基本信息
- 项目名称：
- 基于无线与图像的家用仪表数值识读装置
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品为基于无线通信和图像处理的家用仪表数值识读装置，采用CMOS图像传感器读取仪表的数值，由高性能DSP处理器进行处理和识别，通过近距无线ZigBee通讯发送至集中器。目的是以较小的代价实现数字式仪表计量值的采集和识读，避免烦琐的综合布线和线路改造，达到真正意义上的三表远传，有效解决人工抄表存在的入户扰民、入户难和不安全因素。本项目是快速灵活实现抄表自动化的最有效方式之一，具有广阔的应用和发展前景。
- 详细介绍：
- 立项背景：人工抄表费力扰民，当前存在的自动抄表系统成本高、可靠性差、管线改装复杂。本项目针对旧表进行改造，实现智能抄表。 研究内容：系统由图像采集、系统主板和无线传输三部分组成，基本工作过程为：DSP处理器TMS320DM642对摄像头采集的图像进行识别处理，图像处理包括寻找价值区域、字符切割、二值化等，之后送入BP神经网络进行识别，识别的结果通过Zigbee模块CC2430实现数据的发送和接收。 应用前景：本作品可广泛应用于家庭仪表的自动抄表和工业数字仪表的自动识读；通过算法改进，能够实现指针型的仪表识读、智能图像监控以及二维条码识别等。 创新点：(1)以图像方式实现家用仪表数值采集和识读，不需要对现有仪表进行机械改造，其可靠性和准确性优于现有的自动抄表系统；(2)以无线Zigbee方式实现抄表数据的可靠穿墙传输，能够避免管线改造所带来的极大不便，从根本上解决了入室读表的弊端；(3)仅在必要时读取数据，杜绝了现有脉冲式读表固有的累积误差，能够以图片形式保存历史数据，防止资源盗用和非法改造。(4)系统很容易通过算法改进实现升级和功能扩展。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目 的：解决当前自动抄表系统存在的成本高、可靠性差、管线改装复杂等问题，有效克服人工抄表存在的入户难、入户扰民、不安全等固有缺陷，实现真正意义上的智能抄表和数据远传。 基本思路：在传统仪表上，加装图像式数值获取与识别装置，在不影响现有仪表使用、不进行大幅度机械改造的前提下，以DSP处理器和智能图像处理算法实现仪表数值自动识读，通过无线通讯进行数据传递，实现准确便捷、低成本的自动抄表。 创 新 点：(1)以图像方式实现家用仪表数值采集和识读，不需要对现有仪表进行机械改造，其可靠性和准确性优于现有的自动抄表系统；(2)以Zigbee无线通讯方式实现抄表数据的可靠穿墙传输，能够避免管线改造所带来的极大不便，从根本上解决了入室读表的弊端；(3)仅在必要时读取数据，杜绝了现有脉冲式读表固有的累积误差，能够以图片形式保存历史数据，防止资源盗用和非法改造。(4) 由于采用图像方式获取数据，能够在不改变硬件的前提下通过算法改进实现系统升级和功能扩展。 关键技术：DSP系统开发、图像获取、图像处理算法、嵌入式数字识别、Zigbee通信 技术指标：对典型的6数字仪表读数的识别速度为2秒左右；正常环境下读数识别准确率达100%，较差环境或存在干扰时的一次识读正确率达98%以上；在普通建筑材料条件下，可穿越室内3堵墙壁实现数据传输；可保存的仪表读数历史图像不低于2000幅；采用电池供电可持续工作12个月。
科学性、先进性
- 现有技术：目前大多数家庭仪表仍然采用人工抄表方式；现有的自动抄表装置主要采用霍耳传感器，将齿轮或指针转动转化为周期性的脉冲信号。实践证明，其可靠性无法保证，使用中存在着以下弊端：(1)需要对原有仪表进行大幅度的机械改造，工作繁琐、成本很高；(2)表盘抖动和电磁干扰容易造成脉冲丢失或多计脉冲，随时间累积造成较大的读数误差；(3)通过信号线传输至采集器，需要进行管线改造，用户的使用意愿不高。 本技术特点：本设计采用图像方式进行数据采集，能够避免对现有仪表的机械改造，排除环境对计量准确性的影响，提高了自动抄表的准确性和可靠性；由于采用无线ZigBee来实现近距离通信，能够有效避免繁杂的布线，安装使用的代价很低，易于进行大规模推广应用；通过算法和软件升级，系统能够适用于不同型号的数值型仪表，具有宽广的应用范围。
获奖情况及鉴定结果
- 1.在本作品的创作过程中，研究小组成员以第一作者身份共撰写学术论文8篇，目前已经录用7篇，其中国际会议5篇（均为EI源），国内核心期刊2篇。 2.依托项目主要研究内容所提出的国家级大学生创新性实验项目，结题时被评为优秀项目。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
作品可展示的形式
- 实物、现场演示、图片、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：将该装置安装在家用仪表的正上方，调整好距离和角度，以确保拍摄图像的完整度和清晰度。在安装时设定终端ID号，以区分不同用户。装置在一次采集并发送数据确认无误后自动转入休眠，收到集中器呼叫才进入工作状态。 技术特点及优势： 1.体积小巧，电路结构简单，价格比较便宜，定位要求不高，便于安装应用； 2.直接对现有仪表进行自动抄表的技术升级，不需要对原表机械结构进行改造，同时避免了繁杂的综合布线； 3.成本低，相对于现有的同类产品，该套装置具有很强的成本优势。适用范围及市场前景： 据有关部门预测，我国电能表、水表、燃气表、热能表的市场容量在15亿只以上，市场的需求量非常可观，传统仪表的改造数量巨大。该装置可以直接应用到数字型仪表的数值识别。通过算法的改进和升级，该装置将能够识别指针型的家用仪表，并可用于其它工业仪表的数值识读。此外，通过对系统的改进可以广泛应用到智能型图像监控以及二维条码识别等领域。
同类课题研究水平概述
- 一、国外研究现状 国外的仪表自动化发展程度很高，在工业生产和家居生活中，自动化仪表都非常普及。 美国于1986年就建立了自动抄表技术协会（AMRA），近年来欧洲和英国又相继成立了自动抄表技术协会。早在1998年Duquesne电灯公司在美国匹兹堡市安装了566000个电能表自动抄表系统，1999年PSE公司在西雅图和奥林匹亚完成了83万个电能表的自动抄表装置，占其总数的55%。此外，英国1998年即已实现对约9万户大于100kW用电负荷用户的每0.5h电量数据采集。目前，国外在家用仪表的自动抄读方面已经相当普及，达到了十分完善的程度。 二、国内研究现状 （1）我国自动抄表系统的实际应用情况并不理想。自动抄表是指利用微电子和计算机网络、传感等技术自动读取和处理表计数据，将城市居民的水、电、燃气信息加以综合处理的系统，能够有效解决人工抄表存在的入户扰民、入户难和不安全因素。但现在自动抄表的实际应用状况差强人意，以家用电能表为例，目前市场上大部分的电能表都还不具备远程抄表功能，大部分的电力公司仍然采取传统的人工读表方式。究其原因，除了技术上的差距之外，还存在诸多原因：国内庞大的传统仪表数量和高昂的换装成本；具体实施操作过程中没有形成统一标准；市面上的智能仪表在可靠性方面尚存在缺陷和精度问题；现有的传统仪表改装通常需要巨额费用和复杂的管线及电路改造，在推广应用上存在许多困难。 （2）基于嵌入式的字符识别基本达到了实用化的程度。目前，国内对数字识别的研究主要集中在手写数字识别、印刷体数字识别以及车牌识别三方面，对数显仪表自动读数的研究近几年才出现。在号码识别过程中，模板匹配法、模糊数学理论和BP神经网络等算法的应用较为广泛，离线识别率已经达到很高的水平。在嵌入式系统上的字符识别算法移植也已达到了实用化的程度。 总体上，国内经济较发达的地区在自动化抄表方面研究较多，如上海市自来水公司正在优化有线宽带双向远程抄表系统，并扩大试点覆盖面，让更多市民享受数字化服务益处。深圳市场的远程抄表系统在短短四五年时间内发展迅猛，从单一的智能化抄表概念逐步转变为“建筑智能化”，并将其列为现代楼宇建设必要导入项目之一。
