一种基于机器视觉技术的架空线路覆冰在线监测装置

摘要

本发明一种基于机器视觉技术的架空线路覆冰在线监测装置由硬件和软件两部分构成：该硬件分为下位机和上位机；下位机硬件包括基于DSP的控制及处理单元、图像采集单元、数据采集单元、数据存储单元、GPRS无线通讯单元及太阳能光伏电源单元；上位机硬件由监控中心服务器单元和GPRS无线通讯单元组成，上位机和下位机通过GPRS无线网络实现无线通讯。该软件也分为下位机和上位机；下位机软件负责驱动下位机硬件完成图像及数据采集，并根据采集到的图像计算和判断覆冰厚度、类型，驱动GPRS无线通讯单元将压缩后的图像和监测结果一起发送到上位机；上位机软件负责驱动上位机硬件完成GPRS无线通讯，并实现人机交互界面和监测信息管理。它实现了对覆冰灾害的全面监测。

主权项

一种基于机器视觉技术的架空线路覆冰在线监测装置，其特征在于：该装置由硬件和软件两大部分构成，该硬件结构包括下位机硬件和上位机硬件两部分；上位机硬件和下位机硬件通过GPRS无线网络实现无线通讯；相应的，该软件结构也分为下位机软件和上位机软件两部分；下位机硬件负责图像及数据的采集，并通过GPRS无线通讯方式将监测结果发送到上位机硬件；下位机软件负责驱动下位机硬件完成图像及气象数据采集，并根据采集到的图像直接计算覆冰厚度、判断覆冰类型；根据覆冰厚度和气象信息，下位机软件还可以进一步计算覆冰密度；最后下位机软件对覆冰图像进行压缩并驱动GPRS无线通讯单元将压缩后的图像和监测结果一起发送到上位机硬件；上位机硬件负责完成与下位机硬件的GPRS无线通讯并存储下位机硬件发送的监测信息；上位机软件负责驱动上位机硬件完成GPRS无线通讯，并实现人机交互界面和监测信息的管理；(1)硬件结构：该基于机器视觉技术的架空线路覆冰在线监测装置，其硬件结构包括下位机硬件和上位机硬件两大部分；其中，下位机硬件由基于DSP的控制及处理单元、图像采集单元、数据采集单元、数据存储单元、GPRS无线通讯单元及太阳能光伏电源单元组成；图像采集单元、数据采集单元、数据存储单元、GPRS无线通讯单元及太阳能光伏电源单元分别与基于DSP的控制及处理单元相连接；基于DSP的控制及处理单元是下位机硬件的核心，它控制图像采集单元和数据采集单元分别采集覆冰图像和现场气象信息，并将数据存入数据存储单元；然后，基于DSP的控制及处理单元调用数据存储单元中的数据完成覆冰厚度、密度的计算和覆冰类型的识别；最后，所有监测结果通过GPRS无线通讯单元向上位机硬件发送；太阳能光伏电源单元为整个下位机硬件提供电源；所述基于DSP的控制及处理单元由TMS320DM642DSP芯片构成；该芯片负责控制整个监测流程并处理采集到的图像和数据；所述图像采集单元由CCD摄像头、TVP5150视频解码芯片、I2C总线接口和视频接口组成，CCD摄像头、I2C总线接口和视频接口分别与TVP5150视频解码芯片连接；它负责采集图像；CCD摄像头拍摄覆冰线路图像并输出PAL格式的视频信号给TVP5150；TVP5150对PAL格式信号进行解码转换，输出YUV4:2:2格式的数字色差信号供DSP采集；TVP5150视频解码芯片通过I2C总线接口和视频接口和基于DSP的控制及处理单元连接，其中I2C总线接口实现对TVP5150视频解码芯片的配置，视频接口采集TVP5150视频解码芯片输出的YUV4:2:2格式的数字色差信号；所述数据采集单元由模数转换器AD7490芯片、数字I/O接口、信号调理电路及气象传感器组成，模拟量气象传感器与信号调理电路相连接，信号调理电路与模数转换器AD7490芯片相连接；数字量气象传感器与信号调理电路相连接，信号调理电路与数字I/O接口相连接；负责采集模拟量输出或数字量输出的气象传感器信号；信号调理电路对模拟量传感器和数字量传感器输出的模拟和数字信号进行调理和滤波，AD7490芯片和数字I/O接口则分别采集调理后的模拟信号和数字信号；所述数据存储单元由两片SDRAM芯片、一片FLASH芯片以及外部存储器接口组成，SDRAM芯片和FLASH芯片通过地址总线和数据总线与外部存储器接口连接；SDRAM采用2片芯片，用来存储数据和实现上电后的应用程序加载；FLASH芯片用来固化bootloader引导程序和应用程序；两片SDRAM芯片和一片FLASH芯片通过地址总线和数据总线与外部存储器接口连接；基于DSP的控制及处理单元通过外部存储器接口实现数据的读写；所述GPRS无线通讯单元采用LQ8110无线模块，它负责和上位机硬件实现GPRS无线通讯；所述太阳能光伏电源单元由太阳能电池板、SM-PL2020型充放电控制器和蓄电池组成；太阳能电池板和SM-PL2020型充放电控制器连接，SM-PL2020型充放电控制器和蓄电池连接；太阳能光伏电源单元为下位机硬件设备供电并在充放电控制器的控制下为蓄电池充电；在没有光照时，蓄电池放电为系统提供电源；其中，上位机硬件由监控中心服务器单元和GPRS无线通讯单元组成，它们之间采用串口连接；该上位机硬件的GPRS无线通讯单元由LQ8110无线模块组成，它用于和下位机硬件的GPRS无线通讯单元进行通讯；该监控中心服务器单元采用普通的计算机，它用来存储、显示并管理监测到的信息；GPRS无线网络采用星型连接组网，即多个下位机硬件位于不同地点分别对架空线路覆冰进行监测，各个下位机硬件分别向监控中心的GPRS无线通讯单元发送监测数据；监控中心实现对多个下位机硬件的远程配置和数据接收；整个装置的工作过程是：当登陆上位机软件后，上位机软件首先根据默认配置或工作人员的设定向指定编号的下位机软件发送图像采集时间间隔、JPEG图像压缩质量因数等控制参数，完成对下位机硬件的远程配置；然后，下位机硬件中的基于DSP的控制及处理单元控制图像采集单元和数据采集单元采集覆冰图像和现场气象信息，并将数据存储在数据存储单元中；基于DSP的控制及处理单元调用数据存储单元的数据进行图像处理和相关参数的计算；最后将处理结果通过GPRS无线通讯单元发送至监控中心的服务器；(2)软件结构：该基于机器视觉技术的架空线路覆冰在线监测装置的软件结构，包括下位机软件和上位机软件两个部分；下位机软件程序是DSP芯片的控制及处理程序，负责控制下位机硬件实现图像采集、图像处理以及GPRS无线通讯；下位机软件在CCS2.0编译环境下编写，采用RF5参考框架，通过DSP/BIOS操作系统将底层硬件及其驱动完全抽象起来，从而提高程序的重用性和可移植性；DSP/BIOS是一个准实时操作系统，为嵌入式开发和应用提供了基本的运行服务；RF5参考框架是一种使用DSP/BIOS内核的通用初始化代码；针对具体的应用程序，用户可以修改RF5参考框架的配置迅速构建应用程序，从而加快程序开发进度；基于DSP/BIOS和RF5参考框架的下位机程序分为4个线程，分别是控制线程、图像及数据采集线程、图像处理线程和GPRS无线通讯线程，各线程间的关系如下：GPRS无线通讯线程接收上位机软件发送的控制参数并传递给控制线程，控制线程根据这些控制参数配置图像及数据采集线程和图像处理线程，图像处理线程处理来自图像及数据采集线程的数据，并将处理结果发送到GPRS无线通讯线程；GPRS无线通讯线程将接收到的处理结果通过GPRS无线网络发送给上位机硬件；各线程间的同步通讯采用SCOM即同步通讯机制来完成；所述控制线程负责完成程序基本参数的设置，上位机软件通过GPRS无线通讯向下位机软件传递控制参数，下位机软件的GPRS无线通讯线程接收来自上位机软件的控制参数，并把控制参数传递给控制线程，由控制线程来实现下位机硬件参数的配置；所述图像及数据采集线程负责完成两方面功能，一是初始化视频解码芯片，驱动DSP的视频接口采集解码后的视频数据流，并将图像数据存储于SDRAM芯片中，供图像处理线程使用，二是配置模数转换器和数字I/O接口，采集气象信息并将数据存储于SDRAM芯片中；所述图像处理线程是装置的软件核心，该线程负责完成图像的处理、覆冰厚度及密度计算、覆冰类型判别以及图像JPEG压缩；首先对原始图像进行预处理，即对图像进行滤波和增强，达到去除噪声和增强图像有用部分信息的目的；接下来采用基于HSI颜色模型的彩色图像边缘提取算法对图像进行边缘提取，提取导线覆冰的边缘并计算覆冰图像宽度所占据的像素数ΔN；由于d＝K×ΔN，其中d是被测物体尺寸，K是摄像机像素间距与实际物体尺寸的比例关系，该系数通过对摄像机进行预先标定而获得；利用这一关系即可计算出覆冰后导线的宽度d和冰的厚度h，该h＝(d-2r)/2，其中h为覆冰厚度，r为架空线路导线半径；根据预先设定的阈值，程序判断覆冰厚度是否超标，如果超过标准发送报警信息；覆冰密度计算采用Jones模型，该模型描述了覆冰密度、厚度和温度、风速等气象因素之间的关系，可以通过覆冰厚度和采集到的气象信息计算覆冰密度；雨凇、混合凇、软雾凇和积雪不同的覆冰类型具有不用的外形特点；根据这一特征，覆冰类型识别程序根据覆冰图像的形状特点，采用形状匹配算法实现对覆冰的类型判别；最后，为了减少GPRS无线通讯的数据量，对采集到的图像进行JPEG图像压缩；所述GPRS无线通讯线程具有两项功能，一是负责向上位机硬件发送JPEG压缩后的图像和覆冰厚度、密度的计算结果以及覆冰类型的判定结果，二是负责接收上位机软件发送到下位机软件的控制参数，并把参数传递给控制线程来实现下位机硬件的配置；该上位机软件采用VC++6.0编写并利用SQL Server 2000开发后台数据库；人机交互部分负责图像及数据的显示并提供控制参数设置窗口，实现工作人员和装置的交互；GPRS无线通讯部分负责驱动GPRS无线通讯单元工作，实现数据的无线发送和接收。数据库部分存储监测信息，并实现管理与查询功能；该上位机软件的工作流程是：在管理人员登陆后首先和指定编号的下位机硬件进行无线连接，并向下位机软件发送管理人员设定的控制参数，对下位机硬件进行远程配置；然后，下位机软件将采集到的图像和计算结果通过GPRS无线网络发送到上位机硬件，上位机软件将接收到的图像和计算结果进行显示并将信息保存入数据库；该下位机软件根据控制参数设定的时间间隔定时向上位机硬件发送数据，从而实现对架空线路覆冰的在线监测。