温湿度计自动拍照检定系统研制

穆蕾，梁兴忠，马嫣，徐华太，尹遵义，尹跃，冯玉辉，徐兴业

（1.山东省计量检测中心，济南 250014； 2.山东省计量科学研究院，济南 250014；3.山东省社会公正计量行，济南 250014； 4.济南长峰致远仪表科技有限公司，济南 250103）

温湿度计是用于检测环境温度和湿度变化的一种计量器具，广泛应用于工业、农业、环保、气象、医疗、国防、航天军工以及日常生活、仓储环境管理等方面［1-3］。随着科学技术的发展，温湿度的检测和控制越来越受到人们的重视，对温湿度参数的准确度要求也越来越高，因此需要对温湿度计进行定期检定和校准，以保证检测结果的准确性，特别是用于环境监测的温湿度计已列入了强制检定目录［4-5］。社会的需求极大地促进了温湿度测量技术的发展，温湿度器具检定与校准市场需求迅速扩大。然而我国温湿度计量标准配套设备的研发严重落后，温湿度计检定仍然依赖人工完成，每个检定点均需要人工设定、读数和记录，耗时长，数据采集、处理、打印证书程序繁琐，影响工作效率和检定精度，且出错率高［6-8］。

近年来，部分业界学者对温湿度计自动检定装置进行了研究，董立亭等［9］设计了多路自动气象站湿度传感器检定系统，可实现计算机远程调取数据及处理、打印等功能；寿文杰等［10］研究了基于双温法的大型温湿度检定装置，该装置采用封闭循环回路，利用双温法原理，可检定多种类型的温湿度计；巩娟等［10］研制了Swsy-H 型温湿度计量检定装置，该装置采用双压法，可产生高准确度的标准湿气和温度，适合于露点仪和各种小型温湿度传感器的检定；陈洪侠等［10］利用虚拟仪器技术设计了多功能温湿度现场校验装置，该装置可连接铂电阻和热电偶测量温度，连接湿度传感器测量湿度，适用于工作现场温湿度计的校准及测试。

笔者结合图像识别、数据库、嵌入式、计算机控制等技术，研制了一种全自动温湿度计检定装置，该装置能自动完成图像读取、数据处理、检定证书生成等检定过程，操作性强，方便实用，有效提高了检定精度和检定效率［13-14］。

1 系统总体设计

温湿度计自动拍照检定系统由工控计算机、温湿度检定箱、精密露点仪、拍照机器人和数字照相机组成，其工作原理如图1 所示。

图1 温湿度计自动拍照检定系统工作原理

温湿度检定箱提供标准温湿度环境，精密露点仪作为标准器，拍照机器人和数字照相机实现被检温湿度计的自动拍照。系统软件依据JJG 205—2005 《机械式温湿度计检定规程》设计开发，适用于机械式温湿度计的检定、校准。机械式温湿度计结构简单，功能可靠，不易受电磁干扰的影响。检定员只需要把被检温湿度计置于仪器架的固定位置上，系统软件可根据检定规程或特殊要求设置温湿度检定点，自动控制温湿度检定箱恒定温湿度，并判定环境是否符合条件要求，控制拍照机器人自动移动至指定工位进行拍照，图像识别程序对被检仪表图片进行分析、识别，数据自动存储于数据库中，检定完成后自动生成原始记录和检定证书。

2 硬件设计

2.1 温湿度环境装置

采用温湿度检定箱作为温湿度环境装置。温湿度检定箱技术要求：温度控制范围为5～85 ℃，控制精度为±0.2 ℃；湿度控制范围为10%～95%，控制精度为±0.5%。检定箱与露点仪配合使用，检定箱根据露点仪的测量值控制温度，提高了控制精度。温湿度检定箱配有9 针232 通讯接口，通过232 串口线与计算机连接，计算机软件通过232 方式与检定箱通讯，以修改设定值、读取当前温湿度示值。

2.2 图像采集装置

图像采集装置是由拍照机器人和数字相机组成。拍照机器人可在水平和垂直方向自由移动，采用嵌入式单片机进行控制，支持485 方式与计算机进行通讯；拍照机器人通过步进电机进行拖动，水平移动范围为0～63 cm，垂直移动范围为100～158 cm，移动范围可覆盖温湿度检定箱的观察窗。数字相机负责拍照，采集被检温湿度计的示值图片。为保证采集图片的清晰度，建议选择高分辨率的相机；为保证温湿度计表盘显示完整，便于识别，拍照时应使温湿度计表盘位于图片中间。相机通过专用数据线与计算机连接，通过拍照程序将所拍照图片自动传输至计算机。

2.3 精密露点仪

选用满足温湿度计检定需要并支持232／485通讯的精密露点仪，通过串口线与计算机连接，计算机可自动读取露点仪的温湿度示值。

3 软件设计

3.1 软件功能设计

软件主要包括文件、管理、数据、用户、帮助等几大模块，软件系统功能菜单如图2 所示。

图2 软件系统功能菜单

3.2 软件总体流程

用户首先根据被检温湿度计类型，填写被检温湿度计信息和环境温湿度，选择设备方案，设置被检温湿度计工位和温湿度检定点，然后系统自动进行示值检定、数据处理，最后生成记录、证书。软件总体流程如图3 所示。

图3 软件总体流程

3.3 图像识别

针对不同类型的指针式温湿度计，图像识别模块采用单独的识别程序，每一个识别程序对应一种温湿度计类型。拍照完成后，识别程序利用数字图像处理技术，由计算机程序识别出相机所拍摄图片中温度和湿度指针对应的数值。图像识别程序流程图如图4所示。

图4 图像识别程序流程

下面以数字相机拍摄的被检温湿度计原始图片为例，详细说明图像识别过程。

（1）导入原始图像。程序自动导入数字相机拍摄的温湿度计原始图片，为方便图像处理和观察，此过程通过软件将图像像素进行了压缩处理，处理效果如图5 所示。

图5 导入原始图像

（2）提取温湿度计表盘。此部分工作是将彩色图像转化为灰度图像。同时根据表盘的形状、直径及其它特征，进行区域特征处理，最后通过函数将完整的温湿度计表盘图像截取出来。提取的温湿度计表盘如图6 所示。

图6 提取的温湿度计表盘

（3）温湿度计表盘去噪、细化和剪枝处理。提取被检温湿度计表盘后，需要进一步消除噪声、提取刻度特征区域。首先进行特征突出处理，通过直方图均衡化方法对提取的仪表盘灰度图进行处理，将比较淡的图像转变为比较深的图像（即增强图像的亮度及对比度），如图7 所示。

图7 去噪、细化和剪枝处理后的灰度图

对去噪、细化、剪枝后的灰度图像进行阀值处理得到二值化图像，如图8 所示。

图8 二值化图像

二值化图像仍存在许多噪声，采用平滑操作去除噪声干扰。为滤除过多噪声，同时保留仪表边框，采用归一化滤波器，滤波效果如图9 所示。

图9 滤波效果图

再次对滤波图进行细化和剪枝处理，得到区域局部图如图10 所示。

图10 区域局部图

（4）对被检温湿度计刻度盘进行定位，通过系统处理，识别表盘指针。表盘指针与刻度区域产生交集，通过特征提取，获得温湿度计指针特征与刻度特征交集位置，即为指针所指区域。局部细化效果如图11 所示。

图11 局部细化图

（5）字符识别。需要识别的字符包括刻度数值字符和刻度区域字符。识别的刻度数值字符如图12 所示。

图12 识别的刻度数值字符

由图12 可以看出，细化后的数字和字母特征明显，只需将其倾斜校正后即可通过特征识别获得温湿度计的刻度数值字符。

（6）结果输出。将温湿度计刻度识别、指针识别和字母识别结果与其坐标对应起来之后，即可获得指针型（机械式）温湿度计的指针所指的数值，将其数字化后输出，供系统的其它模块进行调用。

4 界面设计

4.1 基本参数输入

打开温湿度计检定软件界面后，系统会自动生成一个检定编号，此编号为本次检定的批次号，是根据仪表类型和时间自动排列的，便于后期查询。

基本参数输入界面可实现环境信息和被检温湿度计信息的输入，按照国家相应检定规程和校准规范要求，设计仪器名称、型号、编号等证书和原始记录需要的信息输入框。

环境温湿度、大气压力为规程要求的检定／校准环境条件，采用文本框输入；检定／校准时间为本次检定时间。

采用数据窗口控件采集被检温湿度计信息，其中仪器名称、生产厂家、委托单位、地址等信息采用模糊查询方式，在下拉框中输入字符后，软件会根据输入的字符在数据库中自动检索近似信息，方便用户输入。仪表类型按照机械式、数字式、干湿表等进行设置，并对应相应的检定规程。

4.2 选择设备方案

设备方案是指不同系统设备组合方式，用户可以预先设置不同的设备方案，不同的设备方案可实现不同的功能。系统默认自动拍照和手工读数两种方案，自动拍照方案支持拍照机器人和相机，能够实现被检温湿度计示值的自动拍照；手工读数方案不支持拍照机器人和相机，需要人工读取和输入被检仪表示值。多种备选设备方案增加了系统的灵活性，使用更加方便。

选择好设备方案后，系统会根据方案中的设备配置情况，自动读取所用温湿度检定箱和露点仪名称、型号、编号、通讯串口等信息，并将这些信息存入数据库中，以便于系统完成检定过程。

4.3 工位设置

为了实现自动拍照、读取被检温湿度计示值，引入了工位概念。拍照机器人在横向和纵向上自动移动，可以覆盖温湿度箱的整个窗口，能够对所有挂在仪器架上的温湿度计进行拍照。一个工位就是拍照机器人的一个移动位置，包含横坐标和纵坐标。在拍照机器人移动范围内，根据需要预先设置多个工位，每个工位对应一定的照相机可拍摄的区域。将仪表放置的位置和拍照机器人的工位对应起来，系统即可控制拍照机器人自动移动到设置工位，对被检温湿度计进行拍照，并读取其示值，从而实现被检温湿度计示值图片的自动采集。

4.4 检定点设置

检定点设置界面可根据规程要求自动设置被检温湿度计所需要检定的温度、湿度点，系统会根据所设置的温湿度点自动进行检定和校准。用户也可根据需要进行修改。

检定类型支持“新建检定”和“补充检定”，新建检定时系统会根据规程要求自动生成检定点；补充检定时系统会显示本次检定已经完成的检定点和未完成的检定点，用户可根据需要调整，并继续进行未完成的检定任务。

4.5 示值误差检定

根据前面选择的设备方案、工位信息、检定点信息，并依据规程要求的检定和校准过程，系统开始进行示值误差的检定或校准。

界面左上角显示检定温湿度点的信息，左下角数据窗口中显示每次读数时的标准值、被检值等信息，右上角显示温湿度箱和露点仪的实时温湿度值，右下角显示相机拍照采集的被检温湿度计示值图片以及检定过程中温湿度箱和露点仪的实时温湿度曲线图。

检定过程中，系统根据设定的温湿度点自动设置温湿度箱设定值，并根据预设的判断条件，自动判断温湿度箱内温湿度稳定情况，当温湿度箱内环境稳定后，系统自动读取露点仪示值作为标准值，提示人工读数输入被检值或通过自动拍照采集被检温湿度计示值作为被检值。

4.6 数据处理

当示值误差检定完成后，系统进入数据处理界面。用户可在该界面对被检温湿度计的示值及其它检定数据进行复核，对识别错误或未能识别的图像进行人工识别。

系统自动调出所有被检温湿度计的检定数据，每个被检温湿度计的示值图片均会显示在左侧的图片窗口中，用户可通过鼠标双击图片进行局部放大，以便于更清晰的读取和分辨被检温湿度计示值。当用户在右侧数据窗口中输入被检温湿度计示值后，系统会自动计算示值误差。

4.7 记录处理

当所有被检温湿度计示值数据输入完毕后，系统进入记录处理界面。根据基本参数、检定点、示值误差等信息及检定数据，自动生成原始记录，并支持原始记录数据导出至EXCEL 格式的文件中。

用户可根据需要定制EXCEL 格式的原始记录和证书的模板文件，系统自动调用模板文件，并将原始记录中的数据自动写入到模板文件中。EXCEL文件中嵌入了VBA 编程，可根据设计的模板自动生成所需要的原始记录和证书格式。

系统即支持单个被检温湿度计单独导出至EXCEL 文件，也支持所有被检温湿度计批量导出至EXCEL 文件。

4.8 原始记录

原始记录采用EXCEL 格式，根据用户需要设置相应的模板，并储存为模板文件。导出数据时，系统自动调用模板文件，并将检定数据按照模板要求自动填入。

4.9 检定／校准证书

检定／校准证书采用EXCEL 格式，可根据用户需要编辑并储存为模板文件。导出数据时，系统自动调用模板文件，并将检定数据按照模板要求自动填入，生成检定或校准证书。

5 结语

研制的温湿度计自动拍照检定系统经软件安装运行及通讯测试后，相机拍照及图像识别功能正常，软件各功能模块运行正常，系统运行稳定，自动检定系统可按照检定流程对温湿度计实行检定，并可查询检定数据、原始记录及校准证书，满足使用要求。该系统在使用过程中仍需进一步完善，如结合本单位证书系统平台，直接导入委托单位、被检设备的相关信息（包括名称、型号、编号等），将此自动检定系统与证书平台进一步结合运用。目前由祝长生等［15］提出了一种基于不变矩信息融合的温湿度计数字自动识别算法，今后本系统可结合此项技术，增加数字温湿度计的校准程序，完善系统功能，提高客户使用的满意度。