本发明属于雾霾监测领域，尤其涉及一种基于计算机视觉的雾霾监测系统。
背景技术：
随着环境的日益恶化，雾霾的监测和报警成为环保工作中十分重要的一个环节。目前市面上的的雾霾监测装置或系统普遍采用激光传感监测，这种检测方式的优点是速度快、精度高，缺点是能耗高，而且显示结果单一，只能显示出实时的PM2.5值，无法显示一段时间内PM2.5值变化的趋势；同时机器视觉技术是一种新兴的高新技术，在环境保护尤其是雾霾监测方面还缺少机器视觉技术的应用。
综上所述，目前市面上的的雾霾监测装置或系统普遍采用激光传感监测存在能耗高，而且显示结果单一，只能显示出实时的PM2.5值，无法显示一段时间内PM2.5值变化的趋势。
技术实现要素：
本发明为解决目前市面上的的雾霾监测装置或系统普遍采用激光传感监测存在能耗高，而且显示结果单一，只能显示出实时的PM2.5值，无法显示一段时间内PM2.5值变化的趋势的技术问题而提供一种精度较高、工作可靠、智能化的基于计算机视觉的雾霾监测系统。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
本发明提供的基于计算机视觉的雾霾监测系统，所述基于计算机视觉的雾霾监测系统包括雾霾采样模块；
所述雾霾采样模块用于24小时连续地收集外界环境中的空气；
所述雾霾采样模块与光源模块电性连接；所述光源模块用于产生灰度值为0％的白光用作对照；
所述光源模块与灰度采集模块电性相连，所述灰度采集模块用于将引入外界空气后当前的灰度值进行采样；
所述灰度采集模块与计算机分析模块电性相连，所述计算机模块用于对灰度数据的分析和处理；所述计算机模块设置有子匹配滤波器的传递函数为：Ci是由分层序列u，v调制而成的，u是分层Golay序列u＝{1,1,1,1,1,1,-1,-1,1,-1，1,-1,1,-1,-1,1}，v＝{1,1,1,-1,-1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1,-1,1,1}，C16m+n＝unvm；
根据分层的Golay序列对传递函数进行改进，则有：
H(zu)＝[1+z-8+z-1(1-z-8)][1+z-4+z-2(1-z-4)]；
H(zv)＝(1+z-1)[1-z-6+z-8+z-14]+(1-z-1)[z-2-z-4+z-10+z-12]；
所述计算机分析模块与显示模块电性相连，所述显示模块用于显示处理后的数据；所述显示模块的数据压缩方法的步骤为：
步骤一、在编码时，首先根据E1n+1＝E1n+dn+1式计算出E1值，再根据和式计算出拟合残差，计算这两步时，均需要对结果进行越限判断，判断E1是否越限是为了避免超过传感器数据总线上限而造成溢出；判断残差是否越限是为实现分段拟合；
步骤二、当一段输入数据的拟合残差全部计算完后，就构造出{dn,E1n,DFR3,DFR4,…DFRn}所示的数据包，通过S-Huffman编码方法对进行熵编码，然后发送出去，接收端解码时，先将接收到的一组数据解码，还原出{dn,E1n,DFR3,DFR4,…DFRn}式所示的数据包，然后根据式计算并还原出所有原始数据；
所述计算机分析模块包括灰度对比模块、算法转换模块和图线分析模块，所述灰度对比模块用于将不同区域的当前灰度值进行对比得出平均值，所述算法转换模块用于将灰度值通过算法转换成PM2.5值，所述图线分析模块用于将不同的时间节点与当时PM2.5值一一对应起来；所述算法转换模块采用的数学模型是：图像中的f(x,y)的一点为(x,y)，则该点与和它有微小距离(Δx,Δy)的点(Δx+x,Δy+y)的灰度差值为：
gΔ(x,y)＝g(x,y)-g(x+Δx,y+Δy)；
其中g为灰度差分；灰度差分值的所有可能取值共有m级，令点(x,y)，咋整儿图像上移动；计算出g(x,y)的直方图，有直方图可知g(x,y)取值的概率；当取值i值的概率较大时，说明图像纹理较粗糙；反之说明纹理较细；
所述显示模块包括数据列表模块和图线绘制模块，所述数据列表模块用于将不同的时间数据和PM2.5数据整合生成列表，所述图线绘制数据用于按照时间顺序将不同时间的PM2.5值绘制成折线图；所述数据列表模块的收敛加密的方法包括：
(1)数据拥有者首先计算数据m的哈希值h(m)，其中h(·)是密码学中的一个强哈希函数，h(m)作为加密数据m的密钥；
(2)用h(m)加密数据，假设E是一个对称密钥加密函数，则产生的密文就是Eh(m)(m)；
(3)用所有的授权用户的公钥加密h(m)，密文是：(C，C′)，其中C＝Eh(m)(m)，C′＝FPK(h(m))，F是一个公钥加密函数，PK是公钥；
(4)数据只能被授权用户解密，合法用户首先用自己的私钥解密得到h(m)，最后用h(m)来恢复m，表示如下：
所述显示模块与警报模块电性相连，所述警报模块用于PM2.5值超标时发出声音提醒和语音播报。
进一步，所述显示模块设置有无线体域网极限容量计算模块，所述无线体域网极限容量计算模块的计算方法如下：
利用Laguerre多项式计算得到：
其中，m＝min(Nt,Nr)；
n＝max(Nt,Nr)；
为次数为k的Laguerre多项式；
如果令λ＝n/m，可以推导出如下归一化后的信道容量表示式；
其中，
在快速瑞利衰落的情况下，令m＝n＝Nt＝Nr，则v1＝0，v2＝4；
渐进信道容量为：
利用不等式：
log2(1+x)≥log2(x)；
式简化为：
进一步，所述灰度采集模块的平均吞吐量写成如下形式：
其中：hk,gss分别是主用户发射机PU-Tx到次级用户发射机SU-Tx次级用户发射机SU-Tx、次级用户发射机SU-Tx到次级用户接收机SU-Rx之间的信道衰减系数，P(H0)和P(H1)分别表示主用户PU实际处于闲状态与忙状态的概率。
进一步，所述光源模块的储能系统模型包括电储能、冷储能系统；
电储能系统以电化学储能系统为主，对电化学储能进行通用性建模，数学表达式如下：
式中，EES,t、EES,t-1分别代表t、t-1时刻电储能系统的剩余能量；En,ES为ES额定能量容量；SES,t代表t时刻电储能系统的剩余能量水平，或称电储能系统的荷电状态；Δt为t-1到t时刻的时间间隔；PES,t为t-1至t时段ES实际充放电功率，在同一时段内的充放电功率为定值，且有：
式中，PES0,t为t时段电储能系统对外输出功率，为正时代表放电，为负时代表充电；ηc,ES、ηd,ES分别为电储能系统充、放电效率，需满足如下约束：
式中，分别代表电储能系统荷电状态运行上、下限；
冷储能系统数学表达式如下：
式中，ETS,t、ETS,t-1分别代表t、t-1时刻冷储能系统的剩余能量；En,TS为冷储能系统的额定储冷容量；STS,t代表t时刻冷储能系统的剩余能量水平；QTS,t为t时段冷储能系统实际蓄、放冷功率，在同一时段内的蓄、放了冷功率为定值，且有：
式中，QTS0,t为t时段冷储能系统对外输出冷功率，为正时代表放冷，为负时代表蓄冷；ηc,TS、ηd,TS分别为冷储能系统蓄、放冷效率，冷储能系统满足如下约束：
式中，分别代表冷储能系统剩余能量水平上、下限；分别为冷储能系统在t时段实际蓄、放冷功率上限；分别为冷储能系统最大蓄、放冷率，分别代表冷储能系统蓄、放冷功率上限与冷储能系统额定容量的比例，和分别代表冷储能系统在t时段所允许的最大放冷量和最大蓄冷量。
本发明具有的优点和积极效果是：雾霾采样模块与外界空气连通，能够实现对外界空气的全天检测，简单有效；由于本发明使用的是内部的光源模块，不受外界光线的影响，因此检测出的灰度值准确可靠；算法转换模块利用灰度值与雾霾颗粒数成正相关的关系进行转换，并利用计算机进行数据处理，转换方法科学有效，省去了人力，效率高，可信度高；数据列表模块整合了时间信息和空气质量信息，便于生成环境报表，方便了专业人员的工作；图线绘制模块不仅能记录一段时间内的PM2.5值，还能对其变化趋势有一个直观的显示，便于分析；警报模块由计算机触发，不需要人为控制，节省了专业人员的时间和精力，工作可靠。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于计算机视觉的雾霾监测系统结构示意图；
图中：1、雾霾采样模块；2、光源模块；3、灰度采集模块；4、计算机分析模块；5、显示模块；6、警报模块；7、灰度对比模块；8、算法转换模块；9、图线分析模块；10、数据列表模块；11、图线绘制模块。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
下面结合图1对本发明的结构作详细的描述。
本发明实施例提供的基于计算机视觉的雾霾监测系统包括：雾霾采样模块1，所述雾霾采样模块1用于24小时连续地收集外界环境中的空气，所述雾霾采样模块1与光源模块2电性连接，所述光源模块2用于产生灰度值为0％的白光用作对照，所述光源模块2与灰度采集模块3电性相连，所述灰度采集模块3用于将引入外界空气后当前的灰度值进行采样，所述灰度采集模块3与计算机分析模块4电性相连，所述计算机模块4用于对灰度数据的分析和处理，所述计算机分析模块4与显示模块5电性相连，所述显示模块5用于显示处理后的数据，所述计算机分析模块4包括灰度对比模块7、算法转换模块8和图线分析模块9，所述灰度对比模块7用于将不同区域的当前灰度值进行对比得出平均值，所述算法转换模块8用于将灰度值通过算法转换成PM2.5值，所述图线分析模块9用于将不同的时间节点与当时PM2.5值一一对应起来，所述显示模块5包括数据列表模块10和图线绘制模块11，所述数据列表模块10用于将不同的时间数据和PM2.5数据整合生成列表，所述图线绘制数据11用于按照时间顺序将不同时间的PM2.5值绘制成折线图，所述显示模块5与警报模块6电性相连，所述警报模块6用于PM2.5值超标时发出声音提醒和语音播报。
所述计算机模块设置有子匹配滤波器的传递函数为：Ci是由分层序列u，v调制而成的，u是分层Golay序列u＝{1,1,1,1,1,1,-1,-1,1,-1，1,-1,1,-1,-1,1}，v＝{1,1,1,-1,-1,1,-1,-1,1,1,1,-1,1,-1,1,1}，C16m+n＝unvm；
根据分层的Golay序列对传递函数进行改进，则有：
H(zu)＝[1+z-8+z-1(1-z-8)][1+z-4+z-2(1-z-4)]；
H(zv)＝(1+z-1)[1-z-6+z-8+z-14]+(1-z-1)[z-2-z-4+z-10+z-12]。
所述显示模块的数据压缩方法的步骤为：
步骤一、在编码时，首先根据E1n+1＝E1n+dn+1式计算出E1值，再根据和式计算出拟合残差，计算这两步时，均需要对结果进行越限判断，判断E1是否越限是为了避免超过传感器数据总线上限而造成溢出；判断残差是否越限是为实现分段拟合；
步骤二、当一段输入数据的拟合残差全部计算完后，就构造出{dn,E1n,DFR3,DFR4,…DFRn}所示的数据包，通过S-Huffman编码方法对进行熵编码，然后发送出去，接收端解码时，先将接收到的一组数据解码，还原出{dn,E1n,DFR3,DFR4,…DFRn}式所示的数据包，然后根据式计算并还原出所有原始数据。
所述算法转换模块采用的数学模型是：图像中的f(x,y)的一点为(x,y)，则该点与和它有微小距离(Δx,Δy)的点(Δx+x,Δy+y)的灰度差值为：
gΔ(x,y)＝g(x,y)-g(x+Δx,y+Δy)；
其中g为灰度差分；灰度差分值的所有可能取值共有m级，令点(x,y)，咋整儿图像上移动；计算出g(x,y)的直方图，有直方图可知g(x,y)取值的概率；当取值i值的概率较大时，说明图像纹理较粗糙；反之说明纹理较细。
所述数据列表模块的收敛加密的方法包括：
(1)数据拥有者首先计算数据m的哈希值h(m)，其中h(·)是密码学中的一个强哈希函数，h(m)作为加密数据m的密钥；
(2)用h(m)加密数据，假设E是一个对称密钥加密函数，则产生的密文就是Eh(m)(m)；
(3)用所有的授权用户的公钥加密h(m)，密文是：(C，C′)，其中C＝Eh(m)(m)，C′＝FPK(h(m))，F是一个公钥加密函数，PK是公钥；
(4)数据只能被授权用户解密，合法用户首先用自己的私钥解密得到h(m)，最后用h(m)来恢复m，表示如下：
进一步，所述显示模块设置有无线体域网极限容量计算模块，所述无线体域网极限容量计算模块的计算方法如下：
利用Laguerre多项式计算得到：
其中，m＝min(Nt,Nr)；
n＝max(Nt,Nr)；
为次数为k的Laguerre多项式；
如果令λ＝n/m，可以推导出如下归一化后的信道容量表示式；
其中，
在快速瑞利衰落的情况下，令m＝n＝Nt＝Nr，则v1＝0，v2＝4；
渐进信道容量为：
利用不等式：
log2(1+x)≥log2(x)；
式简化为：
进一步，所述灰度采集模块的平均吞吐量写成如下形式：
其中：hk,gss分别是主用户发射机PU-Tx到次级用户发射机SU-Tx次级用户发射机SU-Tx、次级用户发射机SU-Tx到次级用户接收机SU-Rx之间的信道衰减系数，P(H0)和P(H1)分别表示主用户PU实际处于闲状态与忙状态的概率。
进一步，所述光源模块的储能系统模型包括电储能、冷储能系统；
电储能系统以电化学储能系统为主，对电化学储能进行通用性建模，数学表达式如下：
式中，EES,t、EES,t-1分别代表t、t-1时刻电储能系统的剩余能量；En,ES为ES额定能量容量；SES,t代表t时刻电储能系统的剩余能量水平，或称电储能系统的荷电状态；Δt为t-1到t时刻的时间间隔；PES,t为t-1至t时段ES实际充放电功率，在同一时段内的充放电功率为定值，且有：
式中，PES0,t为t时段电储能系统对外输出功率，为正时代表放电，为负时代表充电；ηc,ES、ηd,ES分别为电储能系统充、放电效率，需满足如下约束：
式中，分别代表电储能系统荷电状态运行上、下限；
冷储能系统数学表达式如下：
式中，ETS,t、ETS,t-1分别代表t、t-1时刻冷储能系统的剩余能量；En,TS为冷储能系统的额定储冷容量；STS,t代表t时刻冷储能系统的剩余能量水平；QTS,t为t时段冷储能系统实际蓄、放冷功率，在同一时段内的蓄、放了冷功率为定值，且有：
式中，QTS0,t为t时段冷储能系统对外输出冷功率，为正时代表放冷，为负时代表蓄冷；ηc,TS、ηd,TS分别为冷储能系统蓄、放冷效率，冷储能系统满足如下约束：
式中，分别代表冷储能系统剩余能量水平上、下限；分别为冷储能系统在t时段实际蓄、放冷功率上限；分别为冷储能系统最大蓄、放冷率，分别代表冷储能系统蓄、放冷功率上限与冷储能系统额定容量的比例，和分别代表冷储能系统在t时段所允许的最大放冷量和最大蓄冷量。
工作原理：使用时，由计算机开启所有工作模块，雾霾采样模块1与外界空气连通，能够实现对外界空气的全天检测，简单有效；由于本发明使用的是内部的光源模块2，不受外界光线的影响，因此检测出的灰度值准确可靠；算法转换模块8利用灰度值与雾霾颗粒数成正相关的关系进行转换，并利用计算机进行数据处理，转换方法科学有效，省去了人力，效率高，可信度高；数据列表模块10整合了时间信息和空气质量信息，便于生成环境报表，方便了专业人员的工作；图线绘制模块11不仅能记录一段时间内的PM2.5值，还能对其变化趋势有一个直观的显示，便于分析；警报模块6由计算机触发，不需要人为控制，节省了专业人员的时间和精力，工作可靠。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。