金樹軍

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

煤礦智能化建設(shè)隨著“十四·五”的來臨，加快了建設(shè)步伐，但是目前煤礦系統(tǒng)中存在大量工業(yè)儀表，這些儀表的讀數(shù)以及工作狀態(tài)需要指定人員巡檢，無法實現(xiàn)自動化監(jiān)測。以瓦斯抽放為例，雖然目前國內(nèi)外均有瓦斯抽放系統(tǒng)，但是針對抽放端電機端的動作，目前只能根據(jù)對電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)來判斷，這樣會出現(xiàn)當工具端故障不工作時，無法正確判斷當前抽放是否工作，而且相對于各類開關(guān)、指示燈等的狀態(tài)識別，指針式儀表（如常用壓力表、電壓/流表等）的讀數(shù)更加復(fù)雜和困難。采用人工巡檢方式，工人的勞動強度大，并且因為巡檢周期長，短期出現(xiàn)的故障、報警無法及時獲取以及處理[1]。

大量更換現(xiàn)有工業(yè)儀表為具備通信功能的儀表，不僅需要大量的儀表購置費及施工等費用，還會影響煤礦正常生產(chǎn)工作，這是各個煤礦生產(chǎn)企業(yè)不可以接受的。為此，設(shè)計了無需先停止瓦斯抽放系統(tǒng)工作再更換現(xiàn)有儀表的傳感器，采用了圖像識別[2]技術(shù)，采集工業(yè)儀表表盤后，就地實時識別讀數(shù)，可通過CAN總線[3]接入現(xiàn)有的中煤科工集團沈陽研究院生產(chǎn)的瓦斯抽放系統(tǒng)中。

1 儀表讀數(shù)傳感器的系統(tǒng)架構(gòu)

儀表讀數(shù)傳感器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，由攝像頭圖像采集模塊、ARM主控模塊、CAN總線模塊、參數(shù)存儲模塊、紅外模塊等構(gòu)成。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware structure diagram

主控制模塊作為傳感器的核心部件，負責圖像處理與識別及整體控制，選擇NXP廠商的ARM Cortex-A7內(nèi)核Imx6ul芯片，主頻高達528 MHz，包括1個集成的電源管理單元，外擴256MB的DDR3L，具有較強的數(shù)據(jù)、指令處理能力以及較低功耗，目前大量應(yīng)用汽車電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域，外設(shè)資源較全。

圖像采集模塊采用200萬像素低功耗的CMOS攝像頭，內(nèi)置影像串流處理器，實時JPEG編碼器以及整合微控制器，支持自動聚焦、光學(xué)縮放等?？紤]井下光源以及設(shè)備震動對視覺采集處理的影響，設(shè)計攝像頭工裝將攝像頭與被測儀表固定于一個空間，提供白色LED照明并保證同頻震動。

存儲模塊與紅外模塊分別負責參數(shù)保存以及用戶輸入，由于Cortex-A7架構(gòu)的規(guī)定，芯片內(nèi)部不集成FLASH，系統(tǒng)采用工業(yè)級Nand Flash具有512 MB做存儲。紅外解碼使用通用型ir2100解碼芯片，自動識別RC5、RC6 Mode0、NEC等多種編碼格式，無需外圍電路，使用UART接口與各類單片機通信，簡單方便。

通信模塊使用CAN 2.0B協(xié)議總線，Imx6ul內(nèi)部具有2路CAN FD，設(shè)計中使用1路CAN控制器搭配1路CTM1051收發(fā)器[4]，使用標準幀負責與監(jiān)控分站通信。

2 系統(tǒng)軟件

2.1 軟件架構(gòu)

軟件的穩(wěn)定、可靠是保證整個系統(tǒng)實時通信的關(guān)鍵，軟件使用Linux 4.15版本操作系統(tǒng)開發(fā)，此系統(tǒng)開源、結(jié)構(gòu)清晰合理，適用于工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)。軟件使用的線程數(shù)量要合理，各個模塊之間需保證低內(nèi)聚高耦合的軟件工程思想[5]，要合理使用內(nèi)部資源，防止出現(xiàn)線程死鎖、饑餓等問題發(fā)生。軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2，軟件系統(tǒng)設(shè)計了主線程1個，接收線程1個，數(shù)據(jù)上傳線程1個，狀態(tài)改變上傳線程1個，圖像識別線程1個，人機交互線程1個等共計6個線程。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Software structure diagram

主線程負責對整個系統(tǒng)配置以及建立其他子線程；周期性上傳圖像識別的數(shù)據(jù)及傳感器自身狀態(tài)由數(shù)據(jù)上傳線程來實現(xiàn)；狀態(tài)上傳線程優(yōu)先級最高，屬于實踐觸發(fā)任務(wù)，非周期性執(zhí)行，只有當傳感器狀態(tài)改變時觸發(fā)。接收處理線程將上層設(shè)備的指令加入共享內(nèi)存，為了保證數(shù)據(jù)不丟幀，當接收到數(shù)據(jù)后，不在接收函數(shù)處理，將數(shù)據(jù)加入數(shù)據(jù)隊列后，觸發(fā)信號量通知處理任務(wù)，處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議規(guī)定會存放到共享內(nèi)存后通知相應(yīng)的任務(wù)來取數(shù)據(jù)。人機交互線程屬于觸發(fā)性任務(wù)，實現(xiàn)井下礦工對傳感器標定工作，與普通礦用傳感器不同，視覺傳感器對環(huán)境要求高，所以需在規(guī)定時間內(nèi)標定視覺提高識別率。

圖像識別線程實現(xiàn)對被測儀表的圖像采集以及數(shù)據(jù)識別工作，識別流程圖如圖3，圖像信息的獲取是對被研究對象的調(diào)查和分析后得到數(shù)據(jù)和材料，對圖像識別來說是將實物、圖片、底片以及文字圖形等用光電掃描設(shè)備轉(zhuǎn)換為電信號進行處理，通過對原始圖像的輸入，可以進行相應(yīng)的加工、整理、分析、歸納等操作實現(xiàn)去偽存真，以粗取精，提煉出能反映和可計算的實物本質(zhì)的特征量。采用OpenCV視覺處理圖與典型儀表識別算法共同完成，其中OpenCV視覺圖負責完成圖像信息獲取及處理等工作，判決與輸出提取由具體算法實現(xiàn)。

圖3 識別流程圖Fig.3 Identification flow chart

另外，由于接入瓦斯抽放系統(tǒng)，作為系統(tǒng)子模塊，要通過設(shè)計特定的協(xié)議，實現(xiàn)即插即用，無需人為設(shè)定類型，并且減少井下升級傳感器的難度，需要設(shè)計遠程更新升級[6]功能，丁遠等《基于ARM的IAP遠程升級技術(shù)在煤礦監(jiān)控分站中的應(yīng)用》對Boot－Loader原理以及IAP實現(xiàn)進行詳細的講解。對傳感器強實時性的實現(xiàn)，可參考文獻[7]。

2.2 儀表識別算法

圖像識別是從工業(yè)儀表圖像中對表盤示數(shù)進行識別，算法流程圖如圖4。

圖4識別算法圖Fig.4 Recognition algorithm chart

算法流程如下：

1）加載系統(tǒng)參數(shù)，包括量程、各類算法所需參數(shù)值等。

2）讀取攝像頭圖像數(shù)據(jù)I，并轉(zhuǎn)換成算法所需的Mat數(shù)據(jù)格式。

3）使用高斯濾波算法[8]，對灰度圖lg進行去噪、光滑處理。原始圖像可能包含有攝像頭拍攝時產(chǎn)生的斑點、噪點，同時畫面中還可能存在我們不感興趣的線段等。通過使用高斯濾波算法，可以對圖像進行模糊處理，得到處理后的圖像lga。

4）使用Hough圓擬合[9]算法，計算每個非零像素點的各個方向的梯度向量，對于在同一個圓上的像素點，它們的梯度向量最終相交于同一個點。對這些梯度向量的交點進行投票，選出票數(shù)最高的點作為圓心（x，y），然后對半徑r進行縮放，當半徑r縮放到某個數(shù)值后，有足夠多的點在該圓上，即可確定半徑r。記錄下圓心P（x，y）與半徑r。

5）使用Canny邊緣檢測[10]算法，對于圖像lga進行邊緣處理，得到邊緣圖像lgc。

6）使用Hough直線擬合算法，由于傳統(tǒng)的直角坐標系垂直于x軸方向的直線斜率不存在，故而需要先對圖像的所有像素點轉(zhuǎn)換成極坐標來計算。對于圖像lgc所有像素點，計算經(jīng)過該點的直線的可能的斜率k和截距b，遍歷完圖像所有像素點后，對k-b進行統(tǒng)計，選出出現(xiàn)次數(shù)足夠多的k-b。有了斜率k和截距b后就可以確定1條直線。

7）將提取到的所有直線與圓心P（x，y）進行測距計算，得到直線與圓心P（x，y）的距離。

8）根據(jù)直線的起點、終點與圓心P（x，y）的距離，選出距離圓心最近的直線，該直線即為指針，記錄下該直線的起點S（x，y）和終點E（x，y）。

9）利用三角正切函數(shù)原理，根據(jù)直線起點S和終點E以及圓心P，計算指針直線與圓心的夾角α，并根據(jù)夾角α進行量程換算，轉(zhuǎn)換成讀數(shù)n。

3 仿真試驗

試驗以中煤科工集團沈陽研究院瓦斯抽放系統(tǒng)為試驗平臺，該系統(tǒng)下的每臺瓦斯抽放監(jiān)控分站可接16個傳感器。在實驗室采用與現(xiàn)場井工礦一致的線纜布置搭建采煤工作面環(huán)境后，使用10臺設(shè)計的視覺傳感器，為了檢測系統(tǒng)通信能力，使用2臺甲烷傳感器，1單參數(shù)流量傳感器，1臺壓力傳感器，1臺溫度傳感器，1臺多參數(shù)傳感器做穩(wěn)定性實驗。使用Wireshark工具在PC端進行以太網(wǎng)異常數(shù)據(jù)監(jiān)測，使用CAN那根線分析設(shè)備對總線進行實時監(jiān)測，在瓦斯抽放監(jiān)控分站軟件中的各個線程數(shù)據(jù)接口部分打印對應(yīng)的日志，隨機選取常用指針儀表5種，每種2款進行識別讀數(shù)，設(shè)置2 s識別間隔，每種儀表采集100幅圖片，識別率可達到95%，符合識別要求，查看上位機數(shù)據(jù)，并未發(fā)現(xiàn)識別錯誤的指針儀表數(shù)據(jù)，符合錯誤處理要求。

4 結(jié) 語

以瓦斯抽放系統(tǒng)為平臺，工業(yè)指針儀表為設(shè)計對象，提出并設(shè)計了一種采用攝像頭獲取儀表圖像，通過圖像識別技術(shù)得到儀表讀數(shù)并本地顯示和具備CAN總線傳輸?shù)墓I(yè)儀表自動識別裝置，解決了瓦斯抽放現(xiàn)場中大量工業(yè)儀表需要人工巡檢，不具備數(shù)據(jù)通信能力，無法與現(xiàn)有瓦斯抽放系統(tǒng)通信等問題，達到了加快智慧礦山建設(shè)的目的。