摘 要： 工業(yè)污水的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜，常規(guī)方法不能對(duì)污水情況進(jìn)行及時(shí)、自主監(jiān)測(cè)，因此構(gòu)建了基于傳感視覺(jué)智能化的工業(yè)污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)提高污水處理質(zhì)量具有重要作用。該系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)智能化視覺(jué)監(jiān)控模塊、管理服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。智能化視覺(jué)監(jiān)控模塊通過(guò)圖像采集模塊、目標(biāo)檢測(cè)模塊、視頻錄像模塊和污水跟蹤模塊對(duì)工業(yè)污水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。結(jié)合視覺(jué)污水泄漏點(diǎn)檢測(cè)算法，控制智能視覺(jué)監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)污水泄露情況的監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)工業(yè)污水，能夠清晰地反應(yīng)污水泄漏圖像，提高污水監(jiān)測(cè)精度，具有較好的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 傳感視覺(jué)； 智能化； 工業(yè)污水； 監(jiān)測(cè)精度

中圖分類號(hào)： TN98?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）14?0143?04

Design of industrial wastewater monitoring system based on sensing vision intelligence

YAN Meng

（Changchun Guanghua University， Changchun 130031， China）

Abstract： The field monitoring environment of industrial wastewater is complex， and the conventional methods can’t monitor the wastewater timely and automatically， so the industrial wastewater monitoring system based on sensing vision intelligence was constructed to play an important role in improvement of wastewater treatment quality. The system includes the field intelligent vision monitoring module， management server and database server. The intelligent vision monitoring module can monitor the industrial wastewater in real time through the image acquisition module， target detection module， video module and wastewater tracking module. In combination with the visual wastewater leak point detection algorithm， the intelligent vision monitoring module is controlled to monitor the industrial wastewater leak condition. The experimental results show that the designed system can acquire the clear wastewater leak image， improve the wastewater monitoring precision， and has good practicability.

Keywords： sensing vision； intelligence； industrial wastewater； monitoring accuracy

工業(yè)生產(chǎn)會(huì)形成污水，污水中富含各種氫氧化物和重金屬離子，污染環(huán)境，隨著能源不斷消耗，污染程度逐漸加劇[1?2]。因此，設(shè)計(jì)一種有效的工業(yè)污水視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)污水的及時(shí)有效監(jiān)測(cè)，對(duì)于治理污水具有重要作用。采用當(dāng)前的機(jī)械化控制方法在污水檢測(cè)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，泄漏污水的信息經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才能被檢測(cè)到；此外由于泄露信息中存在大規(guī)模的數(shù)據(jù)量，通過(guò)長(zhǎng)距離無(wú)線傳播，容易產(chǎn)生查收數(shù)據(jù)傳遞滯后問(wèn)題[3]。而智能化視覺(jué)傳感網(wǎng)絡(luò)，可通過(guò)智能化視覺(jué)傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)污水進(jìn)行全方位監(jiān)控，能夠及時(shí)采集污水信息，并實(shí)現(xiàn)污水信息的快速傳播[4?5]。針對(duì)日益加劇的污染問(wèn)題焦尚彬采用先進(jìn)圖像傳感器[6]，將其設(shè)置在能夠移動(dòng)的設(shè)備上，采用圖像處理技術(shù)分析污水泄漏情況，但信號(hào)操作實(shí)時(shí)性低； 李源提出了融合多傳感器的污水檢測(cè)方法[7]，可采集更全面的污水信息，但此方法檢測(cè)效率低下；周偉融合將階矩濾波器和小波變換方法相融合完成污水檢測(cè)[8]，此方法耗能大。陳曉艷通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)污水泄漏點(diǎn)[9]方法簡(jiǎn)單，但檢測(cè)精度降低，容易產(chǎn)生污水誤檢現(xiàn)象。

為了解決上述問(wèn)題，構(gòu)建基于傳感視覺(jué)智能化的工業(yè)污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)智能化視覺(jué)監(jiān)控模塊、管理服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。結(jié)合視覺(jué)污水泄漏點(diǎn)檢測(cè)算法，控制智能視覺(jué)監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)污水泄露情況的監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

工業(yè)污水監(jiān)控系統(tǒng)中融入智能無(wú)線通信技術(shù)，可有效改善現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)環(huán)境復(fù)雜、監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散等問(wèn)題。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)智能化視覺(jué)監(jiān)控模塊、監(jiān)測(cè)站構(gòu)成（管理服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器構(gòu)成），采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線視覺(jué)傳感網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)以及監(jiān)測(cè)站間的數(shù)據(jù)通信，增強(qiáng)工業(yè)污水監(jiān)測(cè)質(zhì)量。

如圖1所示，在工業(yè)污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，采用不同的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的基于智能視覺(jué)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)污水狀態(tài)的監(jiān)控?，F(xiàn)場(chǎng)智能化視覺(jué)監(jiān)控模塊中的傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在污水處理池的感應(yīng)范圍內(nèi)，來(lái)監(jiān)控各處理池中的污水操作狀態(tài)，通過(guò)無(wú)線自組多跳路的方式獲取的污水處理現(xiàn)場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)傳遞到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將信息傳輸?shù)讲煌瑐鞲泄?jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器通過(guò)串口將數(shù)據(jù)反饋到管理服務(wù)器。監(jiān)測(cè)站中的管理服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和運(yùn)算后，采用以太網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)監(jiān)測(cè)站同Web服務(wù)器相連時(shí)，管理人員能夠通過(guò)客戶瀏覽器對(duì)工業(yè)污水處理情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.2 智能化視覺(jué)監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)及原理

設(shè)計(jì)的智能化視覺(jué)監(jiān)控模塊如圖2所示。智能在視覺(jué)監(jiān)控模塊由圖像采集模塊、目標(biāo)檢測(cè)模塊、視頻錄像模塊和污水跟蹤模塊等組成，不同模塊的功能如下：

圖像采集模塊通過(guò)采樣攝像頭采集視頻以及圖像，并將圖像傳遞到計(jì)算機(jī)；目標(biāo)檢測(cè)模塊對(duì)工業(yè)污水泄漏圖像進(jìn)行檢測(cè)和采集；視頻錄像模塊將窗口中的污水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)存儲(chǔ)下來(lái)，并生成圖像序列；污水跟蹤模塊通過(guò)有效的運(yùn)動(dòng)估計(jì)，對(duì)在窗口中工業(yè)污水進(jìn)行跟蹤。

通過(guò)這四大模塊使系統(tǒng)內(nèi)全部攝像頭處于監(jiān)測(cè)狀態(tài)，攝像頭對(duì)視頻場(chǎng)景中的污水進(jìn)行監(jiān)測(cè)，針對(duì)當(dāng)前場(chǎng)景采集圖像和視頻，并壓縮數(shù)據(jù)，當(dāng)污水超過(guò)設(shè)定的閾值或出現(xiàn)泄漏時(shí)，基于攝像頭采集的圖像跟蹤監(jiān)控區(qū)域的污水，并進(jìn)行報(bào)警。

1.3 數(shù)據(jù)處理模塊中的單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)第1.2節(jié)對(duì)監(jiān)控區(qū)域的污水進(jìn)行跟蹤監(jiān)控后獲得的數(shù)據(jù)，采用以太網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上。采用單片機(jī)處理和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并管理報(bào)警模塊和轉(zhuǎn)換模塊等。圖3為數(shù)據(jù)處理模塊中單片機(jī)硬件的結(jié)構(gòu)圖。單片機(jī)確保上位機(jī)和下位機(jī)間通信，還可顯示獲取的有關(guān)工業(yè)污水水位、水溫以及泄露點(diǎn)的信息，并記錄各路的數(shù)據(jù)。單片機(jī)由放大器、濾波器、采樣穩(wěn)定器、變換器和顯示器等組成，放大器對(duì)傳感器傳遞出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大操作，提高后續(xù)模擬信號(hào)數(shù)字化以及數(shù)字信號(hào)處理精度。然后通過(guò)低通濾波器過(guò)濾放大器形成的噪音干擾，利用采樣穩(wěn)定器追查模擬信號(hào)。顯示器在自檢功能模塊內(nèi)，污水檢測(cè)正常時(shí)呈現(xiàn)數(shù)字“8”。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件的功能及模塊結(jié)構(gòu)

在上述硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，描述系統(tǒng)軟件功能，主要包括如下內(nèi)容：

（1） 污水?dāng)?shù)據(jù)采集傳感器模塊采集污水中的金屬離子和其他污染物相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分析，基于污水中的金屬離子屬性，將數(shù)據(jù)變換成電流信號(hào)。

（2） 智能化視覺(jué)模塊通過(guò)圖像采集模塊、目標(biāo)檢測(cè)模塊、視頻錄像模塊和污水跟蹤模塊，對(duì)污水進(jìn)行視覺(jué)監(jiān)控。

（3） 數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)傳感器供電電路以及放大電路進(jìn)行處理，完成污水中污染離子信號(hào)的變換和調(diào)控。

（4） 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊動(dòng)態(tài)顯示各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)，主要包括溫度、pH值、余氯、溶氧量等污水參數(shù)，用戶通過(guò)管理站界面查看不同污水監(jiān)測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)曲線方式呈現(xiàn)。

（5） 管理模塊實(shí)現(xiàn)污水視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的人機(jī)交互，管理人員采用觸屏傳遞出控制信號(hào)，完成相關(guān)監(jiān)測(cè)。

（6） 故障報(bào)警模塊對(duì)污水泄漏點(diǎn)和其他問(wèn)題進(jìn)行報(bào)警。

2.2 視覺(jué)污水檢測(cè)流程設(shè)計(jì)

結(jié)合視覺(jué)污水泄漏點(diǎn)檢測(cè)算法，控制智能視覺(jué)監(jiān)控模塊，對(duì)工業(yè)污水進(jìn)行監(jiān)測(cè)。工業(yè)污水泄漏點(diǎn)檢測(cè)算法的過(guò)程如圖4所示，采用攝像頭模塊獲取污水的實(shí)時(shí)圖像，對(duì)圖像進(jìn)行傾斜校正、采集感興趣區(qū)、過(guò)濾噪聲干擾等處理，優(yōu)化工業(yè)污水泄漏點(diǎn)的圖像質(zhì)量。圖像分割通過(guò)自適應(yīng)的二值化閾值操作方法，從背景中獲取污水圖像，對(duì)污水圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，得到更為清晰的圖像來(lái)判斷是否有污水泄漏點(diǎn)；通過(guò)鏈碼法獲取污水泄露點(diǎn)輪廓圖像，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)污水泄漏點(diǎn)檢測(cè)。

2.3 工業(yè)污水監(jiān)控流程的代碼設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)污水監(jiān)控功能，對(duì)系統(tǒng)不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，獲取工業(yè)污水處理現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)流程參數(shù)等。實(shí)現(xiàn)流程監(jiān)控的核心代碼為：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)水位和水溫的檢測(cè)

為證明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)以水位和水溫為工業(yè)污水監(jiān)測(cè)的參數(shù)，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行精度比對(duì)，結(jié)果如表1和表2所示。

由表1、表2可知，本文設(shè)計(jì)的工業(yè)污水監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于污水溫度和水位的監(jiān)測(cè)誤差較低，說(shuō)明該系統(tǒng)較穩(wěn)定。

3.2 視覺(jué)污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工業(yè)污水泄漏的檢測(cè)情況

實(shí)驗(yàn)通過(guò)本文設(shè)計(jì)的傳感視覺(jué)污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)工業(yè)污水泄漏情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選擇的污水泄漏圖像如圖5所示。采用本文方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行污水泄漏點(diǎn)監(jiān)測(cè)的結(jié)果的比對(duì)，結(jié)果分別如圖6、圖7所示。而兩種方法的監(jiān)測(cè)耗時(shí)情況，如圖8所示。

由圖6、圖7可看出本文方法獲取的工業(yè)污水泄漏圖像更加清晰，可實(shí)時(shí)反饋泄漏信息，增強(qiáng)污水監(jiān)測(cè)精度，由圖8可知，本文方法監(jiān)測(cè)耗時(shí)遠(yuǎn)低于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，說(shuō)明采用本文方法效率更高。

4 結(jié) 論

本文構(gòu)建基于傳感視覺(jué)智能化的工業(yè)污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)提高污水處理質(zhì)量具有重要作用。該系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)智能化視覺(jué)監(jiān)控模塊、管理服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。智能化視覺(jué)監(jiān)控模塊通過(guò)圖像采集模塊、目標(biāo)檢測(cè)模塊、視頻錄像模塊、數(shù)據(jù)壓縮模塊和污水跟蹤模塊對(duì)污水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。結(jié)合視覺(jué)污水泄漏點(diǎn)檢測(cè)算法，控制智能視覺(jué)監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)污水泄露情況的監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于傳感視覺(jué)智能化的工業(yè)污水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠清晰的反應(yīng)污水泄漏圖像，提高污水監(jiān)測(cè)精度，具有較好的實(shí)用性。

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