Ⅰ[1]通過查閱資料統(tǒng)計了2012年至2019年快遞行業(yè)業(yè)務(wù)的總量趨勢圖。統(tǒng)計圖如下圖1-1.圖1.12012-2019年快遞業(yè)務(wù)總量趨勢圖如圖中所示，圖中2012年至2019年快遞業(yè)務(wù)總量每年都在以一個驚人的速度在上升，在2013年左右快遞業(yè)剛剛興起時，每一年的同比增長達(dá)到了55.04%之多，到2016年中國快遞業(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。我國是個名副其實的人口大國，如今人民日益美好生活需求不斷的提升，以至于我國近些年的快遞業(yè)務(wù)總量到達(dá)如此之高的區(qū)間。可就在快遞量日益增長的同時，自動化水平卻沒有達(dá)到其相應(yīng)的要求，面對這些年快遞量如此龐大時，眾多的隱患也就浮出水面。常常新聞就有報道快遞丟失，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、雙十二等購物日如此龐大的訂單量，會給快遞業(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個月中，缺失缺少總成的申訴件合計達(dá)到了3.3萬余件，在每個月勝訴占比20%到30%，且逐月都有上升趨勢。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、出錯率都是現(xiàn)階段存在的問題。使用自動化高水平的機器代替人工分揀，可以明顯減少我國的快遞運營資金。1.2國內(nèi)外自動化快遞分揀的歷史發(fā)展與研究現(xiàn)狀自從提出“中國制造2025”，可以看到當(dāng)前對于自動化機械制造業(yè)的發(fā)展迅猛。但相較于國外的發(fā)展，我國的自動化分揀技術(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不斷的上升，自動化分揀的發(fā)展是必然的趨勢。使用機器人來代替人工勞作，會使快遞分揀速度提高數(shù)倍，大大的減少了人工的勞動力，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和物流市場，中國擁有著龐大的消費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場。2017年10月，我國京東公司宣布建成了世界上首家所有過程無人倉庫，主要依賴著機器人分揀與機器視覺其解決方案均是由杭州的海康威視公司提供。全面代替了工人收貨、分揀、運輸、卸貨等人工物流作業(yè)。倉庫人員只需在終端進(jìn)行簡單控制即可。目前我國各個行業(yè)如郵政、醫(yī)藥、圖書等配送中心都有自動化著分揀機器，自動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2.1.1樹莓派主控板介紹樹莓派是由埃·厄普頓為首與英國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式機，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，他同時擁有多個USB接口與千兆以太網(wǎng)接口，可以同時連接著鍵盤、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。可以用來做表格、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、機箱或連線。實物圖如下圖2-1.圖2-1樹莓派4B主控板2.2OneNET云平臺服務(wù)OneNET定位為PaaS服務(wù)，是一種開放性的物聯(lián)網(wǎng)平臺，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)者們提供了個性化的功能服務(wù)，他能夠適配例如HTTP、MQTT等多個主流協(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，會生成對應(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中上傳的數(shù)據(jù)以用來對作APP端的數(shù)據(jù)內(nèi)容，以及可以做到對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

第3章自動化分揀貨物系統(tǒng)需求分析3.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計自動化分揀貨物系統(tǒng)的作用在于無人環(huán)境下自動的對貨物進(jìn)行高效準(zhǔn)確的分揀。整個系統(tǒng)是由多個部分組成，每個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系統(tǒng)進(jìn)行管理與升級。本系統(tǒng)由主控模塊、圖像采集模塊、驅(qū)動模塊、分揀模塊、顯示模塊、輸送模塊、分倉模塊組成。最后通過IP連接的方式連接到樹莓派，運用Python程序設(shè)計實現(xiàn)整個系統(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)著各個模塊的控制與通信，與后期的功能完善和升級。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別貨物上二維碼，提取其中的內(nèi)容信息。驅(qū)動模塊:采用了PCA9685驅(qū)動板。本系統(tǒng)采用了多個舵機的設(shè)計，該模塊滿足控制16路PWM，能夠有效的控制舵機的角度進(jìn)行操作。分揀模塊:采用3自由度的機械臂。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。分倉模塊:采用了SG90舵機。通過圖像采集模塊對于貨物識別二維碼后采集的貨物類別進(jìn)行調(diào)整舵機的角度使得貨物能夠分配到各自的倉庫中。3.1.1主控模塊設(shè)計主控模塊是本系統(tǒng)的核心，它使得各個模塊能夠進(jìn)行通訊。樹莓派相對于STM32、STM51、Ardruino有著明顯的優(yōu)勢，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算機，內(nèi)置了wifi和藍(lán)牙，這使得我們可以輕松的將項目加入無線模式。相較于普通的單片機，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，普通的單片機可以有十幾路的PWM，但是樹莓派只有一個PWM，而本次系統(tǒng)我們需要使用4個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)動板，它配合樹莓派能夠驅(qū)動多達(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。它支持多種語言例如Python、C、Java、Scratch等。圖3-1樹莓派實物圖樹莓派4B相較于之前幾代的機型可謂是全面的進(jìn)行升級。CPU的運算能力大幅度的提升，從原來的A531.4GHz四核升級到A721.5GHz四核，而且內(nèi)存速度也大幅提升，直接升級到DDR4，最高支持到8G內(nèi)存，樹莓派3B只支持1G。另一個方面大的升級是輸入輸出接口上，樹莓派4B支持藍(lán)牙5.0、千兆以太網(wǎng)接口、兩個USB3.0接口、兩個USB2.0接口、兩個microHDMI接口，最大支持4K60Hz+1080P或者2x4K30Hz輸出，而且充電口也升級到了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)計圖像采集模塊是本系統(tǒng)非常重要的模塊，因為本系統(tǒng)需要識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。實物圖如下圖3-3.圖3-3攝像機實物圖3.1.3驅(qū)動模塊設(shè)計本系統(tǒng)采用PCA9685模塊，基于樹莓派提供的IIC通信接口的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的驅(qū)動。支持16路PWM，可用于控制舵機、led、電機等設(shè)備,能夠大大節(jié)省主機的資源。實物圖如下圖3-4。圖3-4PCA9685驅(qū)動模塊實物圖一般情況下，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)計本系統(tǒng)的分揀模塊使用了機械臂來進(jìn)行分揀，機械臂會自動抓取貨架臺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進(jìn)行對下一個貨物的抓取。機械臂上也是搭載著多個SG90舵機進(jìn)行部位活動。分揀模塊如圖3-6所示:圖3-6三自由度機械臂

第4章貨物分揀系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案4.1系統(tǒng)運行環(huán)境的搭建對比普通的單片機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)行開機測試。下面是開機測試圖4-1。圖4-1樹莓派開機測試圖能夠成功顯示到此頁面，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的運行環(huán)境搭建本系統(tǒng)需要對二維碼進(jìn)行識別，所以我們需要對OpenCV的運行環(huán)境進(jìn)行搭建，我們首先測試一下相機是否能正常工作。打開終端輸入vcgencmdget-camera若返回supported=1detected=1表示攝像頭連接成功。測試圖如下圖4-4.圖4-4測試相機功能接下來我們需要安裝OpenCV所需要的庫,接下來就可以進(jìn)行安裝OpenCV輸入sudopip3install安裝指令進(jìn)行安裝，下載速度會相對慢一些。最終我們完成了安裝，再進(jìn)行一個簡單的測試。測試圖如下圖4-5.圖4-5測試OpenCv的安裝我們進(jìn)入到python3下importcv2后成功返回了版本號，表面我們成功安裝OpenCv。4.2系統(tǒng)程序設(shè)計本系統(tǒng)將程序分成了各個部分進(jìn)行了整合，主要包括圖像識別模塊設(shè)計、分揀模塊的程序設(shè)計、傳送帶傳動模塊設(shè)計、分配倉庫倉庫模塊，將這個模塊進(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)計通過紅外傳感器與機械臂的配合來組成分揀模塊，紅外傳感器負(fù)責(zé)檢測貨架上是否還有貨物，若有貨物即發(fā)送信號，使得機械臂有下一步操作，若沒有貨物機械臂也將停止活動。機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)計流程如下圖4-6.圖4-6分揀模塊的程序設(shè)計流程4.2.2傳送帶傳動模塊設(shè)計傳說帶傳動模塊是由SG90舵機來進(jìn)行傳送的，用舵機的轉(zhuǎn)動帶動傳輸帶的運轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)對貨物的輸送，輸送至攝像區(qū)域進(jìn)行操作。傳送帶傳動模塊的設(shè)計流程如下圖4-6.圖4-7傳送帶傳動模塊的設(shè)計流程圖4.2.3圖像識別模塊設(shè)計通過我們的程序啟動相機模塊，使得攝像內(nèi)容能在屏幕中顯示，在之前搭建的OpenCV的視覺庫中完成對貨物上二維碼的識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。圖像識別模塊設(shè)計流程圖如下圖4-8.圖4-8圖像識別模塊設(shè)計流程圖4.2.4分倉模塊設(shè)計通過圖像識別模塊提取的信息，根據(jù)識別信息中的類別來進(jìn)行對于分倉的分類操作，分類是通過舵機轉(zhuǎn)動的不同角度來實現(xiàn)的，從而分配到不同的倉庫中完成最后的分揀作業(yè)。設(shè)置了45度、90度、135度，分別對應(yīng)了自定義的食物倉庫、日常用品倉庫、和其他倉庫。具體分倉模塊的設(shè)計流程如圖4-9.圖4-9分倉模塊的設(shè)計流程4.3OneNet的應(yīng)用Onenet是由中國移動打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺。平臺能夠幫助開發(fā)者輕松實現(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)儲存，數(shù)據(jù)展現(xiàn)。首先我們先打開onenet平臺的官方網(wǎng)址，注冊賬號，進(jìn)入到控制臺頁面，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)就會自動分配對應(yīng)的設(shè)備ID，連接設(shè)備的APIKey，客戶端會通過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)傳遞首先我們在產(chǎn)品頁面中創(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測試OneNet數(shù)據(jù)獲取4.4微信小程序設(shè)計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玫降膽?yīng)用，作為客戶端十分的便利功能也十分強大。下面是我微信小程序整體的設(shè)計頁面圖4-11。總共設(shè)計了6個子頁面，分別是二維碼生成頁面、掃描查詢頁面、歷史記錄頁面、實時監(jiān)控頁面和控制速度頁面。圖4-11小程序整體的設(shè)計頁面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，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請求，即可獲取到OneNet中存在的數(shù)據(jù)。4.4.2二維碼生成頁面二維碼生成頁面可以根據(jù)用戶自定義的內(nèi)容，快速一鍵生成靜態(tài)的二維碼，用戶可以點擊二維碼的圖片進(jìn)行下載圖片保存。二維碼生成頁面圖如下圖4-12.圖4-12小程序端二維碼生成頁面