智能倉庫的設(shè)計(jì)通過分析傳統(tǒng)倉庫功能，以STM32為主控芯片，搭配使用各種傳感器模塊采集數(shù)據(jù)，通過ESP8266聯(lián)網(wǎng)芯片將數(shù)據(jù)上傳至機(jī)智云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和聯(lián)網(wǎng)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新性引入機(jī)智云平臺(tái)，讓普通的設(shè)備變成物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，可以有效提高倉庫管理，通過人臉識(shí)別的檢測(cè)方式和物品的自動(dòng)分揀，提升倉庫系統(tǒng)的安全性和自動(dòng)化，并且支持手機(jī)app程序操控、顯示屏觸摸操控和語音聲控3種操作方式。

01 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能倉庫系統(tǒng)通過各類傳感器采集實(shí)時(shí)信息，經(jīng)由主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后傳送至聯(lián)網(wǎng)芯片，通過和云端服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)。

系統(tǒng)分為三大模塊：

①數(shù)據(jù)采集：使用DTH11采集溫濕度、煙霧傳感器檢測(cè)是否出現(xiàn)煙霧、舵機(jī)或熱釋電傳感器檢測(cè)門禁信息。

②數(shù)據(jù)處理：使用STM32F429作為系統(tǒng)的主控芯片，通過串口與其他部分進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化。

③數(shù)據(jù)上行與下發(fā)：主控芯片處理數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)操作，將數(shù)據(jù)上報(bào)至HMI顯示屏，并通過Wi-Fi發(fā)送至機(jī)智云平臺(tái)，平臺(tái)在收到數(shù)據(jù)后進(jìn)一步將數(shù)據(jù)發(fā)送至app。主控芯片在接收到操作指令后通過串口控制外設(shè)。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如下所示：

倉庫智能安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

主控與顯示部分設(shè)計(jì)

STM32F429IGT6作為主控芯片用以處理各個(gè)模塊傳感器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并通過相應(yīng)的編程程序?qū)崿F(xiàn)運(yùn)算處理，有豐富的片上資源，能夠支持使用固件庫開發(fā)編程。該芯片接口多，可以連接許多外設(shè)，總共有8個(gè)串口，因此可以通過串口將不同的模塊連接，實(shí)現(xiàn)多路的數(shù)據(jù)采集并集中處理。

STM32F429IGT6主控芯片

HMI串口屏設(shè)計(jì)的人機(jī)互動(dòng)界面共7個(gè)頁面，每個(gè)頁面實(shí)現(xiàn)不同的功能，包括有解鎖界面、系統(tǒng)界面、燈光界面、溫濕度及空調(diào)界面、煙霧檢測(cè)界面、圖像識(shí)別界面、人臉識(shí)別界面。部分界面效果截圖如圖2所示。

物聯(lián)網(wǎng)部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過聯(lián)網(wǎng)模塊ESP8266接入機(jī)智云平臺(tái)的服務(wù)器后，app實(shí)現(xiàn)2個(gè)功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)模塊的工作情況，觀察系統(tǒng)實(shí)時(shí)收集并上報(bào)的數(shù)據(jù)；發(fā)送對(duì)應(yīng)的指令至機(jī)智云平臺(tái)，機(jī)智云平臺(tái)在接收并處理完相應(yīng)的指令之后再轉(zhuǎn)發(fā)至聯(lián)網(wǎng)模塊，最后聯(lián)網(wǎng)模塊通過串口和系統(tǒng)進(jìn)行通信，系統(tǒng)接收到指令之后控制外設(shè)執(zhí)行相應(yīng)的操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。

語音與圖像處理設(shè)計(jì)

LD3320具有非特定人語音識(shí)別技術(shù)，是一顆穩(wěn)定性強(qiáng)且識(shí)別精度較高的語音識(shí)別芯片。語音提示由MP3播放模塊負(fù)責(zé)，該模塊能讀取TF卡中存儲(chǔ)的音頻文件，通過編碼引腳的高低電平即可播放對(duì)應(yīng)音頻文件。

使用OpenMv視頻頭進(jìn)行臉部識(shí)別。顏色識(shí)別則是利用攝像頭不斷截取當(dāng)前所拍攝的視頻并從中尋出不同的色塊，尋找到色塊之后與程序所設(shè)置的顏色閾值進(jìn)行比對(duì)從而判斷其顏色。使用Haar算子實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別，使用LBP（Local Binary Pattern， 局部二值模式）算法實(shí)現(xiàn)不同人臉的分辨。

串口屏顯示界面圖

02 系統(tǒng)測(cè)試

首次使用須進(jìn)行配網(wǎng)操作，打開app點(diǎn)擊添加設(shè)備的按鈕，輸入連接Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的賬號(hào)和密碼后選擇對(duì)應(yīng)的Wi-Fi模塊的類型，設(shè)備處在待連接狀態(tài)。

打開系統(tǒng)讓ESP8266進(jìn)入Airlink模式，此時(shí)app會(huì)搜索當(dāng)前可連接的設(shè)備，app將Wi-Fi賬號(hào)和密碼發(fā)送給ESP 8266，ESP 8266根據(jù)接收到的信息可自動(dòng)連接至當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)。連接成功后，app提示發(fā)現(xiàn)新設(shè)備，點(diǎn)擊綁定當(dāng)前設(shè)備，頁面自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至控制界面。

虛擬設(shè)備模擬測(cè)試

虛擬設(shè)備可模擬真實(shí)設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳，可用來測(cè)試手機(jī)app是否可以與機(jī)智云進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。app通過二維碼和虛擬設(shè)備進(jìn)行綁定，成功后在機(jī)智云官網(wǎng)開啟虛擬設(shè)備，可以看到頁面上的虛擬設(shè)備提示設(shè)備已上線，即成功連接上機(jī)智云服務(wù)器，也可以查詢虛擬設(shè)備的通信日志。可通過app向虛擬設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)虛擬設(shè)備也可以將數(shù)據(jù)推送至app， 兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸記錄都可以在頁面中查看。

實(shí)物設(shè)備真實(shí)測(cè)試

1） 顯示屏功能測(cè)試

HMI顯示屏功能測(cè)試結(jié)果顯示燈光界面工作穩(wěn)定，點(diǎn)擊3個(gè)開關(guān)可以穩(wěn)定控制放置在不同地方的3盞燈，STM32接收到HMI顯示屏的指令后將結(jié)果實(shí)時(shí)上報(bào)至機(jī)智云，燈光狀態(tài)的改變也能實(shí)時(shí)反饋至app端。

溫、濕度及空調(diào)界面工作穩(wěn)定，程序設(shè)定每隔50 ms采集一次數(shù)據(jù)。經(jīng)測(cè)試，HMI顯示屏在接收到溫濕度數(shù)據(jù)后將其轉(zhuǎn)換成曲線圖的形式以顯示變化趨勢(shì)，同時(shí)在app端也可以查看到實(shí)時(shí)采集的溫濕度信息。

煙霧檢測(cè)界面工作穩(wěn)定，設(shè)定每隔500 ms煙霧傳感器檢測(cè)一次當(dāng)前的空氣狀況。點(diǎn)燃一根火柴，煙霧傳感器下方的指示燈亮起說明檢測(cè)到煙霧，排氣扇自動(dòng)打開，播放語音警報(bào)，此時(shí)顯示屏上顯示檢測(cè)到的煙霧數(shù)值及排氣扇的工作狀態(tài)。待煙霧散去后系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。

圖像識(shí)別界面工作穩(wěn)定，點(diǎn)擊人臉識(shí)別圖標(biāo)進(jìn)入人臉識(shí)別界面，點(diǎn)擊驗(yàn)證按鈕，顯示屏向串口發(fā)送對(duì)應(yīng)的指令，由STM32通過串口控制攝像頭拍攝并進(jìn)行人臉識(shí)別，在顯示屏上查看驗(yàn)證結(jié)果。

2） 手機(jī)app測(cè)試

啟動(dòng)系統(tǒng)后，app會(huì)向機(jī)智云的服務(wù)器發(fā)送對(duì)應(yīng)的指令，通過串口助手查看主控收到數(shù)據(jù)。如下圖所示，可以看到在app端按下相應(yīng)的控制按鈕后主控的串口實(shí)時(shí)接收到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的格式為：事件名稱+數(shù)據(jù)的值+事件描述。

Evt： EVENT_led_white 0 ——事件名稱及其在結(jié)構(gòu)體中的變量名+變量的值。

valueled_white Changed ——描述事件。

經(jīng)過實(shí)測(cè)，app端對(duì)系統(tǒng)的控制功能穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制及查看系統(tǒng)各部分的工作狀況，app端和系統(tǒng)的延時(shí)不超過0.5 s。

3） 人臉識(shí)別功能測(cè)試

在Python中對(duì)程序進(jìn)行測(cè)試，OpenMv在串口接收到特定的指令后會(huì)打開攝像頭并截取當(dāng)前攝像頭拍攝到的畫面，之后分別計(jì)算當(dāng)前所拍攝的人臉和人臉圖像庫中人臉樣本的特征差異度，最后在人臉樣本中挑選出一張人臉差異度最小的，即為最接近的人臉，判斷完成之后OpenMv會(huì)通過串口將所識(shí)別的結(jié)果發(fā)送至主控的串口，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

本設(shè)計(jì)中主要有2個(gè)參數(shù)影響人臉識(shí)別準(zhǔn)確性和耗時(shí)，一是人臉圖像庫中不同人臉的數(shù)量，下圖是樣本數(shù)為15人的臉圖像庫；二是每個(gè)人的不同角度人臉圖片的張數(shù)。具體的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如下所示：

人臉圖像庫

人臉識(shí)別測(cè)試數(shù)據(jù)

通過實(shí)測(cè)，本設(shè)計(jì)中的人臉識(shí)別，可以很好地完成預(yù)期任務(wù)，具有較高的準(zhǔn)確性，在一般的日常使用中基本不會(huì)判斷錯(cuò)誤，但是對(duì)光線有一定要求，過亮或過暗都會(huì)影響識(shí)別的準(zhǔn)確率。

自動(dòng)分揀功能測(cè)試。由于設(shè)計(jì)中的自動(dòng)分揀功能主要依據(jù)顏色識(shí)別來實(shí)現(xiàn)，因此顏色識(shí)別的正確率決定了自動(dòng)分揀功能是否正常。將裝置放置在不同光照強(qiáng)度的環(huán)境下測(cè)試顏色識(shí)別及自動(dòng)分揀功能的穩(wěn)定性，測(cè)試結(jié)果如下表所示。

顏色識(shí)別測(cè)試數(shù)據(jù)

03 系統(tǒng)總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一款基于機(jī)智云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)智能倉庫安防系統(tǒng)，選用STM32F429作為主控芯片。使用Wi-Fi模塊將主控芯片處理完的數(shù)據(jù)發(fā)送至機(jī)智云平臺(tái)從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，搭配手機(jī)端可以實(shí)時(shí)查看由系統(tǒng)采集的各類數(shù)據(jù)及系統(tǒng)各部分的工作狀況，同時(shí)由于使用的是廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸因此可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，相比之下局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸只能處于同一網(wǎng)絡(luò)，此方案極大地拓展了操控距離。

在系統(tǒng)的安全性部分使用了人臉識(shí)別來作為驗(yàn)證手段，經(jīng)實(shí)測(cè)，準(zhǔn)確率在90%以上。在操作方式上為了適應(yīng)不同的習(xí)慣提供了3種操作方式，顯示屏操作、語音操作、手機(jī)app操作。在顯示方面，設(shè)計(jì)了一個(gè)人機(jī)交互的圖像化界面。在物品分揀上使用了顏色識(shí)別的方式，通過識(shí)別物品的不同顏色從而將之歸類，有效地提高系統(tǒng)的效率。

審核編輯 ：李倩