基于樹莓派4B貨物分揀系統(tǒng)

Ⅰ[1]通過查閱資料統(tǒng)計(jì)了2012年至2019年快遞行業(yè)業(yè)務(wù)的總量趨勢(shì)圖。統(tǒng)計(jì)圖如下圖1-1.圖1.12012-2019年快遞業(yè)務(wù)總量趨勢(shì)圖如圖中所示，圖中2012年至2019年快遞業(yè)務(wù)總量每年都在以一個(gè)驚人的速度在上升，在2013年左右快遞業(yè)剛剛興起時(shí)，每一年的同比增長(zhǎng)達(dá)到了55.04%之多，到2016年中國(guó)快遞業(yè)務(wù)的總量就已超過300億件，雖然近幾年總比增長(zhǎng)有所下降，但每年的快遞業(yè)務(wù)總量的增加平均也是在70億件。我國(guó)是個(gè)名副其實(shí)的人口大國(guó)，如今人民日益美好生活需求不斷的提升，以至于我國(guó)近些年的快遞業(yè)務(wù)總量到達(dá)如此之高的區(qū)間?？删驮诳爝f量日益增長(zhǎng)的同時(shí)，自動(dòng)化水平卻沒有達(dá)到其相應(yīng)的要求，面對(duì)這些年快遞量如此龐大時(shí)，眾多的隱患也就浮出水面。常常新聞就有報(bào)道快遞丟失，快遞破損等，分揀中存在暴利分揀倒是的貨物破損等情況，特別是像雙十一、雙十二等購(gòu)物日如此龐大的訂單量，會(huì)給快遞業(yè)帶來巨大的壓力。圖1.2快遞服務(wù)申述情況圖根據(jù)圖1-2所示，我們可以看出在2020年下半年至2021年上半年丟失丟少與快遞損壞的占比達(dá)到了申訴中50%的情況。在這7個(gè)月中，缺失缺少總成的申訴件合計(jì)達(dá)到了3.3萬余件，在每個(gè)月勝訴占比20%到30%，且逐月都有上升趨勢(shì)。涉及損壞的件數(shù)有2.8萬余件，在申訴量中占比20%左右。在進(jìn)行具體查閱資料后，了解到快遞服務(wù)的申訴的壓力是隨之貨物量的增大而增大的。特別在每每購(gòu)物節(jié)幾天的日子里，快遞申訴量劇增，所以在如今快遞業(yè)如此大的壓力下，人工分揀已經(jīng)不再適應(yīng)于現(xiàn)在的科技發(fā)展，人工分揀的效率、出錯(cuò)率都是現(xiàn)階段存在的問題。使用自動(dòng)化高水平的機(jī)器代替人工分揀，可以明顯減少我國(guó)的快遞運(yùn)營(yíng)資金。1.2國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化快遞分揀的歷史發(fā)展與研究現(xiàn)狀自從提出“中國(guó)制造2025”，可以看到當(dāng)前對(duì)于自動(dòng)化機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展迅猛。但相較于國(guó)外的發(fā)展，我國(guó)的自動(dòng)化分揀技術(shù)發(fā)展起步較晚，目前已經(jīng)快追趕上世界先進(jìn)水平的技術(shù)。隨著近年來人工成本費(fèi)不斷的上升，自動(dòng)化分揀的發(fā)展是必然的趨勢(shì)。使用機(jī)器人來代替人工勞作，會(huì)使快遞分揀速度提高數(shù)倍，大大的減少了人工的勞動(dòng)力，讓人類解放了雙手，這也是人類科技的一大發(fā)展。作為全球最大的消費(fèi)和物流市場(chǎng)，中國(guó)擁有著龐大的消費(fèi)人群和堆積成山的貨物訂單量，為物流科技進(jìn)步提供了龐大的試驗(yàn)場(chǎng)。2017年10月，我國(guó)京東公司宣布建成了世界上首家所有過程無人倉(cāng)庫(kù)，主要依賴著機(jī)器人分揀與機(jī)器視覺其解決方案均是由杭州的?？低暪咎峁Ｈ娲媪斯と耸肇?、分揀、運(yùn)輸、卸貨等人工物流作業(yè)。倉(cāng)庫(kù)人員只需在終端進(jìn)行簡(jiǎn)單控制即可。目前我國(guó)各個(gè)行業(yè)如郵政、醫(yī)藥、圖書等配送中心都有自動(dòng)化著分揀機(jī)器，自動(dòng)化在人們的生活中無處不在，這是人類共同研究發(fā)展的科技成果。

第2章相關(guān)技術(shù)與開發(fā)環(huán)境2.1樹莓派硬件平臺(tái)2.1.1樹莓派主控板介紹樹莓派是由?！ざ蚱疹D為首與英國(guó)的慈善組織共同開發(fā)。于2012年3月正式發(fā)售，它是全世界最小的臺(tái)式機(jī)，大小猶如卡片般。卻擁有電腦的基本功能。它是一款基于ARM的微型點(diǎn)主板，搭載著博通公司研發(fā)的芯片，以SD卡位內(nèi)存硬盤，他同時(shí)擁有多個(gè)USB接口與千兆以太網(wǎng)接口，可以同時(shí)連接著鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、攝像頭，并且在最新發(fā)布的樹莓派4B中支持雙屏4K視頻輸出接口，以上設(shè)備全部整合在一張如信用卡大小的主板上?？梢杂脕碜霰砀?、做編程、看視頻等。2.1.2樹莓派4B主控板本系統(tǒng)使用的硬件平臺(tái)為樹莓派4B主控板。RaspberryPiB款提供了電腦板，無內(nèi)存、電源、鍵盤、機(jī)箱或連線。實(shí)物圖如下圖2-1.圖2-1樹莓派4B主控板2.2OneNET云平臺(tái)服務(wù)OneNET定位為PaaS服務(wù)，是一種開放性的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，能夠幫助開發(fā)者輕松完成設(shè)備的接入與聯(lián)通，其中提供的開發(fā)者中心，為開發(fā)者們提供了個(gè)性化的功能服務(wù)，他能夠適配例如HTTP、MQTT等多個(gè)主流協(xié)議，能夠支持用戶擁有私有加密方式的數(shù)據(jù)傳輸。登入OneNET，可以創(chuàng)建自己的產(chǎn)品，在創(chuàng)建生成的同時(shí)，會(huì)生成對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品ID、API-key，它們是作為設(shè)備與產(chǎn)品能夠連接的重要憑證。我們通過APP的程序客戶端能夠獲取云平臺(tái)中上傳的數(shù)據(jù)以用來對(duì)作APP端的數(shù)據(jù)內(nèi)容，以及可以做到對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

第3章自動(dòng)化分揀貨物系統(tǒng)需求分析3.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自動(dòng)化分揀貨物系統(tǒng)的作用在于無人環(huán)境下自動(dòng)的對(duì)貨物進(jìn)行高效準(zhǔn)確的分揀。整個(gè)系統(tǒng)是由多個(gè)部分組成，每個(gè)模塊都有自己的功能與任務(wù)，通過模塊劃分的模式管理能夠有效的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理與升級(jí)。本系統(tǒng)由主控模塊、圖像采集模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、分揀模塊、顯示模塊、輸送模塊、分倉(cāng)模塊組成。最后通過IP連接的方式連接到樹莓派，運(yùn)用Python程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。本系統(tǒng)的模塊作用如下：主控模塊:本系統(tǒng)采用樹莓派4B。它的主要功能是承擔(dān)著各個(gè)模塊的控制與通信，與后期的功能完善和升級(jí)。圖像采集模塊:采用較高像素的廣角CSI視頻接口攝像頭。本模塊的主要功能是通過有效識(shí)別貨物上二維碼，提取其中的內(nèi)容信息。驅(qū)動(dòng)模塊:采用了PCA9685驅(qū)動(dòng)板。本系統(tǒng)采用了多個(gè)舵機(jī)的設(shè)計(jì)，該模塊滿足控制16路PWM，能夠有效的控制舵機(jī)的角度進(jìn)行操作。分揀模塊:采用3自由度的機(jī)械臂。能夠有效的抓取貨物并安全擺放至輸送帶上。顯示模塊:采用PC顯示器。通過VNC遠(yuǎn)程登錄操作系統(tǒng)，方便操作。輸送模塊:采用傳送帶。通過PWM的控制能夠準(zhǔn)確把貨物傳送至掃描區(qū)，進(jìn)行貨物二維碼信息的采集。分倉(cāng)模塊:采用了SG90舵機(jī)。通過圖像采集模塊對(duì)于貨物識(shí)別二維碼后采集的貨物類別進(jìn)行調(diào)整舵機(jī)的角度使得貨物能夠分配到各自的倉(cāng)庫(kù)中。3.1.1主控模塊設(shè)計(jì)主控模塊是本系統(tǒng)的核心，它使得各個(gè)模塊能夠進(jìn)行通訊。樹莓派相對(duì)于STM32、STM51、Ardruino有著明顯的優(yōu)勢(shì)，它可以安裝完整的操作系統(tǒng)例如:Linux、Windows等系統(tǒng)并將其用作日常的計(jì)算機(jī)，內(nèi)置了wifi和藍(lán)牙，這使得我們可以輕松的將項(xiàng)目加入無線模式。相較于普通的單片機(jī)，它更是可以拍出500W像素的照片，這也是我選擇樹莓派4B作為此系統(tǒng)的主控模塊的原因。但它也有缺陷，普通的單片機(jī)可以有十幾路的PWM，但是樹莓派只有一個(gè)PWM，而本次系統(tǒng)我們需要使用4個(gè)PWM，但樹莓派可以擴(kuò)充許許多多的外設(shè)，我使用了PCA9685驅(qū)動(dòng)板，它配合樹莓派能夠驅(qū)動(dòng)多達(dá)16路的PWM，并且它能有效的穩(wěn)定電壓。樹莓派主控模塊如圖3-1，它十分小巧，就如一張卡片的大小。它支持多種語(yǔ)言例如Python、C、Java、Scratch等。圖3-1樹莓派實(shí)物圖樹莓派4B相較于之前幾代的機(jī)型可謂是全面的進(jìn)行升級(jí)。CPU的運(yùn)算能力大幅度的提升，從原來的A531.4GHz四核升級(jí)到A721.5GHz四核，而且內(nèi)存速度也大幅提升，直接升級(jí)到DDR4，最高支持到8G內(nèi)存，樹莓派3B只支持1G。另一個(gè)方面大的升級(jí)是輸入輸出接口上，樹莓派4B支持藍(lán)牙5.0、千兆以太網(wǎng)接口、兩個(gè)USB3.0接口、兩個(gè)USB2.0接口、兩個(gè)microHDMI接口，最大支持4K60Hz+1080P或者2x4K30Hz輸出，而且充電口也升級(jí)到了Type-C。下面是樹莓派4BGPIO的接口圖圖3-2.圖3-2樹莓派4BGPIO的接口圖3.1.2圖像采集模塊設(shè)計(jì)圖像采集模塊是本系統(tǒng)非常重要的模塊，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)需要識(shí)別二維碼才能夠提取其中信息進(jìn)行貨物分類。采用了500萬像素的攝像頭，搭載感光芯片OV5647，靜態(tài)圖片分辨率能夠達(dá)到2592×1944，支持1080p30，720p60，以及640×480p60/90視頻錄像，尺寸25mm×24mm×9mm。實(shí)物圖如下圖3-3.圖3-3攝像機(jī)實(shí)物圖3.1.3驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用PCA9685模塊，基于樹莓派提供的IIC通信接口的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)。支持16路PWM，可用于控制舵機(jī)、led、電機(jī)等設(shè)備,能夠大大節(jié)省主機(jī)的資源。實(shí)物圖如下圖3-4。圖3-4PCA9685驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)物圖一般情況下，使用內(nèi)置晶振為25MHZ，通過配置內(nèi)部的PRE_SCALE寄存器進(jìn)行配置，配置的PRE_SCALE的值與PWM頻率的關(guān)系如下公式所示:P其公式中，osc_clock代表時(shí)鐘，可以根據(jù)寄存器的設(shè)置選擇類別或者外部update_rate為頻率，頻率一般設(shè)置為50HZ，周期為20ms。注意：實(shí)際應(yīng)用中若發(fā)現(xiàn)有誤差，需要加入校準(zhǔn)，要把update_rate乘以0.915。PCA9685模塊的原理圖如下圖3-5。圖3-5PCA9685模塊原理圖3.1.4分揀模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的分揀模塊使用了機(jī)械臂來進(jìn)行分揀，機(jī)械臂會(huì)自動(dòng)抓取貨架臺(tái)上的貨物接著放置傳送模塊上進(jìn)行下一步分揀步驟，在主控模塊中設(shè)置抓取的速度與角度，在抓取完一個(gè)貨物后需要等待圖像采集模塊采集貨物中二維碼的信息以及傳送模塊把貨物輸送至分類模塊后才會(huì)進(jìn)行對(duì)下一個(gè)貨物的抓取。機(jī)械臂上也是搭載著多個(gè)SG90舵機(jī)進(jìn)行部位活動(dòng)。分揀模塊如圖3-6所示:圖3-6三自由度機(jī)械臂

第4章貨物分揀系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案4.1系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的搭建對(duì)比普通的單片機(jī)來說樹莓派本身是不包含系統(tǒng)，需要自行的去下載并安裝系統(tǒng)，然后配置其需要的環(huán)境，才能夠開發(fā)本系統(tǒng)。4.1.1安裝官方系統(tǒng)根據(jù)用戶的需求，可以為樹莓派安裝自己的操作系統(tǒng)，例如：Windoows、Linux等系統(tǒng)，本次課題的設(shè)計(jì)選擇了官方的Linux鏡像來作為樹莓派4B的安裝系統(tǒng)。我們直接將操作系統(tǒng)鏡像寫入SD卡后，連接顯示器鼠標(biāo)等進(jìn)行開機(jī)測(cè)試。下面是開機(jī)測(cè)試圖4-1。圖4-1樹莓派開機(jī)測(cè)試圖能夠成功顯示到此頁(yè)面，我們燒錄系統(tǒng)成功完成了官方的系統(tǒng)安裝，接下來進(jìn)行進(jìn)一步的配置。4.1.2VNC局域網(wǎng)遠(yuǎn)程控制桌面首先我們需要在樹莓派端配置VNC服務(wù)，我們進(jìn)入樹莓派終端輸入sudoraspi-config進(jìn)行對(duì)樹莓派的配置。我們選擇到InterfacingOptions然后到VNC服務(wù)進(jìn)行開啟。如下圖4-2.圖4-2啟動(dòng)VNC服務(wù)然后我們來到PC端打開遠(yuǎn)程桌面軟件VNC創(chuàng)建一個(gè)新的連接進(jìn)行配置，輸入我們樹莓派的IP地址即可。如下圖4-3.圖4-3PC端連接VNC服務(wù)4.1.3OpenCV的運(yùn)行環(huán)境搭建本系統(tǒng)需要對(duì)二維碼進(jìn)行識(shí)別，所以我們需要對(duì)OpenCV的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行搭建，我們首先測(cè)試一下相機(jī)是否能正常工作。打開終端輸入vcgencmdget-camera若返回supported=1detected=1表示攝像頭連接成功。測(cè)試圖如下圖4-4.圖4-4測(cè)試相機(jī)功能接下來我們需要安裝OpenCV所需要的庫(kù),接下來就可以進(jìn)行安裝OpenCV輸入sudopip3install安裝指令進(jìn)行安裝，下載速度會(huì)相對(duì)慢一些。最終我們完成了安裝，再進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試。測(cè)試圖如下圖4-5.圖4-5測(cè)試OpenCv的安裝我們進(jìn)入到python3下importcv2后成功返回了版本號(hào)，表面我們成功安裝OpenCv。4.2系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)將程序分成了各個(gè)部分進(jìn)行了整合，主要包括圖像識(shí)別模塊設(shè)計(jì)、分揀模塊的程序設(shè)計(jì)、傳送帶傳動(dòng)模塊設(shè)計(jì)、分配倉(cāng)庫(kù)倉(cāng)庫(kù)模塊，將這個(gè)模塊進(jìn)行了分塊化的處理，大大便利了后期的維護(hù)與更新。4.2.1分揀模塊的程序設(shè)計(jì)通過紅外傳感器與機(jī)械臂的配合來組成分揀模塊，紅外傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)貨架上是否還有貨物，若有貨物即發(fā)送信號(hào)，使得機(jī)械臂有下一步操作，若沒有貨物機(jī)械臂也將停止活動(dòng)。機(jī)械臂的抓取速度是根據(jù)PWM占空比來調(diào)整，這樣能夠準(zhǔn)確控制抓取的速度。分揀模塊的程序設(shè)計(jì)流程如下圖4-6.圖4-6分揀模塊的程序設(shè)計(jì)流程4.2.2傳送帶傳動(dòng)模塊設(shè)計(jì)傳說帶傳動(dòng)模塊是由SG90舵機(jī)來進(jìn)行傳送的，用舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)傳輸帶的運(yùn)轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的輸送，輸送至攝像區(qū)域進(jìn)行操作。傳送帶傳動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)流程如下圖4-6.圖4-7傳送帶傳動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)流程圖4.2.3圖像識(shí)別模塊設(shè)計(jì)通過我們的程序啟動(dòng)相機(jī)模塊，使得攝像內(nèi)容能在屏幕中顯示，在之前搭建的OpenCV的視覺庫(kù)中完成對(duì)貨物上二維碼的識(shí)別以及提取其中的信息內(nèi)容，最后通過判斷其信息后進(jìn)行傳輸。圖像識(shí)別模塊設(shè)計(jì)流程圖如下圖4-8.圖4-8圖像識(shí)別模塊設(shè)計(jì)流程圖4.2.4分倉(cāng)模塊設(shè)計(jì)通過圖像識(shí)別模塊提取的信息，根據(jù)識(shí)別信息中的類別來進(jìn)行對(duì)于分倉(cāng)的分類操作，分類是通過舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的不同角度來實(shí)現(xiàn)的，從而分配到不同的倉(cāng)庫(kù)中完成最后的分揀作業(yè)。設(shè)置了45度、90度、135度，分別對(duì)應(yīng)了自定義的食物倉(cāng)庫(kù)、日常用品倉(cāng)庫(kù)、和其他倉(cāng)庫(kù)。具體分倉(cāng)模塊的設(shè)計(jì)流程如圖4-9.圖4-9分倉(cāng)模塊的設(shè)計(jì)流程4.3OneNet的應(yīng)用Onenet是由中國(guó)移動(dòng)打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)。平臺(tái)能夠幫助開發(fā)者輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接，提供綜合性的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)五六萬設(shè)備的數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，數(shù)據(jù)展現(xiàn)。首先我們先打開onenet平臺(tái)的官方網(wǎng)址，注冊(cè)賬號(hào)，進(jìn)入到控制臺(tái)頁(yè)面，選擇到HTTP協(xié)議產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)建產(chǎn)品，輸入產(chǎn)品名稱，和產(chǎn)品類別等信息進(jìn)行創(chuàng)建。創(chuàng)建后系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)分配對(duì)應(yīng)的設(shè)備ID，連接設(shè)備的APIKey，客戶端會(huì)通過APIkey來上傳到指定設(shè)備。Onnet支持?jǐn)?shù)據(jù)上傳格式為JSON數(shù)據(jù)格式，下載也是JSON格式的數(shù)據(jù)。4.3.1OneNet的數(shù)據(jù)傳遞首先我們?cè)诋a(chǎn)品頁(yè)面中創(chuàng)建數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流就是為了客戶端上傳數(shù)據(jù)點(diǎn)或數(shù)據(jù)流準(zhǔn)備的，我們需要指定其相應(yīng)的名字，如名稱、溫度等等。代碼如圖4-3所示.圖4-10測(cè)試OneNet數(shù)據(jù)獲取4.4微信小程序設(shè)計(jì)最后我們使用微信小程序作為貨物分揀系統(tǒng)的客戶端，微信小程序是人們?nèi)粘Ｖ谐３?huì)用到的應(yīng)用，作為客戶端十分的便利功能也十分強(qiáng)大。下面是我微信小程序整體的設(shè)計(jì)頁(yè)面圖4-11?？偣苍O(shè)計(jì)了6個(gè)子頁(yè)面，分別是二維碼生成頁(yè)面、掃描查詢頁(yè)面、歷史記錄頁(yè)面、實(shí)時(shí)監(jiān)控頁(yè)面和控制速度頁(yè)面。圖4-11小程序整體的設(shè)計(jì)頁(yè)面4.4.1獲取onenet數(shù)據(jù)由于我們的設(shè)備是通過HTTP協(xié)議連接到onenet平臺(tái)，微信小程序獲取OneNet數(shù)據(jù)需要得到產(chǎn)品的APIKey和設(shè)備ID，例如我們需要獲取數(shù)據(jù)流中的貨物名稱name，我們需要在客戶端發(fā)送API請(qǐng)求，即可獲取到OneNet中存在的數(shù)據(jù)。4.4.2二維碼生成頁(yè)面二維碼生成頁(yè)面可以根據(jù)用戶自定義的內(nèi)容，快速一鍵生成靜態(tài)的二維碼，用戶可以點(diǎn)擊二維碼的圖片進(jìn)行下載圖片保存。二維碼生成頁(yè)面圖如下圖4-12.圖4-12小程序端二維碼生成頁(yè)面