【摘要】为了解决雨天公共大厅及走廊的地面湿滑问题，本文提出一种基于视频识别的地面干燥技术。该技术利用摄像头获取地面湿滑情况，利用matlab监控软件进行识别计算，利用单片机控制干燥风扇的启停与转速，监控软件与单片机之间通过串口连接。文中介绍了技术原理与所开发的原型验证系统，系统运行情况表明了该技术的可行性。
【关键词】视频识别;地面干燥; Matlab;单片机
1.引言
公共大厅及走廊平时人来熙攘川流不息，但下雨天由于鞋底沾带雨水，使得地面湿滑难行，安全事故易发，老人与孩子更是令人担心。由于地面湿滑引发的安全事故与法律纠纷也屡见报端。为了解决雨天室内地面湿滑问题，我们可以采用地面防滑溶剂或者推杆式地面烘干器，但是这两种方法都需要专人维护或者操作，自动化程度不高。有鉴于此，本文提出一种基于视频识别的地面干燥系统设计方案，该系统无需专人值守，可自动运行。本文围绕原型验证系统，介绍该技术的各个细节。
2.系统总体方案
本系统利用摄像头监视地面，通过地面色差识别潮湿区域。潮湿面积与潮湿下限设定进行比较后，确定是否需要鼓风干燥。干燥风扇采用开环比例控制，风扇转速正比于当前潮湿面积与下限设定值之差。系统每0.5秒钟采集一次图像，进行一次识别与控制计算，开启后可持续自动运行。系统由两部分组成：视频监控软件和干燥风扇单片机控制系统。监控软件利用Matlab开发，负责摄像头的驱动、潮湿面积识别、参数设定和实时信息显示，风扇控制系统是一个单片机系统，利用串行口与监控软件通讯，负责风扇的调速控制与测速。监控软件与单片机之间的通讯协议非常简单，每0.5秒互发一个字节的数据。监控软件下发数据给定风扇转速，取值范围在0～100之间，表示占最高转速的百分比。0表示停止干燥，100表示全速转动。单片机上传值表示测速值，单位为“转数/0.5秒”。
3.干燥风扇单片机控制系统
3.1 硬件设计
图1 风扇控制电路原理图
硬件主要解决风扇的驱动、调速与测速问题。原型验证系统采用CPU四线风扇，四条线分别是驱动电源（黄色）、驱动地（黑色）、调速（蓝色）与测速（绿色）。调速线接受PWM波输入，波形占空比对应最高转速百分比，测速线输出脉冲信号，风扇内部封装有霍尔传感器，每转一圈输出一个高电平脉冲，记录单位时间内的脉冲数，即可获得风扇的转速[1]。硬件电路原理图如图1所示。风扇利用12V稳压电源独立供电，通过继电器控制电源通断，从而控制风扇的启停，继电器利用P3.7口控制。调速PWM波形由P1.1口输出，测速脉冲信号引到P3.3外部中断INT1口，利用中断捕获脉冲信号。
3.2 单片机软件设计
单片机系统的任务主要有串行通讯、根据给定风扇转速启停风扇、生成调速PWM波和响应外部中断进行测速，程序架构采用基于中断的轮转结构[2]。主程序在完成初始化工作之后进入无限循环，先根据串口的最新数据启停继电器并确定PWM调速信号占空比，再判断0.5秒定时是否到达，如果到达则发送测速值。外部中断服务程序仅对测速脉冲进行计数，定时器0中断服务程序用于生成调速PWM波高低电平，并实现0.5秒计时。
3.3 基于继电器与定时器的风扇调速
对风扇我们采用继电器控电，PWM波调速和脉冲测速的控制方法。P1^1作为PWM波输出引脚，T0用作PWM波波形生成定时器。对定时器的初始化采用总线方式，TMOD=0x21，T0作为16位定时器用来控制中断。测控速由两个中断TF0与INT1（ET0=1.EX=1）实现，初始化时便打开总中断（EA=1）。风扇的12V供电电源接入继电器的常开触点，软件初始化时将继电器断开，此后根据PC机传输的信号更改状态值relaystat从而让单片机来处理继电器的开关。PWM是通过改变周期矩形波的占空比从而达到要求电压的一种调压方法。设风扇电机始终接通电源时的最大速度为Vmax，占空比为D，则平均转速为V=Vmax×D。在软件中，我们设定的PWM波周期为1000us，初始占空比为50%。设定定时器T0每1us溢出中断一次，计数变量click随中断每1us自增一次（click++）。设变量hightime为高电平持续时间，PWM波高低电平的生成程序为if（click>1000） click=0;if（click<=hightime）p11=1;else p11=0;。
3.4 基于外部中断的风扇测速
风扇的测速脉冲信号连接到P3^3口，通过响应外部中断可以记录脉冲数，测速定时利用定时器T0实现。由于计数器计数值被定义为字符型变量，最大值为255，不能满足0.5秒的定时需要，我们定义了三个计数器count1，count2和count3，通过循环嵌套实现0.5秒定时计数。在INT1中断服务程序中通过++pulsnum使脉冲次数加1，在主循环中通过以下代码使count3清零并获得测速值cesu：If（count3>=4）{count3=0;cesu=pulsnum; pulsnum=0;}。
3.5 基于串行口的通讯
原型系统采用通用异步收发器（UART）RS-232作为监控软件与单片机的通讯链路。数据接收方式采用查询法，发送采用0.5秒定时方式。T1用为可自动重装的8位定时器， 作为波特率发生器。SCON=0x50将串行口初始化为10位异步收发方式并且允许PC机向软件发送数据。波特率选定为9600bps，根据公式：
[2n-]
计算出的初值0xFD赋值给TH1和TL1。SMOD取值为0， PCON=0x00定义波特率不倍增。查询读取缓冲寄存器的代码为：if（RI==1） {EA=0;RI=0;tmpdata=SBUF;}，给定风扇转速被读取到tmpdata中。发送测速值cesu的代码为：SBUF=cesu; while（！TI）; TI = 0;。
4.基于视频识别的Matlab的监控软件
4.1 监控软件概述
监控软件是系统的人机接口，向用户显示地面及设备的状态信息，获取用户的参数设定。软件基于Matlab的GUIDE开发，完成的软件界面如图2所示。界面的右下方是监控区域的实时画面，以黑白二值图象显示干湿区域，白色表示干燥区域，黑色表示潮湿区域。界面左部是监控参数显示设定区，其中下限设定可通过鼠标操作修改。点击“启动干燥”按钮后，风扇会根据当前潮湿面积与下限设定值的大小自动运转，点击“停止干燥”按钮后，系统只监控地面状态，风扇停止运转。
图2 监控软件界面
4.2 基于定时器的定时监控操作实现
监控软件每0.5秒钟采集一次图像，进行识别与计算处理，还要随时响应用户的按钮操作，与单片机进行通讯，所以处理好软件的实时性和定时任务，是软件开发的基本工作。我们采用了Matlab的timer定时器实现定时任务，实时任务由相关控件的Callback函数处理[3]。在figure控件的OpeningFcn函数中，用代码handles.timer=timer（‘TimerFcn’， {@timerCallback， handles}， ‘ExecutionMode’， ‘fixedSpacing’，‘Period’， 0.5）; 初始化定时器，用代码start（handles.timer）;启动定时器。然后定义了timer的响应函数function timerCallback（hObject， eventdata， handles），在timerCallback中进行图像获取、潮湿面积识别、二值化图像显示、当前潮湿面积和风扇状态转速更新，同时根据按钮的点击情况确定是否向单片机发送转速指令。在figure控件的DeleteFcn函数中利用代码stop（handles.timer）; 对定时器进行关闭操作。
4.3 基于USB摄像头的潮湿面积识别技术
这部分内容主要包括两部分：Matlab环境下摄像头对象的操作和潮湿面积的识别。我们首先在figure控件的OpeningFcn函数中，用代码handles.obj=videoinput（"winvideo"，1，"YUY2_640x480"）;定义了摄像头对象，然后用start（handles.obj）;开启摄像头，随后在timerCallback中进行图像数据获取。与定时器对象类似，在figure控件的DeleteFcn函数中利用代码stop（handles.obj）;对摄像头进行关闭操作。潮湿面积的获取采用先对图像二值化后计算面积的方法[4]。通过framenow=getsnapshot（handles.obj）;获取图像，通过graynow=rgb2gray（framenow）;[level EM]=graythresh（graynow）;Bnow=im2bw（graynow，level）;获取二值化图像Bnow，通过imshow（Bnow）;显示二值化图像，通过arearatio=round（100-100*bwarea（Bnow）/bwarea（graynow））;计算潮湿面积百分比arearatio，再通过set（handles.text2，"string"， num2str（area ratio））;显示当前潮湿面积百分比。
图3 原型验证系统
4.4 基于串行通讯的风扇干燥控制
监控软件的最终功用是根据潮湿面积与设定值之差控制风扇，而风扇控制指令通过串行口发送给单片机。Matlab支持对串行口的访问，首先我们在figure控件的OpeningFcn函数中用代码handles.scom=serial （"COM1"）;定义了串行口对象，在设定相关参数handles.scom.Terminator="";handles.scom.InputBuffer Size=20;handles.scom.OutputBufferSize=20;handles.scom.Timeout=0.1;之后通过fopen（handles.Sco m）;打开串口。风扇给定转速fanspeed的发送采用fwrite（handles.scom，fanspeed）;，风扇测速值通过fancesu=fread（handles.scom）;读取。当然，串行口对象也要在figure控件的DeleteFcn函数中利用代码fclose（handles.scom）;进行关闭。风扇给定转速正比于当前潮湿面积与下限设定之差，相当于比例控制。下限设定值限于5%到90%之间，非法输入用程序进行纠正。
图4 运行试验测试曲线
5.原型验证系统及运行试验
5.1 原型验证系统概况
我们开发成功的原型验证系统见图3，型材框架的底部用水写纸模拟地面，水写纸的顶端装有风扇，框架顶部安装摄像头，单片机系统固定在框架上，监控计算机与摄像头和单片机相连。用水将纸打湿，启动监控软件，可以看到当前采集画面的二值化图像。当前潮湿面积为56%，潮湿面积下限设定为20%，干燥吹风状态为“停止”，转速为0转/分钟。点击“启动干燥”按钮后，干燥吹风状态变为“运行”，转速变为3800转/分钟。运行大概2分钟后，当前潮湿面积变为18%，干燥吹风状态再次变为“停止”，转速也变回0转/分钟。把潮湿面积下限设定更改为5%，风扇再次启动吹风，直至当前潮湿面积减小到4%停止。
5.2 调速与测速运行试验
为了验证整个系统的调速与测速效果，我们做了一个试验。利用串口大师模拟监控软件，按一定的规律下发转速给定值，然后与单片机上传的测速值进行比较，观察风扇的控制情况。运行试验测试曲线如图4所示。从图中可以看出，风扇很好地按照给定转速旋转，且具有一定的惯性和超调，说明风扇调速与测速环节的设计是成功的。
6.总结
本文围绕原型验证系统，介绍了一种基于视频识别的潮湿地面干燥技术。该系统可以识别地面潮湿情况，根据参数设定自动启动鼓风干燥，使地面保持干燥。系统自动化程度高，无需专人值守，可以弥补现有技术方案的不足，能广泛应用于宾馆、商场、餐厅、地下通道等室内公共场所，解决雨天鞋底沾水地面湿滑带来的安全问题，值得推广。
参考文献
[1]百度文库.4针CPU风扇原理[DB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/7a76a2fb0242a8956bece45b. html.2014-8-7.
[2]杨欣.51单片机应用从零开始[M].北京：清华大学出版社，2013.
[3]张志涌.精通 MATLAB6.5版[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[4]周品.Matlab图像处理与图形用户界面设计[M].北京：清华大学出版社，2013.
项目来源：上海理工大学2014年度校级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：XJ2014069）;项目组成员：许云霄、万航、郁凯、杨敬元、马怡楠、胡琦、缪吴霞、吕伟臻;项目指导老师：刘歌群。
