一种基于二维码的直读式水表及其抄表装置的制作方法

本实用新型涉及一种水表及抄表系统，具体地说是一种基于二维码的直读式水表及其抄表装置。

背景技术：

我国的远传水表按照数据终端的采集方式大体可分为脉冲式和直读式两大类，两种水表的发展逐步趋于成熟，各自占有一部分市场份额，在业界中已经形成了一定的应用规范，也得到了广泛的接受。

国内主流的抄表技术大多基于机械脉冲的原理，主要利用前置采集器完成脉冲信息检测，进而实现信息的采集、保留和传输。脉冲抄表系统基于机械振动的原理，容易出现电磁干扰或退磁现象，在精确度上一直不能有效解决。再有，计数方式的水表，其计数和读数是同步的，断停电时计数丢失，造成读数低于实际计数，给供水公司带来损失；有干扰时，水表计数脉冲也可能出现虚增现象，即当前读数偏高。因此，脉冲计数这种技术诚然存在简单易完成的优点，不过由于同样存在需实时供电，功耗大以及抗干扰性差等多方面的问题，发展前景存在桎梏。针对脉冲表技术上存在的缺点，产生了多种其他无源直读式抄表系统，比如触点式、光电式、摄像式等装置。其中光电式一般适用于干式表，同时对精密度的要求比较高；触点式水表利用判别电阻阻值原理来确定字符位置，触点数量过多造成构造相对复杂，同时很容易产生读数误差；摄像式的直读水表则是把采集到的图像经过数字图象处理器进行识别并处理，从而最终实现自动抄表。鉴于上述存在的因素，利用摄像头拍摄水表表盘上的图像进行识别的抄表系统比较符合目前国内抄表公司所考虑无源和直读抄表技术的研究方向。这种方式基于视觉检测的原理，只需在工作时供电，没有累计误差，并且能够记录当前水表的图像，能够有效地减少纠纷。与此前的其他抄表技术相比，该系统具有更积极的意义。

如图1所示，目前的摄像式直读水表的表盘如果用人眼睛识别很容易，在字轮水表的基础上进行加摄像图像识别及远程抄表，其拍摄的图如图2所示，但是，用计算机视觉识别字轮水表水量就很复杂。用摄像来识别的困难在于数字滚动过程中的识别，视觉识别技术来确定个位是“9”还是“8”需要用样本来训练。最难的是识别的是图2个位（最后一位）上的数值。如果要提高识别率，对不同的厂家，不同字的位置、机械结构差异以及环境光线等都都需要训练样本，工作量很大，且有些样本只能在一定条件下进行。所以当如环境光线等条件变化，识别率就下降。

目前的摄像式直读水表的摄像模块硬件基本采用单片机+摄像头驱动模块、单片机+DPS+摄像头驱动模块或采用还有DPS功能的高端嵌入式单片机；软件基本采用图像预处理、神经网络算法。但是，这里面有两个难点不好解决，一是采用高端低端单片机进行样本识别，内存不够，再计算机速度不够；二是采用高端单片机成本高，如果提高识别率，内存也不足。由于字轮式水表各位或厂家机械结构不同，字轮上的字有差异，所以软件算法如果采用神经网络需要每个厂家的水表以及水表字轮的每一位进行训练，其工作量很大，同时内存大，致使单片机内存相对不足，且计算机速度减慢。再，采用一种训练模型，时间久了，机械结构、环境尘气、光线发生微小变化会影响其识别率。

技术实现要素：

针对上述不足，本实用新型提供了一种基于二维码的直读式水表及其抄表装置，其能够有效的解决现有水表抄表系统单片机内存不足的问题，减低水表抄表系统的成本。

本实用新型解决其技术问题采取的技术方案是：一种基于二维码的直读式水表，所述直读式水表包括多个字轮，其特征是，每个字轮圆周表面指代0～9的十个弧段上分别设置有对应数值0～9的二维码标识；所述二维码标识包括依次设置的数值上半部识别区、上半部间隔区、数值下半部识别区和下半部间隔区；所述数值上半部识别区和数值下半部识别区均包括二进制表示的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息；每一个数值0～9的二维码标识所包含的数值上半部识别区和数值下半部识别区的位数信息和数值信息是相同的。

优选地，所述定位信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区的左上角三组信息和右下角三组信息，所述位数信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区右上角的三组信息，所述数值半部位置信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区中心位置的一组信息，所述数值信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区左下角的四组信息。

优选地，所述的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息中的每组信息为NXN点阵方块图案，N为大于等于3的正整数。

优选地，所述二维码标识粘贴或者印制在字轮圆周表面。

本实用新型还提供了一种基于二维码的直读式水表抄表装置，包括直读式水表、抄表终端和远传通信模块，所述抄表终端用以对直读式水表进行抄表并通过远传通信模块将抄表信息发送给后台抄表管理系统，其特征是，所述直读式水表包括多个字轮，每个字轮圆周表面指代0～9的十个弧段上分别设置有对应数值0～9的二维码标识；所述抄表终端包括摄像头、补光灯、单片机、存储器和RS485电路，所述摄像头正对直读式水表的表盘设置，所述补光灯设置在摄像头附近且光线射向直读式水表的表盘，所述单片机分别与摄像头、补光灯、存储器和RS485电路相连，所述RS485电路与远传通信模块相连。

优选地，所述二维码标识包括依次设置的数值上半部识别区、上半部间隔区、数值下半部识别区和下半部间隔区；所述数值上半部识别区和数值下半部识别区均包括二进制表示的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息；每一个数值0～9的二维码标识所包含的数值上半部识别区和数值下半部识别区的位数信息和数值信息是相同的。

优选地，所述定位信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区的左上角三组信息和右下角三组信息，所述位数信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区右上角的三组信息，所述数值半部位置信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区中心位置的一组信息，所述数值信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区左下角的四组信息。

优选地，所述的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息中的每组信息为NXN点阵方块图案，N为大于等于3的正整数。

优选地，所述二维码标识粘贴或者印制在字轮圆周表面。

优选地，所述单片机采用STM32F446单片机，所述摄像头采用OV2640摄像头，所述摄像头连接有24M有源晶振，所述存储器采用AT24C02存储芯片；所述单片机还连接有电源电路、25M有源晶振和Mbus电路。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过将字轮水表的字改为及其容易识别的二维码将彻底克服了传统摄像式直读水表的识别率低和工作量大的不足，本实用新型采用二维码的识别技术对水表表盘图像进行识别，采用廉价摄像头的像素点点阵就能确定水表读数，其不仅不受光线、灰尘、位置变动、字滚动等各种外界因素的影响，抗干扰能力极强，而且减低了成本，满足了识别要求。本实用新型的识别方法将字轮式水表的字改为二维码，以此通过识别二维码来获取直读式水表的水量读数，有效的解决了单片机内存不足的问题，不仅识别率高，而且减低了水表视觉系统的成本。

附图说明

图1为传统字轮水表的表盘示意图；

图2为传统字轮水表采用摄像图形识别的字轮图像示意图；

图3为本实用新型所述字轮的结构示意图；

图4为本实用新型所述抄表终端的结构示意图；

图5为本实用新型字轮水表采用二维码标识的字轮读数示意图；

图6为本实用新型所示二维码标识的数值上半部识别区和上半部间隔区的结构示意图（即图5中个位数值图像的上半部，且每组信息为3X3点阵方块的示意图）；

图7为对图6图像进行二值化处理后的图像信息示意图；

图8为表盘图像中每个字轮图片包含两组完整的定位信息的图像示意图（即图5中个位数值图像中每组信息为3X3点阵方块时的示意图）；

图9为表盘图像中每个字轮图片包含一组完整的定位信息的图像示意图；

图3中，1为字轮，2为驱动轴，3-0至3-9为二维码标识：3-0为数值0的二维码标识、3-1为数值1的二维码标识，3-2为数值2的二维码标识，3-3为数值3的二维码标识，3-4为数值4的二维码标识，3-5为数值5的二维码标识，3-6为数值6的二维码标识，3-7为数值7的二维码标识，3-8为数值8的二维码标识，3-9为数值9的二维码标识。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式并结合其附图对本实用新型进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本实用新型省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本实用新型。

如图3、图5和图6所示，本实用新型的一种基于二维码的直读式水表，所述直读式水表包括多个字轮，每个字轮圆周表面指代0～9的十个弧段上分别设置有对应数值0～9的二维码标识；所述二维码标识包括依次设置的数值上半部识别区、上半部间隔区、数值下半部识别区和下半部间隔区；所述数值上半部识别区和数值下半部识别区均包括二进制表示的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息；每一个数值0～9的二维码标识所包含的数值上半部识别区和数值下半部识别区的位数信息和数值信息是相同的。

如图3和图4所示，本实用新型的一种基于二维码的直读式水表抄表装置，包括直读式水表、抄表终端和远传通信模块，所述抄表终端用以对直读式水表进行抄表并通过远传通信模块将抄表信息发送给后台抄表管理系统，所述直读式水表包括多个字轮，每个字轮圆周表面指代0～9的十个弧段上分别设置有对应数值0～9的二维码标识；所述抄表终端包括摄像头、补光灯、单片机、存储器和RS485电路，所述摄像头正对直读式水表的表盘设置，所述补光灯设置在摄像头附近且光线射向直读式水表的表盘，所述单片机分别与摄像头、补光灯、存储器和RS485电路相连，所述RS485电路与远传通信模块相连。

如图4所示，所述单片机采用STM32F446单片机，所述摄像头采用OV2640摄像头，所述摄像头连接有24M有源晶振，所述存储器采用AT24C02存储芯片；所述单片机还连接有电源电路、25M有源晶振和Mbus电路。

单片机为抄表终端的核心，采用STM32F446单片机，该单片机的成本较低。它是ST公司生产的，采用ARM Cortex-M4 32位RISC核的32位MCU，其工作频率最高为180MHZ，含有512K闪存，128KSRAM，三个12位ADC，两个DAC，一个低功耗RTC，12个通用16位计时器以及两个32位通用计时器工作电压1.7V-3.6V，同时集成摄像头接口DCMI，能够非常方便的与OV2640连接。还有DMA控制器，其与DCMI结合，能够快速的将摄像头数据传输出去。

DCMI接口是一个同步并行接口，能够接收外部8位，10位，14位CMOS摄像头模块发出的高速数据流，可以支持YcbCr4:2:2/RGB565逐行视频和压缩数据(JPEG)。DCMI支持高速数据流，该接口包含14条数据线(D13-D0)和一条像素时钟线(PIXCLK)。像素时钟的极性可编程，因此可以在像素时钟的上升沿或下降沿捕获数据。DCMI还支持连续模式和快照模式。

DCMI支持DMA传输，摄像头接口每次在其寄存器中收到完整的32位数据块时，都将发一个DMA请求，由DMA将寄存器的值搬运到目的地址(SRAM或LCD)。本实用新型中配置DCMI为8位数据接口，PCLK为上升沿有效，设置帧中断，以及开启DMA功能。

摄像头采用200万像素的OV2640摄像头，既保证了拍摄照片的质量，又能与单片机通过DCMI接口连接，简化了系统电路，降低了成本。摄像头使用24M有源晶振，保证了摄像头数据的稳定性。

单片机通过电源控制电路，控制摄像头处于工作模式和低功耗模式，低功耗模式只有600μA，降低了系统待机功耗。补光灯保证在拍照时，能够拍摄到足够清晰的图像。存储器采用AT24C02，存储一些系统参数。Mbus电路保证供电和通讯使用两根线即可完成，方便现场施工和降低成本，同时可以使用RS485进行通讯。

如图3所示，每个字轮1均设置在驱动轴2上，在字轮1圆周表面依次设置有数值0的二维码标识3-0、数值1的二维码标识3-1、数值2的二维码标识3-2、数值3的二维码标识3-3、数值4的二维码标识3-4、数值5的二维码标识3-5、数值6的二维码标识3-6、数值7的二维码标识3-7、数值8的二维码标识3-8和数值9的二维码标识3-9。

如图5和图6所示，所述二维码标识包括依次设置的数值上半部识别区、上半部间隔区、数值下半部识别区和下半部间隔区；所述数值上半部识别区和数值下半部识别区均包括二进制表示的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息；每一个数值0～9的二维码标识所包含的数值上半部识别区和数值下半部识别区的位数信息和数值信息是相同的。

图2是传统字轮水表采用摄像图形识别的字轮图像示意图，它用摄像来识别的困难在于数字滚动过程中的识别，视觉识别技术来确定个位是“9”还是“8”需要用样本来训练。最难的是识别的是图2个位上的数值。如果要提高识别率，对不同的厂家，不同的字的位置、机械结构差异以及环境光线等都都需要训练样本，工作量很大，且有些样本只能在一定条件下进行。所以当如环境光线等条件变化，识别率就下降。本实用新型将字轮水表的字改为及其容易识别的二维码将彻底改变这些弱点，如图5所示。本实用新型识别原理：找到基准点，基于预期模型，进行黑白识别，进行相似程度判断，即使有较强的干扰-光线、灰尘、位置变动、字滚动等都基本没影响。

如图6所示，所述定位信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区的左上角三组信息和右下角三组信息，所述位数信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区右上角的三组信息，所述数值半部位置信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区中心位置的一组信息，所述数值信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区左下角的四组信息。

优选地，所述二维码标识粘贴或者印制在字轮圆周表面。

优选地，所述的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息中的每组信息为NXN点阵，N为大于等于3的正整数。在具体实施例中，本实用新型以每组信息为3X3点阵为例，如图5至图9所示。所述二维码标识包括依次设置的数值上半部识别区、上半部间隔区、数值下半部识别区和下半部间隔区；所述数值上半部识别区和数值下半部识别区均包括二进制表示的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息；每一个数值0～9的二维码标识所包含的数值上半部识别区和数值下半部识别区的位数信息和数值信息是相同的。所述定位信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区的左上角三组信息（图6中A1所在区域）和右下角三组信息（图6中A2所在区域），所述位数信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区右上角的三组信息（图6中B1、B2、B3所在区域），所述数值半部位置信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区中心位置的一组信息（图6中C所在区域），所述数值信息包括设置在数值上半部识别区或数值下半部识别区左下角的四组信息（图6中D1、D2、D3、D4所在区域）；所述的定位信息、位数信息、数值半部位置信息和数值信息中的每组信息为3X3点阵方块，如图8所示。

如图6和图7所示，本实用新型的二维码的点阵为15×15，它包含的信息：（1）定位信息，（2）位数信息，（3）数值半部位置信息，（4）水量的数值信息。每一个信息至少3×3点阵。其信息特点说明如下：

（1）定位信息

如图6所示，由左上角三组信息（111，即图6中A1所在区域）和右下角三组信息（111，即图6中A2所在区域）组成，每位一组有3×3点阵

（2）位数信息

如图6所示，由右上角的三组信息（图6中B1、B2、B3所在区域）组成，每一组有3×3点阵，3组信息可组成3位二进制数：001，010，011，100，101，110，111，分别表示1，2，3，4，5，6，7。图6所示的位数表示1，即位数为个位。国内字轮水表位数多数5位，也有7位的。

（3）数值半部位置信息

如图6所示，由中心位置的一组信息（图6中C所在区域）组成，0代表数值上半部识别区，1代表数值下半部识别区。图6所示的数值半部位置信息为0，即为数值上半部识别区。

（4）水量的数值信息

如图6所示，由左下角的四组信息（图6中D1、D2、D3、D4所在区域）组成，每一组有3×3点阵，4组信息组成4位二进制数：0000，0001，0010，0011,0100，0101,0110,0111，1000，1001，分别表示0，1，2，3，4，5，6，7，8，9。图6所示的水量的数值信息为7.

在上述4种信息的基础上，本实用新型设计了一幅二维码的信息图片，点阵为15×15。而摄像头在字轮表上每一位采集的点阵为36×15。这样为确保字轮水表数字在任何状态都能有该数字的信息，设计每一位数字上包含两幅信息，即数值上半部识别区和数值下半部识别区并采用上半部间隔区和下半部间隔区进行分开。

如图8和图9所示，假设字轮水表的读数个位数为“7”，则用二维码表示则为图8或图9所示。在轮旋转过程中，二维码的“7”总是能完整显示出来，当“7”后面的“8”完整出现，“7”才消失。可以根据要求确定此时刻的真实值，且采用此二维码识别精度足以达到0.1。

本实用新型通过将字轮水表的字改为及其容易识别的二维码将彻底克服了传统摄像式直读水表的识别率低和工作量大的不足，本实用新型采用二维码的识别技术对水表表盘图像的黑白识别，并进行相似程度判断，采用廉价摄像头的像素点点阵就能确定水表读数，其不仅不受光线、灰尘、位置变动、字滚动等各种外界因素的影响，抗干扰能力极强，而且减低了成本，满足了识别要求。

此外，本实用新型的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本实用新型的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本实用新型描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本实用新型可以对它们进行应用。因此，本实用新型所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。