許云霄 萬航 郁凱 楊敬元 馬怡楠 胡琦 繆吳霞 呂偉臻

【摘要】為了解決雨天公共大廳及走廊的地面濕滑問題，本文提出一種基于視頻識別的地面干燥技術(shù)。該技術(shù)利用攝像頭獲取地面濕滑情況，利用matlab監(jiān)控軟件進(jìn)行識別計算，利用單片機(jī)控制干燥風(fēng)扇的啟停與轉(zhuǎn)速，監(jiān)控軟件與單片機(jī)之間通過串口連接。文中介紹了技術(shù)原理與所開發(fā)的原型驗證系統(tǒng)，系統(tǒng)運行情況表明了該技術(shù)的可行性。

【關(guān)鍵詞】視頻識別;地面干燥; Matlab;單片機(jī)

1.引言

公共大廳及走廊平時人來熙攘川流不息，但下雨天由于鞋底沾帶雨水，使得地面濕滑難行，安全事故易發(fā)，老人與孩子更是令人擔(dān)心。由于地面濕滑引發(fā)的安全事故與法律糾紛也屢見報端。為了解決雨天室內(nèi)地面濕滑問題，我們可以采用地面防滑溶劑或者推桿式地面烘干器，但是這兩種方法都需要專人維護(hù)或者操作，自動化程度不高。有鑒于此，本文提出一種基于視頻識別的地面干燥系統(tǒng)設(shè)計方案，該系統(tǒng)無需專人值守，可自動運行。本文圍繞原型驗證系統(tǒng)，介紹該技術(shù)的各個細(xì)節(jié)。

2.系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)利用攝像頭監(jiān)視地面，通過地面色差識別潮濕區(qū)域。潮濕面積與潮濕下限設(shè)定進(jìn)行比較后，確定是否需要鼓風(fēng)干燥。干燥風(fēng)扇采用開環(huán)比例控制，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速正比于當(dāng)前潮濕面積與下限設(shè)定值之差。系統(tǒng)每0.5秒鐘采集一次圖像，進(jìn)行一次識別與控制計算，開啟后可持續(xù)自動運行。系統(tǒng)由兩部分組成：視頻監(jiān)控軟件和干燥風(fēng)扇單片機(jī)控制系統(tǒng)。監(jiān)控軟件利用Matlab開發(fā)，負(fù)責(zé)攝像頭的驅(qū)動、潮濕面積識別、參數(shù)設(shè)定和實時信息顯示，風(fēng)扇控制系統(tǒng)是一個單片機(jī)系統(tǒng)，利用串行口與監(jiān)控軟件通訊，負(fù)責(zé)風(fēng)扇的調(diào)速控制與測速。監(jiān)控軟件與單片機(jī)之間的通訊協(xié)議非常簡單，每0.5秒互發(fā)一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。監(jiān)控軟件下發(fā)數(shù)據(jù)給定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，取值范圍在0～100之間，表示占最高轉(zhuǎn)速的百分比。0表示停止干燥，100表示全速轉(zhuǎn)動。單片機(jī)上傳值表示測速值，單位為“轉(zhuǎn)數(shù)/0.5秒”。

3.干燥風(fēng)扇單片機(jī)控制系統(tǒng)

3.1 硬件設(shè)計

圖1 風(fēng)扇控制電路原理圖

硬件主要解決風(fēng)扇的驅(qū)動、調(diào)速與測速問題。原型驗證系統(tǒng)采用CPU四線風(fēng)扇，四條線分別是驅(qū)動電源（黃色）、驅(qū)動地（黑色）、調(diào)速（藍(lán)色）與測速（綠色）。調(diào)速線接受PWM波輸入，波形占空比對應(yīng)最高轉(zhuǎn)速百分比，測速線輸出脈沖信號，風(fēng)扇內(nèi)部封裝有霍爾傳感器，每轉(zhuǎn)一圈輸出一個高電平脈沖，記錄單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)，即可獲得風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速[1]。硬件電路原理圖如圖1所示。風(fēng)扇利用12V穩(wěn)壓電源獨立供電，通過繼電器控制電源通斷，從而控制風(fēng)扇的啟停，繼電器利用P3.7口控制。調(diào)速PWM波形由P1.1口輸出，測速脈沖信號引到P3.3外部中斷INT1口，利用中斷捕獲脈沖信號。

3.2 單片機(jī)軟件設(shè)計

單片機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)主要有串行通訊、根據(jù)給定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速啟停風(fēng)扇、生成調(diào)速PWM波和響應(yīng)外部中斷進(jìn)行測速，程序架構(gòu)采用基于中斷的輪轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)[2]。主程序在完成初始化工作之后進(jìn)入無限循環(huán)，先根據(jù)串口的最新數(shù)據(jù)啟停繼電器并確定PWM調(diào)速信號占空比，再判斷0.5秒定時是否到達(dá)，如果到達(dá)則發(fā)送測速值。外部中斷服務(wù)程序僅對測速脈沖進(jìn)行計數(shù)，定時器0中斷服務(wù)程序用于生成調(diào)速PWM波高低電平，并實現(xiàn)0.5秒計時。

3.3 基于繼電器與定時器的風(fēng)扇調(diào)速

對風(fēng)扇我們采用繼電器控電，PWM波調(diào)速和脈沖測速的控制方法。P1^1作為PWM波輸出引腳，T0用作PWM波波形生成定時器。對定時器的初始化采用總線方式，TMOD=0x21，T0作為16位定時器用來控制中斷。測控速由兩個中斷TF0與INT1（ET0=1.EX=1）實現(xiàn)，初始化時便打開總中斷（EA=1）。風(fēng)扇的12V供電電源接入繼電器的常開觸點，軟件初始化時將繼電器斷開，此后根據(jù)PC機(jī)傳輸?shù)男盘柛臓顟B(tài)值relaystat從而讓單片機(jī)來處理繼電器的開關(guān)。PWM是通過改變周期矩形波的占空比從而達(dá)到要求電壓的一種調(diào)壓方法。設(shè)風(fēng)扇電機(jī)始終接通電源時的最大速度為Vmax，占空比為D，則平均轉(zhuǎn)速為V=Vmax×D。在軟件中，我們設(shè)定的PWM波周期為1000us，初始占空比為50%。設(shè)定定時器T0每1us溢出中斷一次，計數(shù)變量click隨中斷每1us自增一次（click++）。設(shè)變量hightime為高電平持續(xù)時間，PWM波高低電平的生成程序為if（click>1000） click=0;if（click<=hightime）p11=1;else p11=0;。

3.4 基于外部中斷的風(fēng)扇測速

風(fēng)扇的測速脈沖信號連接到P3^3口，通過響應(yīng)外部中斷可以記錄脈沖數(shù)，測速定時利用定時器T0實現(xiàn)。由于計數(shù)器計數(shù)值被定義為字符型變量，最大值為255，不能滿足0.5秒的定時需要，我們定義了三個計數(shù)器count1，count2和count3，通過循環(huán)嵌套實現(xiàn)0.5秒定時計數(shù)。在INT1中斷服務(wù)程序中通過++pulsnum使脈沖次數(shù)加1，在主循環(huán)中通過以下代碼使count3清零并獲得測速值cesu：If（count3>=4）{count3=0;cesu=pulsnum; pulsnum=0;}。

3.5 基于串行口的通訊

原型系統(tǒng)采用通用異步收發(fā)器（UART）RS-232作為監(jiān)控軟件與單片機(jī)的通訊鏈路。數(shù)據(jù)接收方式采用查詢法，發(fā)送采用0.5秒定時方式。T1用為可自動重裝的8位定時器， 作為波特率發(fā)生器。SCON=0x50將串行口初始化為10位異步收發(fā)方式并且允許PC機(jī)向軟件發(fā)送數(shù)據(jù)。波特率選定為9600bps，根據(jù)公式：

[2n-]

計算出的初值0xFD賦值給TH1和TL1。SMOD取值為0， PCON=0x00定義波特率不倍增。查詢讀取緩沖寄存器的代碼為：if（RI==1） {EA=0;RI=0;tmpdata=SBUF;}，給定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速被讀取到tmpdata中。發(fā)送測速值cesu的代碼為：SBUF=cesu; while（！TI）; TI = 0;。

4.基于視頻識別的Matlab的監(jiān)控軟件

4.1 監(jiān)控軟件概述

監(jiān)控軟件是系統(tǒng)的人機(jī)接口，向用戶顯示地面及設(shè)備的狀態(tài)信息，獲取用戶的參數(shù)設(shè)定。軟件基于Matlab的GUIDE開發(fā)，完成的軟件界面如圖2所示。界面的右下方是監(jiān)控區(qū)域的實時畫面，以黑白二值圖象顯示干濕區(qū)域，白色表示干燥區(qū)域，黑色表示潮濕區(qū)域。界面左部是監(jiān)控參數(shù)顯示設(shè)定區(qū)，其中下限設(shè)定可通過鼠標(biāo)操作修改。點擊“啟動干燥”按鈕后，風(fēng)扇會根據(jù)當(dāng)前潮濕面積與下限設(shè)定值的大小自動運轉(zhuǎn)，點擊“停止干燥”按鈕后，系統(tǒng)只監(jiān)控地面狀態(tài)，風(fēng)扇停止運轉(zhuǎn)。

圖2 監(jiān)控軟件界面

4.2 基于定時器的定時監(jiān)控操作實現(xiàn)

監(jiān)控軟件每0.5秒鐘采集一次圖像，進(jìn)行識別與計算處理，還要隨時響應(yīng)用戶的按鈕操作，與單片機(jī)進(jìn)行通訊，所以處理好軟件的實時性和定時任務(wù)，是軟件開發(fā)的基本工作。我們采用了Matlab的timer定時器實現(xiàn)定時任務(wù)，實時任務(wù)由相關(guān)控件的Callback函數(shù)處理[3]。在figure控件的OpeningFcn函數(shù)中，用代碼handles.timer=timer（‘TimerFcn， {@timerCallback， handles}， ‘ExecutionMode， ‘fixedSpacing，‘Period， 0.5）; 初始化定時器，用代碼start（handles.timer）;啟動定時器。然后定義了timer的響應(yīng)函數(shù)function timerCallback（hObject， eventdata， handles），在timerCallback中進(jìn)行圖像獲取、潮濕面積識別、二值化圖像顯示、當(dāng)前潮濕面積和風(fēng)扇狀態(tài)轉(zhuǎn)速更新，同時根據(jù)按鈕的點擊情況確定是否向單片機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)速指令。在figure控件的DeleteFcn函數(shù)中利用代碼stop（handles.timer）; 對定時器進(jìn)行關(guān)閉操作。

4.3 基于USB攝像頭的潮濕面積識別技術(shù)

這部分內(nèi)容主要包括兩部分：Matlab環(huán)境下攝像頭對象的操作和潮濕面積的識別。我們首先在figure控件的OpeningFcn函數(shù)中，用代碼handles.obj=videoinput（'winvideo'，1，'YUY2_640x480'）;定義了攝像頭對象，然后用start（handles.obj）;開啟攝像頭，隨后在timerCallback中進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)獲取。與定時器對象類似，在figure控件的DeleteFcn函數(shù)中利用代碼stop（handles.obj）;對攝像頭進(jìn)行關(guān)閉操作。潮濕面積的獲取采用先對圖像二值化后計算面積的方法[4]。通過framenow=getsnapshot（handles.obj）;獲取圖像，通過graynow=rgb2gray（framenow）;[level EM]=graythresh（graynow）;Bnow=im2bw（graynow，level）;獲取二值化圖像Bnow，通過imshow（Bnow）;顯示二值化圖像，通過arearatio=round（100-100*bwarea（Bnow）/bwarea（graynow））;計算潮濕面積百分比arearatio，再通過set（handles.text2，'string'， num2str（area ratio））;顯示當(dāng)前潮濕面積百分比。

圖3 原型驗證系統(tǒng)

4.4 基于串行通訊的風(fēng)扇干燥控制

監(jiān)控軟件的最終功用是根據(jù)潮濕面積與設(shè)定值之差控制風(fēng)扇，而風(fēng)扇控制指令通過串行口發(fā)送給單片機(jī)。Matlab支持對串行口的訪問，首先我們在figure控件的OpeningFcn函數(shù)中用代碼handles.scom=serial （'COM1'）;定義了串行口對象，在設(shè)定相關(guān)參數(shù)handles.scom.Terminator='';handles.scom.InputBuffer Size=20;handles.scom.OutputBufferSize=20;handles.scom.Timeout=0.1;之后通過fopen（handles.Sco m）;打開串口。風(fēng)扇給定轉(zhuǎn)速fanspeed的發(fā)送采用fwrite（handles.scom，fanspeed）;，風(fēng)扇測速值通過fancesu=fread（handles.scom）;讀取。當(dāng)然，串行口對象也要在figure控件的DeleteFcn函數(shù)中利用代碼fclose（handles.scom）;進(jìn)行關(guān)閉。風(fēng)扇給定轉(zhuǎn)速正比于當(dāng)前潮濕面積與下限設(shè)定之差，相當(dāng)于比例控制。下限設(shè)定值限于5%到90%之間，非法輸入用程序進(jìn)行糾正。

圖4 運行試驗測試曲線

5.原型驗證系統(tǒng)及運行試驗

5.1 原型驗證系統(tǒng)概況

我們開發(fā)成功的原型驗證系統(tǒng)見圖3，型材框架的底部用水寫紙模擬地面，水寫紙的頂端裝有風(fēng)扇，框架頂部安裝攝像頭，單片機(jī)系統(tǒng)固定在框架上，監(jiān)控計算機(jī)與攝像頭和單片機(jī)相連。用水將紙打濕，啟動監(jiān)控軟件，可以看到當(dāng)前采集畫面的二值化圖像。當(dāng)前潮濕面積為56%，潮濕面積下限設(shè)定為20%，干燥吹風(fēng)狀態(tài)為“停止”，轉(zhuǎn)速為0轉(zhuǎn)/分鐘。點擊“啟動干燥”按鈕后，干燥吹風(fēng)狀態(tài)變?yōu)椤斑\行”，轉(zhuǎn)速變?yōu)?800轉(zhuǎn)/分鐘。運行大概2分鐘后，當(dāng)前潮濕面積變?yōu)?8%，干燥吹風(fēng)狀態(tài)再次變?yōu)椤巴Ｖ埂保D(zhuǎn)速也變回0轉(zhuǎn)/分鐘。把潮濕面積下限設(shè)定更改為5%，風(fēng)扇再次啟動吹風(fēng)，直至當(dāng)前潮濕面積減小到4%停止。

5.2 調(diào)速與測速運行試驗

為了驗證整個系統(tǒng)的調(diào)速與測速效果，我們做了一個試驗。利用串口大師模擬監(jiān)控軟件，按一定的規(guī)律下發(fā)轉(zhuǎn)速給定值，然后與單片機(jī)上傳的測速值進(jìn)行比較，觀察風(fēng)扇的控制情況。運行試驗測試曲線如圖4所示。從圖中可以看出，風(fēng)扇很好地按照給定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，且具有一定的慣性和超調(diào)，說明風(fēng)扇調(diào)速與測速環(huán)節(jié)的設(shè)計是成功的。

6.總結(jié)

本文圍繞原型驗證系統(tǒng)，介紹了一種基于視頻識別的潮濕地面干燥技術(shù)。該系統(tǒng)可以識別地面潮濕情況，根據(jù)參數(shù)設(shè)定自動啟動鼓風(fēng)干燥，使地面保持干燥。系統(tǒng)自動化程度高，無需專人值守，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)方案的不足，能廣泛應(yīng)用于賓館、商場、餐廳、地下通道等室內(nèi)公共場所，解決雨天鞋底沾水地面濕滑帶來的安全問題，值得推廣。

參考文獻(xiàn)

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[4]周品.Matlab圖像處理與圖形用戶界面設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

項目來源：上海理工大學(xué)2014年度校級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：XJ2014069）;項目組成員：許云霄、萬航、郁凱、楊敬元、馬怡楠、胡琦、繆吳霞、呂偉臻;項目指導(dǎo)老師：劉歌群。