穆蕾，梁興忠，馬嫣，徐華太，尹遵義，尹躍，馮玉輝，徐興業(yè)

（1.山東省計量檢測中心，濟南 250014； 2.山東省計量科學(xué)研究院，濟南 250014；3.山東省社會公正計量行，濟南 250014； 4.濟南長峰致遠儀表科技有限公司，濟南 250103）

溫濕度計是用于檢測環(huán)境溫度和濕度變化的一種計量器具，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、氣象、醫(yī)療、國防、航天軍工以及日常生活、倉儲環(huán)境管理等方面［1-3］。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，溫濕度的檢測和控制越來越受到人們的重視，對溫濕度參數(shù)的準(zhǔn)確度要求也越來越高，因此需要對溫濕度計進行定期檢定和校準(zhǔn)，以保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，特別是用于環(huán)境監(jiān)測的溫濕度計已列入了強制檢定目錄［4-5］。社會的需求極大地促進了溫濕度測量技術(shù)的發(fā)展，溫濕度器具檢定與校準(zhǔn)市場需求迅速擴大。然而我國溫濕度計量標(biāo)準(zhǔn)配套設(shè)備的研發(fā)嚴重落后，溫濕度計檢定仍然依賴人工完成，每個檢定點均需要人工設(shè)定、讀數(shù)和記錄，耗時長，數(shù)據(jù)采集、處理、打印證書程序繁瑣，影響工作效率和檢定精度，且出錯率高［6-8］。

近年來，部分業(yè)界學(xué)者對溫濕度計自動檢定裝置進行了研究，董立亭等［9］設(shè)計了多路自動氣象站濕度傳感器檢定系統(tǒng)，可實現(xiàn)計算機遠程調(diào)取數(shù)據(jù)及處理、打印等功能；壽文杰等［10］研究了基于雙溫法的大型溫濕度檢定裝置，該裝置采用封閉循環(huán)回路，利用雙溫法原理，可檢定多種類型的溫濕度計；鞏娟等［10］研制了Swsy-H 型溫濕度計量檢定裝置，該裝置采用雙壓法，可產(chǎn)生高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)濕氣和溫度，適合于露點儀和各種小型溫濕度傳感器的檢定；陳洪俠等［10］利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計了多功能溫濕度現(xiàn)場校驗裝置，該裝置可連接鉑電阻和熱電偶測量溫度，連接濕度傳感器測量濕度，適用于工作現(xiàn)場溫濕度計的校準(zhǔn)及測試。

筆者結(jié)合圖像識別、數(shù)據(jù)庫、嵌入式、計算機控制等技術(shù)，研制了一種全自動溫濕度計檢定裝置，該裝置能自動完成圖像讀取、數(shù)據(jù)處理、檢定證書生成等檢定過程，操作性強，方便實用，有效提高了檢定精度和檢定效率［13-14］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

溫濕度計自動拍照檢定系統(tǒng)由工控計算機、溫濕度檢定箱、精密露點儀、拍照機器人和數(shù)字照相機組成，其工作原理如圖1 所示。

圖1 溫濕度計自動拍照檢定系統(tǒng)工作原理

溫濕度檢定箱提供標(biāo)準(zhǔn)溫濕度環(huán)境，精密露點儀作為標(biāo)準(zhǔn)器，拍照機器人和數(shù)字照相機實現(xiàn)被檢溫濕度計的自動拍照。系統(tǒng)軟件依據(jù)JJG 205—2005 《機械式溫濕度計檢定規(guī)程》設(shè)計開發(fā)，適用于機械式溫濕度計的檢定、校準(zhǔn)。機械式溫濕度計結(jié)構(gòu)簡單，功能可靠，不易受電磁干擾的影響。檢定員只需要把被檢溫濕度計置于儀器架的固定位置上，系統(tǒng)軟件可根據(jù)檢定規(guī)程或特殊要求設(shè)置溫濕度檢定點，自動控制溫濕度檢定箱恒定溫濕度，并判定環(huán)境是否符合條件要求，控制拍照機器人自動移動至指定工位進行拍照，圖像識別程序?qū)Ρ粰z儀表圖片進行分析、識別，數(shù)據(jù)自動存儲于數(shù)據(jù)庫中，檢定完成后自動生成原始記錄和檢定證書。

2 硬件設(shè)計

2.1 溫濕度環(huán)境裝置

采用溫濕度檢定箱作為溫濕度環(huán)境裝置。溫濕度檢定箱技術(shù)要求：溫度控制范圍為5～85 ℃，控制精度為±0.2 ℃；濕度控制范圍為10%～95%，控制精度為±0.5%。檢定箱與露點儀配合使用，檢定箱根據(jù)露點儀的測量值控制溫度，提高了控制精度。溫濕度檢定箱配有9 針232 通訊接口，通過232 串口線與計算機連接，計算機軟件通過232 方式與檢定箱通訊，以修改設(shè)定值、讀取當(dāng)前溫濕度示值。

2.2 圖像采集裝置

圖像采集裝置是由拍照機器人和數(shù)字相機組成。拍照機器人可在水平和垂直方向自由移動，采用嵌入式單片機進行控制，支持485 方式與計算機進行通訊；拍照機器人通過步進電機進行拖動，水平移動范圍為0～63 cm，垂直移動范圍為100～158 cm，移動范圍可覆蓋溫濕度檢定箱的觀察窗。數(shù)字相機負責(zé)拍照，采集被檢溫濕度計的示值圖片。為保證采集圖片的清晰度，建議選擇高分辨率的相機；為保證溫濕度計表盤顯示完整，便于識別，拍照時應(yīng)使溫濕度計表盤位于圖片中間。相機通過專用數(shù)據(jù)線與計算機連接，通過拍照程序?qū)⑺恼請D片自動傳輸至計算機。

2.3 精密露點儀

選用滿足溫濕度計檢定需要并支持232／485通訊的精密露點儀，通過串口線與計算機連接，計算機可自動讀取露點儀的溫濕度示值。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件功能設(shè)計

軟件主要包括文件、管理、數(shù)據(jù)、用戶、幫助等幾大模塊，軟件系統(tǒng)功能菜單如圖2 所示。

圖2 軟件系統(tǒng)功能菜單

3.2 軟件總體流程

用戶首先根據(jù)被檢溫濕度計類型，填寫被檢溫濕度計信息和環(huán)境溫濕度，選擇設(shè)備方案，設(shè)置被檢溫濕度計工位和溫濕度檢定點，然后系統(tǒng)自動進行示值檢定、數(shù)據(jù)處理，最后生成記錄、證書。軟件總體流程如圖3 所示。

圖3 軟件總體流程

3.3 圖像識別

針對不同類型的指針式溫濕度計，圖像識別模塊采用單獨的識別程序，每一個識別程序?qū)?yīng)一種溫濕度計類型。拍照完成后，識別程序利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，由計算機程序識別出相機所拍攝圖片中溫度和濕度指針對應(yīng)的數(shù)值。圖像識別程序流程圖如圖4所示。

圖4 圖像識別程序流程

下面以數(shù)字相機拍攝的被檢溫濕度計原始圖片為例，詳細說明圖像識別過程。

（1）導(dǎo)入原始圖像。程序自動導(dǎo)入數(shù)字相機拍攝的溫濕度計原始圖片，為方便圖像處理和觀察，此過程通過軟件將圖像像素進行了壓縮處理，處理效果如圖5 所示。

圖5 導(dǎo)入原始圖像

（2）提取溫濕度計表盤。此部分工作是將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像。同時根據(jù)表盤的形狀、直徑及其它特征，進行區(qū)域特征處理，最后通過函數(shù)將完整的溫濕度計表盤圖像截取出來。提取的溫濕度計表盤如圖6 所示。

圖6 提取的溫濕度計表盤

（3）溫濕度計表盤去噪、細化和剪枝處理。提取被檢溫濕度計表盤后，需要進一步消除噪聲、提取刻度特征區(qū)域。首先進行特征突出處理，通過直方圖均衡化方法對提取的儀表盤灰度圖進行處理，將比較淡的圖像轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^深的圖像（即增強圖像的亮度及對比度），如圖7 所示。

圖7 去噪、細化和剪枝處理后的灰度圖

對去噪、細化、剪枝后的灰度圖像進行閥值處理得到二值化圖像，如圖8 所示。

圖8 二值化圖像

二值化圖像仍存在許多噪聲，采用平滑操作去除噪聲干擾。為濾除過多噪聲，同時保留儀表邊框，采用歸一化濾波器，濾波效果如圖9 所示。

圖9 濾波效果圖

再次對濾波圖進行細化和剪枝處理，得到區(qū)域局部圖如圖10 所示。

圖10 區(qū)域局部圖

（4）對被檢溫濕度計刻度盤進行定位，通過系統(tǒng)處理，識別表盤指針。表盤指針與刻度區(qū)域產(chǎn)生交集，通過特征提取，獲得溫濕度計指針特征與刻度特征交集位置，即為指針?biāo)竻^(qū)域。局部細化效果如圖11 所示。

圖11 局部細化圖

（5）字符識別。需要識別的字符包括刻度數(shù)值字符和刻度區(qū)域字符。識別的刻度數(shù)值字符如圖12 所示。

圖12 識別的刻度數(shù)值字符

由圖12 可以看出，細化后的數(shù)字和字母特征明顯，只需將其傾斜校正后即可通過特征識別獲得溫濕度計的刻度數(shù)值字符。

（6）結(jié)果輸出。將溫濕度計刻度識別、指針識別和字母識別結(jié)果與其坐標(biāo)對應(yīng)起來之后，即可獲得指針型（機械式）溫濕度計的指針?biāo)傅臄?shù)值，將其數(shù)字化后輸出，供系統(tǒng)的其它模塊進行調(diào)用。

4 界面設(shè)計

4.1 基本參數(shù)輸入

打開溫濕度計檢定軟件界面后，系統(tǒng)會自動生成一個檢定編號，此編號為本次檢定的批次號，是根據(jù)儀表類型和時間自動排列的，便于后期查詢。

基本參數(shù)輸入界面可實現(xiàn)環(huán)境信息和被檢溫濕度計信息的輸入，按照國家相應(yīng)檢定規(guī)程和校準(zhǔn)規(guī)范要求，設(shè)計儀器名稱、型號、編號等證書和原始記錄需要的信息輸入框。

環(huán)境溫濕度、大氣壓力為規(guī)程要求的檢定／校準(zhǔn)環(huán)境條件，采用文本框輸入；檢定／校準(zhǔn)時間為本次檢定時間。

采用數(shù)據(jù)窗口控件采集被檢溫濕度計信息，其中儀器名稱、生產(chǎn)廠家、委托單位、地址等信息采用模糊查詢方式，在下拉框中輸入字符后，軟件會根據(jù)輸入的字符在數(shù)據(jù)庫中自動檢索近似信息，方便用戶輸入。儀表類型按照機械式、數(shù)字式、干濕表等進行設(shè)置，并對應(yīng)相應(yīng)的檢定規(guī)程。

4.2 選擇設(shè)備方案

設(shè)備方案是指不同系統(tǒng)設(shè)備組合方式，用戶可以預(yù)先設(shè)置不同的設(shè)備方案，不同的設(shè)備方案可實現(xiàn)不同的功能。系統(tǒng)默認自動拍照和手工讀數(shù)兩種方案，自動拍照方案支持拍照機器人和相機，能夠?qū)崿F(xiàn)被檢溫濕度計示值的自動拍照；手工讀數(shù)方案不支持拍照機器人和相機，需要人工讀取和輸入被檢儀表示值。多種備選設(shè)備方案增加了系統(tǒng)的靈活性，使用更加方便。

選擇好設(shè)備方案后，系統(tǒng)會根據(jù)方案中的設(shè)備配置情況，自動讀取所用溫濕度檢定箱和露點儀名稱、型號、編號、通訊串口等信息，并將這些信息存入數(shù)據(jù)庫中，以便于系統(tǒng)完成檢定過程。

4.3 工位設(shè)置

為了實現(xiàn)自動拍照、讀取被檢溫濕度計示值，引入了工位概念。拍照機器人在橫向和縱向上自動移動，可以覆蓋溫濕度箱的整個窗口，能夠?qū)λ袙煸趦x器架上的溫濕度計進行拍照。一個工位就是拍照機器人的一個移動位置，包含橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。在拍照機器人移動范圍內(nèi)，根據(jù)需要預(yù)先設(shè)置多個工位，每個工位對應(yīng)一定的照相機可拍攝的區(qū)域。將儀表放置的位置和拍照機器人的工位對應(yīng)起來，系統(tǒng)即可控制拍照機器人自動移動到設(shè)置工位，對被檢溫濕度計進行拍照，并讀取其示值，從而實現(xiàn)被檢溫濕度計示值圖片的自動采集。

4.4 檢定點設(shè)置

檢定點設(shè)置界面可根據(jù)規(guī)程要求自動設(shè)置被檢溫濕度計所需要檢定的溫度、濕度點，系統(tǒng)會根據(jù)所設(shè)置的溫濕度點自動進行檢定和校準(zhǔn)。用戶也可根據(jù)需要進行修改。

檢定類型支持“新建檢定”和“補充檢定”，新建檢定時系統(tǒng)會根據(jù)規(guī)程要求自動生成檢定點；補充檢定時系統(tǒng)會顯示本次檢定已經(jīng)完成的檢定點和未完成的檢定點，用戶可根據(jù)需要調(diào)整，并繼續(xù)進行未完成的檢定任務(wù)。

4.5 示值誤差檢定

根據(jù)前面選擇的設(shè)備方案、工位信息、檢定點信息，并依據(jù)規(guī)程要求的檢定和校準(zhǔn)過程，系統(tǒng)開始進行示值誤差的檢定或校準(zhǔn)。

界面左上角顯示檢定溫濕度點的信息，左下角數(shù)據(jù)窗口中顯示每次讀數(shù)時的標(biāo)準(zhǔn)值、被檢值等信息，右上角顯示溫濕度箱和露點儀的實時溫濕度值，右下角顯示相機拍照采集的被檢溫濕度計示值圖片以及檢定過程中溫濕度箱和露點儀的實時溫濕度曲線圖。

檢定過程中，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的溫濕度點自動設(shè)置溫濕度箱設(shè)定值，并根據(jù)預(yù)設(shè)的判斷條件，自動判斷溫濕度箱內(nèi)溫濕度穩(wěn)定情況，當(dāng)溫濕度箱內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定后，系統(tǒng)自動讀取露點儀示值作為標(biāo)準(zhǔn)值，提示人工讀數(shù)輸入被檢值或通過自動拍照采集被檢溫濕度計示值作為被檢值。

4.6 數(shù)據(jù)處理

當(dāng)示值誤差檢定完成后，系統(tǒng)進入數(shù)據(jù)處理界面。用戶可在該界面對被檢溫濕度計的示值及其它檢定數(shù)據(jù)進行復(fù)核，對識別錯誤或未能識別的圖像進行人工識別。

系統(tǒng)自動調(diào)出所有被檢溫濕度計的檢定數(shù)據(jù)，每個被檢溫濕度計的示值圖片均會顯示在左側(cè)的圖片窗口中，用戶可通過鼠標(biāo)雙擊圖片進行局部放大，以便于更清晰的讀取和分辨被檢溫濕度計示值。當(dāng)用戶在右側(cè)數(shù)據(jù)窗口中輸入被檢溫濕度計示值后，系統(tǒng)會自動計算示值誤差。

4.7 記錄處理

當(dāng)所有被檢溫濕度計示值數(shù)據(jù)輸入完畢后，系統(tǒng)進入記錄處理界面。根據(jù)基本參數(shù)、檢定點、示值誤差等信息及檢定數(shù)據(jù)，自動生成原始記錄，并支持原始記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)出至EXCEL 格式的文件中。

用戶可根據(jù)需要定制EXCEL 格式的原始記錄和證書的模板文件，系統(tǒng)自動調(diào)用模板文件，并將原始記錄中的數(shù)據(jù)自動寫入到模板文件中。EXCEL文件中嵌入了VBA 編程，可根據(jù)設(shè)計的模板自動生成所需要的原始記錄和證書格式。

系統(tǒng)即支持單個被檢溫濕度計單獨導(dǎo)出至EXCEL 文件，也支持所有被檢溫濕度計批量導(dǎo)出至EXCEL 文件。

4.8 原始記錄

原始記錄采用EXCEL 格式，根據(jù)用戶需要設(shè)置相應(yīng)的模板，并儲存為模板文件。導(dǎo)出數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)自動調(diào)用模板文件，并將檢定數(shù)據(jù)按照模板要求自動填入。

4.9 檢定／校準(zhǔn)證書

檢定／校準(zhǔn)證書采用EXCEL 格式，可根據(jù)用戶需要編輯并儲存為模板文件。導(dǎo)出數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)自動調(diào)用模板文件，并將檢定數(shù)據(jù)按照模板要求自動填入，生成檢定或校準(zhǔn)證書。

5 結(jié)語

研制的溫濕度計自動拍照檢定系統(tǒng)經(jīng)軟件安裝運行及通訊測試后，相機拍照及圖像識別功能正常，軟件各功能模塊運行正常，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，自動檢定系統(tǒng)可按照檢定流程對溫濕度計實行檢定，并可查詢檢定數(shù)據(jù)、原始記錄及校準(zhǔn)證書，滿足使用要求。該系統(tǒng)在使用過程中仍需進一步完善，如結(jié)合本單位證書系統(tǒng)平臺，直接導(dǎo)入委托單位、被檢設(shè)備的相關(guān)信息（包括名稱、型號、編號等），將此自動檢定系統(tǒng)與證書平臺進一步結(jié)合運用。目前由祝長生等［15］提出了一種基于不變矩信息融合的溫濕度計數(shù)字自動識別算法，今后本系統(tǒng)可結(jié)合此項技術(shù)，增加數(shù)字溫濕度計的校準(zhǔn)程序，完善系統(tǒng)功能，提高客戶使用的滿意度。