【《基于树莓派的自动化分拣货物系统设计与实现》8100字（论文）】

[1]通过查阅资料统计了2012年至2019年快递行业业务的总量趋势图。统计图如下图1-1.图1.12012-2019年快递业务总量趋势图如图中所示，图中2012年至2019年快递业务总量每年都在以一个惊人的速度在上升，在2013年左右快递业刚刚兴起时，每一年的同比增长达到了55.04%之多，到2016年中国快递业务的总量就已超过300亿件，虽然近几年总比增长有所下降，但每年的快递业务总量的增加平均也是在70亿件。我国是个名副其实的人口大国，如今人民日益美好生活需求不断的提升，以至于我国近些年的快递业务总量到达如此之高的区间。可就在快递量日益增长的同时，自动化水平却没有达到其相应的要求，面对这些年快递量如此庞大时，众多的隐患也就浮出水面。常常新闻就有报道快递丢失，快递破损等，分拣中存在暴利分拣倒是的货物破损等情况，特别是像双十一、双十二等购物日如此庞大的订单量，会给快递业带来巨大的压力。图1.2快递服务申述情况图根据图1-2所示，我们可以看出在2020年下半年至2021年上半年丢失丢少与快递损坏的占比达到了申诉中50%的情况。在这7个月中，缺失缺少总成的申诉件合计达到了3.3万余件，在每个月胜诉占比20%到30%，且逐月都有上升趋势。涉及损坏的件数有2.8万余件，在申诉量中占比20%左右。在进行具体查阅资料后，了解到快递服务的申诉的压力是随之货物量的增大而增大的。特别在每每购物节几天的日子里，快递申诉量剧增，所以在如今快递业如此大的压力下，人工分拣已经不再适应于现在的科技发展，人工分拣的效率、出错率都是现阶段存在的问题。使用自动化高水平的机器代替人工分拣，可以明显减少我国的快递运营资金。1.2国内外自动化快递分拣的历史发展与研究现状自从提出“中国制造2025”，可以看到当前对于自动化机械制造业的发展迅猛。但相较于国外的发展，我国的自动化分拣技术发展起步较晚，目前已经快追赶上世界先进水平的技术。随着近年来人工成本费不断的上升，自动化分拣的发展是必然的趋势。使用机器人来代替人工劳作，会使快递分拣速度提高数倍，大大的减少了人工的劳动力，让人类解放了双手，这也是人类科技的一大发展。作为全球最大的消费和物流市场，中国拥有着庞大的消费人群和堆积成山的货物订单量，为物流科技进步提供了庞大的试验场。2017年10月，我国京东公司宣布建成了世界上首家所有过程无人仓库，主要依赖着机器人分拣与机器视觉其解决方案均是由杭州的海康威视公司提供。全面代替了工人收货、分拣、运输、卸货等人工物流作业。仓库人员只需在终端进行简单控制即可。目前我国各个行业如邮政、医药、图书等配送中心都有自动化着分拣机器，自动化在人们的生活中无处不在，这是人类共同研究发展的科技成果。第2章相关技术与开发环境2.1树莓派硬件平台2.1.1树莓派主控板介绍树莓派是由埃·厄普顿为首与英国的慈善组织共同开发。于2012年3月正式发售，它是全世界最小的台式机，大小犹如卡片般。却拥有电脑的基本功能。它是一款基于ARM的微型点主板，搭载着博通公司研发的芯片，以SD卡位内存硬盘，他同时拥有多个USB接口与千兆以太网接口，可以同时连接着键盘、鼠标、显示器、摄像头，并且在最新发布的树莓派4B中支持双屏4K视频输出接口，以上设备全部整合在一张如信用卡大小的主板上。可以用来做表格、做编程、看视频等。2.1.2树莓派4B主控板本系统使用的硬件平台为树莓派4B主控板。RaspberryPiB款提供了电脑板，无内存、电源、键盘、机箱或连线。实物图如下图2-1.图2-1树莓派4B主控板2.2OneNET云平台服务OneNET定位为PaaS服务，是一种开放性的物联网平台，能够帮助开发者轻松完成设备的接入与联通，其中提供的开发者中心，为开发者们提供了个性化的功能服务，他能够适配例如HTTP、MQTT等多个主流协议，能够支持用户拥有私有加密方式的数据传输。登入OneNET，可以创建自己的产品，在创建生成的同时，会生成对应的产品ID、API-key，它们是作为设备与产品能够连接的重要凭证。我们通过APP的程序客户端能够获取云平台中上传的数据以用来对作APP端的数据内容，以及可以做到对设备的远程控制。第3章自动化分拣货物系统需求分析3.1系统整体结构设计自动化分拣货物系统的作用在于无人环境下自动的对货物进行高效准确的分拣。整个系统是由多个部分组成，每个模块都有自己的功能与任务，通过模块划分的模式管理能够有效的对系统进行管理与升级。本系统由主控模块、图像采集模块、驱动模块、分拣模块、显示模块、输送模块、分仓模块组成。最后通过IP连接的方式连接到树莓派，运用Python程序设计实现整个系统的功能。本系统的模块作用如下：主控模块:本系统采用树莓派4B。它的主要功能是承担着各个模块的控制与通信，与后期的功能完善和升级。图像采集模块:采用较高像素的广角CSI视频接口摄像头。本模块的主要功能是通过有效识别货物上二维码，提取其中的内容信息。驱动模块:采用了PCA9685驱动板。本系统采用了多个舵机的设计，该模块满足控制16路PWM，能够有效的控制舵机的角度进行操作。分拣模块:采用3自由度的机械臂。能够有效的抓取货物并安全摆放至输送带上。显示模块:采用PC显示器。通过VNC远程登录操作系统，方便操作。输送模块:采用传送带。通过PWM的控制能够准确把货物传送至扫描区，进行货物二维码信息的采集。分仓模块:采用了SG90舵机。通过图像采集模块对于货物识别二维码后采集的货物类别进行调整舵机的角度使得货物能够分配到各自的仓库中。3.1.1主控模块设计主控模块是本系统的核心，它使得各个模块能够进行通讯。树莓派相对于STM32、STM51、Ardruino有着明显的优势，它可以安装完整的操作系统例如:Linux、Windows等系统并将其用作日常的计算机，内置了wifi和蓝牙，这使得我们可以轻松的将项目加入无线模式。相较于普通的单片机，它更是可以拍出500W像素的照片，这也是我选择树莓派4B作为此系统的主控模块的原因。但它也有缺陷，普通的单片机可以有十几路的PWM，但是树莓派只有一个PWM，而本次系统我们需要使用4个PWM，但树莓派可以扩充许许多多的外设，我使用了PCA9685驱动板，它配合树莓派能够驱动多达16路的PWM，并且它能有效的稳定电压。树莓派主控模块如图3-1，它十分小巧，就如一张卡片的大小。它支持多种语言例如Python、C、Java、Scratch等。图3-1树莓派实物图树莓派4B相较于之前几代的机型可谓是全面的进行升级。CPU的运算能力大幅度的提升，从原来的A531.4GHz四核升级到A721.5GHz四核，而且内存速度也大幅提升，直接升级到DDR4，最高支持到8G内存，树莓派3B只支持1G。另一个方面大的升级是输入输出接口上，树莓派4B支持蓝牙5.0、千兆以太网接口、两个USB3.0接口、两个USB2.0接口、两个microHDMI接口，最大支持4K60Hz+1080P或者2x4K30Hz输出，而且充电口也升级到了Type-C。下面是树莓派4BGPIO的接口图图3-2.图3-2树莓派4BGPIO的接口图3.1.2图像采集模块设计图像采集模块是本系统非常重要的模块，因为本系统需要识别二维码才能够提取其中信息进行货物分类。采用了500万像素的摄像头，搭载感光芯片OV5647，静态图片分辨率能够达到2592×1944，支持1080p30，720p60，以及640×480p60/90视频录像，尺寸25mm×24mm×9mm。实物图如下图3-3.图3-3摄像机实物图3.1.3驱动模块设计本系统采用PCA9685模块，基于树莓派提供的IIC通信接口的基础上实现的驱动。支持16路PWM，可用于控制舵机、led、电机等设备,能够大大节省主机的资源。实物图如下图3-4。图3-4PCA9685驱动模块实物图一般情况下，使用内置晶振为25MHZ，通过配置内部的PRE_SCALE寄存器进行配置，配置的PRE_SCALE的值与PWM频率的关系如下公式所示:Prescalevalue=round其公式中，osc_clock代表时钟，可以根据寄存器的设置选择类别或者外部update_rate为频率，频率一般设置为50HZ，周期为20ms。注意：实际应用中若发现有误差，需要加入校准，要把update_rate乘以0.915。PCA9685模块的原理图如下图3-5。图3-5PCA9685模块原理图3.1.4分拣模块设计本系统的分拣模块使用了机械臂来进行分拣，机械臂会自动抓取货架台上的货物接着放置传送模块上进行下一步分拣步骤，在主控模块中设置抓取的速度与角度，在抓取完一个货物后需要等待图像采集模块采集货物中二维码的信息以及传送模块把货物输送至分类模块后才会进行对下一个货物的抓取。机械臂上也是搭载着多个SG90舵机进行部位活动。分拣模块如图3-6所示:图3-6三自由度机械臂

第4章货物分拣系统的软件设计方案4.1系统运行环境的搭建对比普通的单片机来说树莓派本身是不包含系统，需要自行的去下载并安装系统，然后配置其需要的环境，才能够开发本系统。4.1.1安装官方系统根据用户的需求，可以为树莓派安装自己的操作系统，例如：Windoows、Linux等系统，本次课题的设计选择了官方的Linux镜像来作为树莓派4B的安装系统。我们直接将操作系统镜像写入SD卡后，连接显示器鼠标等进行开机测试。下面是开机测试图4-1。图4-1树莓派开机测试图能够成功显示到此页面，我们烧录系统成功完成了官方的系统安装，接下来进行进一步的配置。4.1.2VNC局域网远程控制桌面首先我们需要在树莓派端配置VNC服务，我们进入树莓派终端输入sudoraspi-config进行对树莓派的配置。我们选择到InterfacingOptions然后到VNC服务进行开启。如下图4-2.图4-2启动VNC服务然后我们来到PC端打开远程桌面软件VNC创建一个新的连接进行配置，输入我们树莓派的IP地址即可。如下图4-3.图4-3PC端连接VNC服务4.1.3OpenCV的运行环境搭建本系统需要对二维码进行识别，所以我们需要对OpenCV的运行环境进行搭建，我们首先测试一下相机是否能正常工作。打开终端输入vcgencmdget-camera若返回supported=1detected=1表示摄像头连接成功。测试图如下图4-4.图4-4测试相机功能接下来我们需要安装OpenCV所需要的库,接下来就可以进行安装OpenCV输入sudopip3install安装指令进行安装，下载速度会相对慢一些。最终我们完成了安装，再进行一个简单的测试。测试图如下图4-5.图4-5测试OpenCv的安装我们进入到python3下importcv2后成功返回了版本号，表面我们成功安装OpenCv。4.2系统程序设计本系统将程序分成了各个部分进行了整合，主要包括图像识别模块设计、分拣模块的程序设计、传送带传动模块设计、分配仓库仓库模块，将这个模块进行了分块化的处理，大大便利了后期的维护与更新。4.2.1分拣模块的程序设计通过红外传感器与机械臂的配合来组成分拣模块，红外传感器负责检测货架上是否还有货物，若有货物即发送信号，使得机械臂有下一步操作，若没有货物机械臂也将停止活动。机械臂的抓取速度是根据PWM占空比来调整，这样能够准确控制抓取的速度。分拣模块的程序设计流程如下图4-6.图4-6分拣模块的程序设计流程4.2.2传送带传动模块设计传说带传动模块是由SG90舵机来进行传送的，用舵机的转动带动传输带的运转从而实现对货物的输送，输送至摄像区域进行操作。传送带传动模块的设计流程如下图4-6.图4-7传送带传动模块的设计流程图4.2.3图像识别模块设计通过我们的程序启动相机模块，使得摄像内容能在屏幕中显示，在之前搭建的OpenCV的视觉库中完成对货物上二维码的识别以及提取其中的信息内容，最后通过判断其信息后进行传输。图像识别模块设计流程图如下图4-8.图4-8图像识别模块设计流程图4.2.4分仓模块设计通过图像识别模块提取的信息，根据识别信息中的类别来进行对于分仓的分类操作，分类是通过舵机转动的不同角度来实现的，从而分配到不同的仓库中完成最后的分拣作业。设置了45度、90度、135度，分别对应了自定义的食物仓库、日常用品仓库、和其他仓库。具体分仓模块的设计流程如图4-9.图4-9分仓模块的设计流程4.3OneNet的应用Onenet是由中国移动打造的PaaS物联网开放平台。平台能够帮助开发者轻松实现设备接入与设备连接，提供综合性的物联网解决方案，能够实现五六万设备的数据获取，数据储存，数据展现。首先我们先打开onenet平台的官方网址，注册账号，进入到控制台页面，选择到HTTP协议产品进行创建产品，输入产品名称，和产品类别等信息进行创建。创建后系统就会自动分配对应的设备ID，连接设备的APIKey，客户端会通过APIkey来上传到指定设备。Onnet支持数据上传格式为JSON数据格式，下载也是JSON格式的数据。4.3.1OneNet的数据传递首先我们在产品页面中创建数据流，数据流就是为了客户端上传数据点或数据流准备的，我们需要指定其相应的名字，如名称、温度等等。代码如图4-3所示.图4-10测试OneNet数据获取4.4微信小程序设计最后我们使用微信小程序作为货物分拣系统的客户端，微信小程序是人们日常中常常会用到的应用，作为客户端十分的便利功能也十分强大。下面是我微信小程序整体的设计页面图4-11。总共设计了6个子页面，分别是二维码生成页面、扫描查询页面、历史记录页面、实时监控页面和控制速度页面。图4-11小程序整体的设计页面4.4.1获取onenet数据由于我们的设备是通过HTTP协议连接到onenet平台，微信小程序获取OneNet数据需要得到产品的APIKey和设备ID，例如我们需要获取数据流中的货物名称name，我们需要在客户端发送API请求，即可获取到OneNet中存在的数据。4.4.2二维码生成页面二维码生成页面可以根据用户自定义的内容，快速一键生成静态的二维码，用户可以点击二维码的图片进行下载图片保存。二维码生成页面图如下图4-12.图4-12小程序端二维码生成页面