基于Hough变换和ZigBee传输技术的供配电远程数据管理系统

杨景炜，王建鑫

(1. 浙江智晟科技有限公司，浙江 台州 317000；2．浙江沪杭甬高速公路股份有限公司杭州管理处，杭州 310017)

基于Hough变换和ZigBee传输技术的供配电远程数据管理系统

杨景炜1，王建鑫2

(1. 浙江智晟科技有限公司，浙江 台州 317000；2．浙江沪杭甬高速公路股份有限公司杭州管理处，杭州 310017)

本系统采用Hough变换与ZigBee传输技术，建立高速公路供配电设备远程数据采集和信息管理系统。用以监测高速公路供配电设备的运行状态，可对高速公路收费系统、通信系统、隧道通风照明系统、监控系统及办公、生活设施等的电力设施提供有力的保障措施。

Hough变换；高速公路供配电设备数据采集；ZigBee传输；视频传感器技术

0 引 言

高速公路供配电设备是高速公路收费系统、通信系统、监控系统、隧道通风照明及办公、生活设施的电力保障。高速公路供配电房沿路分散分布，离监控中心或管理部门较远，管理和维护人员难以及时了解供配电屏与发电机组设备的实时状况。

目前在高速公路供配电房和发电机组设备中的仪表大部分是指针式仪表，为了远程掌握这些仪表的实时数据，浙江沪杭甬高速公路宁波管理处研发了“高速公路供配电设备远程数据采集和信息管理系统”。系统将获取的指针式仪表图像，转换成数字信号，通过Hough变换对仪表指针和表盘刻度进行图像识别，找出指针、圆心及对应读数。系统采用ZigBee无线技术传输实时监测数据，所有数据汇集到信息管理系统。研发的系统在沪杭甬高速公路大隐收费站供配电房经近三年的应用，运行正常，解决了对远端设备“最后一公里”的监管。经检测，系统能远程实时监测供配电屏和柴油发电机仪表读数，发现故障，可借助建立的专家系统及时排除，保障了供配电系统的正常运行，有效减低工作人员劳动强度，避免人为事故发生。

1 基于Hough变换的视频传感技术应用

Hough变换是图像处理中从图像中识别几何形状的基本方法，是使用表决原理的参数估计技术，其基本思想是将图像从实在空间域变换到Hough参数空间域，用满足大多数边界点的参数形式描述图像中的曲线，即利用图像空间和Hough参数空间的点——线对偶性，把图像空间中的检测问题转换到参数空间。Hough变换将图像空间内具有一定关系的像元进行聚类，寻找能把这些像元用某一解析形式联系的参数空间累积对应点，可用以检测已知形状的目标，受噪声和曲线间断影响小。Hough变换中的点——线对偶性的描述如图1所示。

图1 点—线的对偶性

图1中：x-y坐标中的点P1、P2对应于k-b坐标中的L1、L2；而k-b坐标中的点P0对应于x-y坐标中的线L0。图1体现了x-y坐标和k-b坐标有点—线的对偶性。

但对于x-y坐标中的垂直线，则k值为无穷大，给计算带来不便，故改使用点—正弦曲线对偶变换来解决这一问题。直角坐标x-y中的一点(x,y)，经过点—正弦曲线对偶变换为：

P=x×cosα+y×sinα

(1)

式(1)在坐标α-p中变为一条正弦曲线，α取(0-180°)。可以证明，直角坐标x-y中直线上的点经过Hough变换后，它们的正弦曲线在极坐标α-p有一个公共交点，如图2所示。

图2 直线y=x+20上的5个点对应在极

也就是说，极坐标α-p上的一点(α，p)，一一对应于直角坐标X-Y中的一条直线。

为了检测直角坐标x-y中由点所构成的直线，可将极坐标α-p量化成许多小格。根据直角坐标中每个点的坐标(x,y)，在α= 0～180°内以小格的步长计算各个p值，所得值落在某个小格内，便使该小格的累加记数器加1。当直角坐标中全部的点都变换后，对小格进行检验，计数值最大的小格，其(α，p)值即为直角坐标中所求直线。

本系统将摄像头获取的配电房指针式仪表图像二值化和预处理后，通过Hough变换[1]，对仪表指针和表盘刻度进行图像识别，从黑白图像中找出图中最长的直线表示仪表指针,并找出圆心以及仪表对应读数的短直线。在实际测试时，Hough变换把摄像机测得的读数的全局特征与特定形状的边缘连接起来，通过将仪表图像平面上的点映射到用于累加的参数空间上的线，实现对已知曲线的识别，通过统计特性来解决问题。检测结果表明，该算法具有较高的精度。

(1)对直线处理

一般物体平面图像的轮廓可近似为直线及弧的组合，直线是图像的基本特征之一。对仪表轮廓的检测与识别可以转化为对这些基元的检测与提取。用二维向量描述图像上的指针直线区域，则可将仪表指针区域计数器映射到参数空间中的存储单元，指针直线遍历图像的所有像素。首先判断对每个像素是否满足特定条件，若满足，则对经过该像素的所有直线区域的计数器加1，否则继续判断下个像素。为了得到经过某个像素的所有直线区域 ，可依次用参数所有可能取值，再借助此像素的坐标和直线的极坐标方程计算参数的值，而每一组就对应了一条经过此像素的直线区域。

(2)对圆处理

对仪表中图像处理除了检测直线还检测圆以及圆周的读数。检测圆通常需要计算圆形度、半径、圆心位置等圆参数。Hough变换的圆检测可靠性高，在噪声、变形、甚至部分区域丢失的状态下仍然能取得理想效果。假设在x-y平面检测并确定一个圆的参数，图像中待检测圆周点的集合为{(xi，yi)，其中i=1，2，3，…，n}，(x，y)为该集合中的一点，其在参数坐标系(a，b，r)中解析式(2)所示：

(a-xi)2+(b-yt)2=r2

(2)

本方案中通过降低参数空间的维数将Hough变换复杂度降低。对于仪表圆心和半径未知的情况，可采用下述方法判断：圆周上一点的法线必经过圆周，它的性能受梯度估计精确性的影响很大，尤其在信噪比下降时算法的性能会大大降低，基于二维中垂线进行圆形定位的算法会更正确。

环形的仪表图像决定了图像编码时用极坐标更为方便，因此需要对原图进行坐标变换，即图像归一化，其目的是将每幅原始图像调整到相同的尺寸和对应位置，从而消除平移、放缩和旋转对仪表读数识别的影响。

2 视频传感器节点

系统中采用了视频传感器对电表的指针图像进行处理、分析和识别，获取关键信息进行判断，实现视频信息的深度应用。设计具有视频信息采集、处理、传输等功能的视频传感器节点，最大限度满足大数据量、实时性要求高的信息的获取与处理。节点设计包含软硬件平台和附加功能。采用的视频传感器主要针对的是静止的仪表表面。现场应用表明，合理的视频传感器网络部署、节点调度策略、高效的监测覆盖、可靠的优化算法相当重要。采用了目标识别以及信息融合算法，有效压缩编码、特征提取，并结合数据同步及任务协同处理，减少网络业务流量，提高网络处理及响应速度，进而增强整个视频传感器网络监测能力。视频传感器软件包括：

(1)输入：从输入设备驱动程序获得视频图像。使用驱动程序提供的视频采集、调用，从输入设备可获得一帧新视频图像。输入任务接着发送消息到处理任务，消息中包含图像数据指针，等待输出任务发送来的消息以继续运行。

(2)处理：Hough变换将原始图像空间的给定的曲线通过曲线表达形式变为参数空间的一个点，把原始图像中给定曲线的检测问题转化为寻找参数空间中的峰值问题[2]。也即把检测整体特性转化为检测局部特性。比如直线、圆、弧线等。对接收到图像数据进行预处理，得出图像中待检测圆的细边缘，调用改进的Hough变换检测圆的参数，发送消息到输出任务，消息中包含经Hough变换检测后生成的图像数据指针，然后等待输入任务发送来的消息以继续运行。

(3)输出：将图像显示在显示设备上，使用驱动程序提供的视频显示调用实现图像的显示，接着发送消息到输入任务，等待处理任务发送来的消息以继续运行。

3 ZigBee技术实现现场检测数据的传输

本系统前端信息采集的传输采用ZigBee技术，只需很低的功耗以接力方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，通信效率高。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术是低功耗和低成本的技术，两节普通5号干电池可使用一年以上。同时由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点,也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务[3]。信道接入采用CSMA-CA方式，能有效减少帧冲突，提供数据完整性检查和鉴权功能,采用AES—128加密算法，干扰少，且协议简单,免收专利费。ZigBee采用直接序列扩频DSSS和频率捷变FA技术，提供数据完整性检查和鉴权功能,采用AES—128加密算法，干扰少和多路径能力强。可有效覆盖范围10～75m间,足以覆盖供配电房。

项目以ZigBee数据传输作为采集端通讯方式，采用B/S方式构建信息管理系统平台。在高速公路管理处设立供配电设备监控管理系统中心，负责全段高速公路供配发设备远程监视和设备维护管理，在各收费所设立监控点，负责相应所供配电设备数据采集和当地设备维护。所有的数据采集装置均随着一次系统的布置就地安装，管理处和收费所之间功能互不影响，构成了系统分层、功能分布、安装分散的供配电设备监控系统，管理处和收费所间以及各数据采集装置间均采用以太网通信，并通过网络式远动传输规约IEC870-5-103进行数据交互。

视频传感器网络是利用视频传感器和ZigBee网络组成有效的智能视频检测。采用数字摄像机，在1m范围内覆盖仪表，并以指针式仪表指针的两个端点在图像中的作出坐标，根据坐标求出指针指示示数对应值的范围；然后在指针端点附近提取一个小矩形；并在该矩形范围内采用了投影法确定出指针式仪表的具体读数，而后通过ZigBee网络将数据传输到中心平台[4]。

4 系统构成

4.1 整体架构

整体架构该系统主要由服务器、视频传感器、电量变送器、柴油机数据采集仪以及无线传输设备组成。整体架构如图3所示。

图3 整体架构

4.2 服务器软件平台

平台由计算机和系统软件组成，实现监测数据的接收、显示、统计、自动综合分析、存储、应用、发布,系统构建于现有网络平台。管理处可通过网络远程更新现场控制器上运行的程序，更改采集周期、存储方式等关键程序指标，或完全更新程序，以满足不同时期对现场监测的需要；管理人员可通过显示设备，了解现场监测情况；实现监测中心与监测现场设备间的双向通信，使监测中心可方便地了解现场设备状态，并可随时发送命令或更新现场设备上的应用程序。

软件平台采用B/S架构，能够实时接收、分析和显示出来各种硬件设备传输的相关参数。并根据各种相关的设定参数，检测整个系统是否处于正常运行的状态并发出预警，用户可通过IE直接获取到各设备的参数，如电压、电流、功率因数等，也可将数据转换成折线图进行分析或将数据导入EXCEL表格中。

对于视频传感器而言，摄像头采集到的电压表图像，通过传感器内部的算法，进行实时准确分析，得出最新的电压、电流、功率因数等数据，传输到服务器；对于电量变送器而言，在柴油发电机处于正常运行的情况下，采集和精确分析整个柴油发电机输出的电压以及工作的电流；对于柴油机数据采集仪而言，在柴油发电机运行时，实时采集柴油机本身的各种相关参数；对于ZigBee无线传输设备而言，系统中各设备与服务器间的指令及相关参数的传输，由ZigBee微控制器与RF收发器通过485接口与数字仪表相连。采用IEEE802.15.4低速率无线网络标准[5～6]。前端节点接受供配电房设备传来的信息，数据处理后通过ZigBee无线汇总到供配电房电脑,转发通信方式完全按系统数据传输标准进行短距离传输，再通过局域网将数据发到监测中心。

5 系统特点和创新点

5.1 系统特点

由于研发的系统是为了对供配电设备实行远程监控，因此在研发本系统时，紧密联系现场条件和管理者的需求，对各收费站供配电房进行实时的监控，以提高管理的效率。采用ZigBee技术，实现实时网络传输功能。只要IP资源足够，系统的扩展就不会受到限制，监控管理中心不需要增加投资。对关键应用和主干设备有适当的冗余；对数据库中的重要数据提供可靠的备份能力和恢复手段。支持国际工业标准和接口标准，采用标准通信协议、数据库管理系统和开发工具，利于二次开发和系统互联，最大程度地减少设备的使用数量，满足用户需求。

5.2 主要创新点

(1)目前供配电设备和柴油发动机组中广泛采用指针式电表，在直观、精度和价格方面有优势，解决了指针式电表远程读取数据的难题。

(2)根据安装位置和光照条件对视频传感器进行了算法优化。

(3)采用定向天线及加大传输功率，克服了现场环境信号干扰和供配电房墙壁阻隔造成数据丢失现象，达到理想的通讯效果。

(4)采用非接触方式应用视频传感器和电量传感器。

6 结 语

基于Hough变换的视频传感技术和采用ZigBee传输技术远程监测供配电仪表读数，既利于提高系统可靠性，又方便系统的检修维护。系统采用至下而上的以太网通信组网模式，具有抗干扰能力强、接口方便可靠、传输速率快的特点。可实现电网运行参数和状态的远方监视控制；实现对柴油发电机的运行监视、保护定值管理等功能。由于高速公路收费站呈分散型的线状分布，平时对供配电设备不可能全天候24小时值守，采用远程采集供配电数据，可减少维护人员工作强度，缩短事故处理时间，减少事故发生概率，提高供配电网的可靠性，具有较大的推广价值和应用前景。

[1]王国宏,孔敏,何友．Hough变换及其在信息处理中的应用[M]．北京:兵器工业出版社，2005.

[2]陈洪波,王强,徐晓蓉．用于线段特征提取的改进Hough变换[J]．计算机工程与应用,2004，(21):75-78．

[3]王小强,欧阳骏,黄宁淋．ZigBee无线传感器网络设计与实现[M]．北京:化学工业出版社,2012.

[4]崔逊学,左从菊．无线传感器网络简明教程[M]．北京:清华大学出版社,2009.

[5]谢健骊,李翠然，吴昊，等．物联网无线通信技术[M]．成都：西南交通大学出版社，2013.

[6]陈靖,刘京,曹喜信．深入理解视频编解码技术：基于H.264标准及参考模型[M]．北京:北京航空航天大学出版社,2012.

Remote Data Management System Based on Hough Transformation and ZigBee Transmission Technology for Power Supply Equipments

YANG Jing-wei1,WANG Jian-xin2

(1.Zhejiang ZISEN Technology Co., Ltd.,Taizhou 317000,China; 2.Zhejiang Hu-Hang-Yong Expressway Co., Ltd Hangzhou Office,Hangzhou 310017,China)

In this paper, remote data acquisition and management system for the power supply equipments of expressway based on both Hough transformation and ZigBee transmission technology, is introduced. Strong measure of safeguard can be provided for the power facilities used in toll collection systems, communication systems, tunnel ventilation lighting systems, supervising systems, offices, living facilities etc. in expressway by means of using this system to monitor the operating conditions for the power facilities of expressway.

hough transformation；data acquisition for the expressway power supply equipments；ZigBee Transmission；video sensor technology

2014-06-27

杨景炜(1969-),男，浙江温岭人，工程师，硕士，E-mail：13906564422@163.com。

U495

A ?

10.3969/j.issn.1671-234X.2014.03.012

1671-234X(2014)03-0056-05