基于机器视觉的智能抄表系统设计

侯建勤

(上海工业自动化仪表研究院有限公司，上海 200233)

0 引言

工业领域中存在大量的仪表。这些仪表时刻监控着生产制造的各个环节。传统抄表方法采用人工抄表，存在以下问题：成本高、频次低；设备运行状况难以实时跟踪监控；效率低、错误率高，安全难以保证；部分仪表抄表困难。此外，一般车间仪表数量较大，如果将车间仪表全部更换为智能数字仪表不但成本高昂，而且会影响现有的生产。为此，设计一套低成本、大连接、灵活有效的智能无线视觉抄表系统是非常有必要的[1]。

本文所设计的基于机器视觉的智能抄表系统可以定时采集表盘信息，并采用机器视觉[2-4]、大数据处理与分析以及多种辅助分析模型等技术对数据进行识别和分析。当数据出现异常时，系统以短信的形式将数据推送给用户，以保证工厂安全、可靠运行。该系统无需布线、停机，即安即用；可赋能各种高危高难度抄表，适应各种恶劣环境。

1 系统总体架构设计

窄带物联网(narrow band-Internet of Things,NB-IoT)基于长期演进(long term evolution,LTE)蜂窝移动网络技术， 具有低成本、低功耗、大连接、广覆盖[5-7]等优势，非常适合智能物流、智慧抄表等低速物联网应用领域。考虑到工厂仪表比较分散且布线困难，为了保证仪表安装的灵活、方便，本文采用NB-IoT无线通信技术作为数据传输网络,借助于运营商的基站，将数据快速、灵活地接入云端。

智能抄表系统架构如图1所示。

图1 智能抄表系统架构图Fig.1 Intelligent meter reading system architecture diagram

智能抄表系统由感知层、通信层、物联网(internet of things,IoT)平台层、应用服务层和用户层[8]组成。第一层为感知层，主要为智能视觉抄表终端，负责采集表盘的信息，并将信息上传给通信层的NB-IoT基站。第二层为通信层，主要承担感知层NB-IoT设备无线空口接入的任务，并与IoT核心网络连接。核心网络可以利用控制面板以及用户端优化衔接，调整流量大小，避免出现信息拥堵，其安全性优于普通网络[9]。第三层为中国电信IoT平台层，负责汇入IoT的相关数据，并根据不同感知的数据类型转发给相关的应用层。第四层为应用服务层。智能抄表系统布署在云端，向用户提供用户管理服务、数据趋势服务、终端管理服务、安装绑定服务、仪表读数服务、告警与报表服务等应用程序(application program interface,API)接口。第五层为用户层。用户可以使用桌面的Web浏览器、手机应用(application,APP)、微信小程序和工厂电子看板查看仪表读数。

2 管理平台功能设计

智能抄表系统管理平台的应用服务布置在云端，采用目前流行的spring cloud微服务解决方案。该方案将复杂的应用解耦为数据通信解析、视觉识别处理、客户应用、系统管理等单独服务，从而更高效地分配及扩展计算资源。其开发布署更加灵活，布署拓展也可独立开展。其中，数据解析服务采用高性能的网络通信框架Netty与硬件进行交互，大大提升了系统的并发量和网络传输性能。平台采用前后端分离设计，使用git工具进行代码和版本的管理，使模型迭代更新更加迅速。其应用服务和数据存储实行分离设计，使外网不能直接访问到数据服务器，因而数据安全可靠。

管理平台主要功能包括用户管理服务、终端管理服务、数据趋势服务、安装绑定服务、仪表读数服务、告警与报表服务。用户管理服务根据赋予的权限不同，访问的范围也有所不同。数据趋势服务主要以折线图或者柱状图的形式展现感知层感知的表盘数据情况。终端管理服务主要是对感知层设备的状态、信号、流量、使用流量和使用期限进行管理。安装绑定服务主要实现对感知层设备的绑定，包括模板名称、类型、系列号等信息。仪表读数服务主要实现读取感知层感知的仪表表盘图像、数据识别以及感知终端的信号质量、拍摄时段、拍摄亮度和拍摄频率等信息。告警与报表服务主要实现对发生的事件进行告警提醒，并显示告警类型、告警信息、日期、时间和设备位置，以及对识别分析的表盘信息以报表形式进行查询和打印。

3 系统感知层设计

系统的感知层为智能视觉抄表终端，负责表盘信息的采集，是智能抄表系统的关键技术之一。其设计主要包括三部分，分别为外壳结构设计、电路板硬件设计和软件设计。

3.1 外壳结构设计

考虑到现场安装环境比较复杂、布线困难，视觉抄表终端采用电池和无线通信。外壳结构设计包括电路板主仓、背盖板、电池仓、安装支架。其中，电路板主仓主体设计有拍摄孔、灯光孔。摄像头由专门的固定装置固定在电路板主仓上，保证摄像头与拍摄设备成平行平面。主仓材料采用专门的透明材料，以保证灯光的透光率。背盖板上预留有天线的安装孔和产品相关的标识。电池仓里面可放置1块19AH的锂亚电池，以保证电池的续航能持续1年。为了更好地适应现场防水、防尘及振动场景，电路板主仓会经过注胶处理，以确保电路板整体保护在密封胶内。

3.2 电路板硬件设计

视觉抄表终端的电路板硬件设计主要包括电源模块、图像采集模块、电池电压采集模块、微控制单元(micro control unit,MCU)模块、调试模块和NB-IoT通信模块。视觉抄表终端原理如图2所示。

图2 视觉抄表终端原理框图Fig.2 Block diagram of visual meter reading terminal

①电源模块设计。

电源模块主要包括两部分，即供电电源和电源管理，整体实现视觉抄表终端的能量供给和电源分配管理。为了降低更换频次，本文在设计的时候选择低功耗的器件。供电电源采用放电缓慢、容量大的一次性锂亚电池。电源管理模块为终端设备的各个模块进行供电。为了保证设备的电源持久耐用，电源管理模块全部选择超低功耗RT9080系列的低压差线性稳压器(low drop-out linear regulator,LDO)芯片。该芯片具有2 μA的超低静态电流、0.1 μA的关断电流、500 mA最大输出电流。同时，针对摄像头、功耗比较大的通信模组等器件，模块采用单独电源控制方案。当MCU处于休眠状态下，系统关闭摄像头、通信模组的电源，从而尽可能地省电。同时，闪光灯可以单独提供脉冲宽度调制(pulse width modulation nare,PWM)波以控制其亮灭，在拍照完成的情况下关闭闪光灯。

②图像采集模块设计。

图像采集模块是终端设备的核心，也是实现智能抄表的关键。该模块体积小、电压低，内置数字信号处理(digital signal processing,DSP)单元，且价格较低，非常适合嵌入式产品的开发。模块在设计时采用3.3 V电源，经过2路LDO降压处理，可提供1.5 V和2.8 V的电源，分别为模组内部的模拟电路和数字电路供电。模块经过1路有源晶振，给摄像头提供12 MHz时钟信号。考虑到拍照时摄像头与表盘平行，拟对摄像头的外形进行定制，从而将其固定在外壳上。

③电池电压采集模块设计。

电池电压采集模块采用电阻分压的原理，通过MCU内置的12 bit 模数转换器(analag-to-digital converter,ADC)转换电路采集电池的电量。

④MCU模块设计。

为了满足产品低功耗设计需要，MCU模块采用STM32L4系列芯片。这是一款带浮点运算器(floating point unit,FPU)内核的超低功耗单片机。Cortex-M4内核具有512 KB Flash、128 K RAM资源，在STOP2模式实时时钟(real-time clock,RTC)运行的情况下功耗为1.4 μA、D指令集，支持12 Bit ADC，以及3路集成电路总线(inter-integrated circuit,IIC)、6路通用异步收发传输器(unirersal asynchronais receiver transmitter,UART)、3路串行外设接口(serial preripherall interface,SPI)等。

⑤调试模块设计。

调试模块包括串行调试(serial wire debug,SWG)程序模块和串口监视模块两部分。设备运行时，串口监视模块可以显示设备运行的相关信息，包括设备的版本号、NB信号、拍照等相关信息，从而诊断设备情况。

⑥NB-IoT通信模块设计。

NB-IoT通信模块主要给平台端提供通信服务。由于本次设计要兼顾户外和振动场景需求，所以在设计中采用内置Esim卡的NB模组作为本次设计的通信模组。硬件设计考虑到模组的电平电压为1.8 V，而MCU端的电压为3.3 V，为了使两边的电平统一，在MCU端与模组端之间加了电平转换电路。同时，电路中也设计了三极管转换功能，以实现MCU端与模组端更好的通信。

3.3 电路板软件设计

视觉抄表终端软件流程如图3所示。

图3 视觉抄表终端软件流程图Fig.3 Visual meter reading terminal software flowchart

视觉抄表终端的电路板软件自设备上电后，读取配置区，获取终端相关参数信息，包括服务器的IP地址、端口号、照片尺寸、闪光灯亮度等参数，并根据IP地址和端口号连接平台端，同时发送鉴权请求指令。平台端根据系统固件更新需求和用户要求反馈信息给视觉抄表终端。视觉抄表终端进行固件设备升级或者参数调整，并按照调整后的信息拍摄照片上传给平台端。上传完毕之后，视觉抄表终端进入休眠状态，等待下一次的唤醒。

为了后续能灵活地实现远程程序更新，本研究设计了空中下载技术(over-the-air technology,OTA)升级模块。OTA升级模块由BootLoad、APP、APP配置区组成[10]。APP的指令支持从平台获取最新版本的固件，并写入OTA区域。在对新的固件校验成功之后，APP更新固件升级标志位置，返回BootLoad。BootLoad将OTA区的固件写入APP段，并跳转至APP，从而实现固件升级。

OTA升级模块流程如图4所示。

图4 OTA升级模块流程图Fig.4 OTA upgrade module flowchart

4 结论

本文设计的基于机器视觉的智能抄表系统性能稳定、效率高[11]、可扩展性好，能够按照用户需求定时上传表盘信息，还能对上传信息进行实时识别和分析，对超过阈值的数据进行预警提示，并以短信的形式发送给用户。这将避免不必要的经济损失，保证工厂安全、经济运行。视觉抄表终端的认证测试结果表明，设备的防护等级可高达IP68，适应各种户外复杂场景；设计的多场景安装支架，为用户提供一站式的解决方案，保证了现场更大范围的推广应用，将助力企业能源管理的数字化转型。