭清洁工具无法在实时监测的基础上，自动进行清洁行为。

2 基于图像处理技术的新型家用清洁系统

本文是基于图像处理技术和Wi-Fi无线传输技术设计一种新型的家用清洁系统。本系统使用CCD摄像头对玻璃进行图像采集，将采集到的图像数据发送到PC机，PC机利用后续编写的图像处理系统对图像进行特征提取，并实现对是否需要进行清洁的判断，并据此向清洁助手发出控制指令，再通过Wi-Fi无线通信传输的方式将控制指令发送给清洁助手，清洁助手收到指令后自发控制清洁助手进行系列清洁行为，整个过程无需人的参与，彻底实现了劳动力的解放。图1为系统结构框图，图2为系统软件流程图。

3 清洁系统应用技术

3.1图像识别技术

基于计算机视觉的家庭清洁系统中，图像处理模块主要是依靠数字图像处理技术来完成的。数字图像处理(Digital image processing)就是利用计算机对图像进行预处理、特征提取、数据分析、图像识别等操作，达到增强图像、提取图像特征和识别特征图像的目的，实现对玻璃清洁程度的判断。数字图像处理技术主要包含以下几个方面的内容：

1)图像预处理：运用基本的图像增强方法，减少图像受到的影响，强化图像特征。

2)特征提取：提取预处理后的图像信息，将图像特征数据化。

3)数据分析：分析特征数据，为图像识别提供一种判断标准。

4)图像识别：运用已定的标准识别玻璃的清洁程度。

3.2Wi-Fi无线传输数据

在PC机发出指令到清洁助手开始工作的过程中，数据传输方式的选择成为了另一个重点。相比有线数据传输技术,无线数据传输技术具有更大的灵活性，故而近些年来无线技术得到了较快的发展。如今的无限数据传输技术主要包括Wi-Fi无线数据传输技术、ZigBee技术、蓝牙(Bluetooth)技术。在综合分析各种无线技术的特点之后,我们发现相比于其他无线传输技术，Wi-Fi技术具有传输数据快、传输距离远、可移动性强和价格低廉的优势.具体如下：

1)传输速率上,尽管三者都工作在2. 4 GHz的频段,但Wi-Fi的传输速率能达到11Mbit/ s,而蓝牙和ZigBee一般只能达到1Mbit / s和250 Kbit / s。

2)传输距离上Wi-Fi的覆盖半径可以达到100m远远强于其他无线AP ( access point)

3)WiFi技术支持无线组网,只要设置一台有效距离的无线AP ( access point) ,就可允多台PC对其进行访问;蓝牙只能用于点对点连接; 而ZigBee在组网复杂时,其传输速度会受到很大限制。

因此,我们决定选择Wi-Fi技术来实现无线通信。Wi-Fi技术主要包括以下几个方面：

1)Wi-Fi模块的启动：对模块进行初始化处理，再使用主程序调用函数来查询Wi-Fi状态，通过改变电平的启动Wi-Fi模块。

2)与PC机进行数据传输：模块使用内部集成了嵌入式 TCP / I P协议栈, 支持主流的常用协议, 如 ARP 、ICMP 、TCP 、UDP 、DHCP , 可以向用户提供透明的UART 和 SP I数据传输。

3)数据封装成数据帧：将协议数据单元封装在一组协议头和尾中，使的无线通讯实现模块化并易于管理。

4)数据通过WLAN传输给微处理器：微处理器接收数据驱动清洁助手工作。

4 结语

基于计算机视觉的家庭清洁系统，是一种基于图像处理技术的自动控制清洁工具的系统。这种系统改变了传统的人主动对房屋进行清洁的模式，通过图像处理技术，自动判断房屋是否需要清洁并控制清洁器具的开关，达到自动完成房屋清洁的效果，整个过程无需人的参与，真正做到方便快捷。

【参考文献】

[1]姜莉. 基于WiFi室内定位关键技术的研究[D].大连理工大学,2010.

[2]黄向骥. 基于CC2430的无线智能家居系统的设计[D].武汉理工大学,2010.

[3]王娟. 基于ZigBee无线传感网络的智能家居系统设计与实现[D].东华理工大学,2013.

[4]李晓阳. WiFi技术及其应用与发展[J].信息技术,2012,02:196-198.

刘昱岑（1995.01.08），女，汉，河南，本科，重庆大学。

图1　系统结构框图

图2　系统软件流程图

【作者简介】