基于智能識別的可變空間儲物柜設計

王麗琴 陳恩典 林家俊 朱燦維 張惠烽 丁凡

摘要：本文介紹了如何設計一個基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)、云計算技術(shù)和人工智能技術(shù)的空間可變的智能儲物柜。該儲物柜能夠?qū)崿F(xiàn)用人臉識別作為開啟柜子的憑證同時可以利用物件尺寸智能感知模塊識別出物件的尺寸大小，從而識別出這個物件需要多大的空間來存放，進而可通過程序算法控制電機自由調(diào)節(jié)存儲空間。該設計可有效提高儲物柜空間使用率。

關(guān)鍵詞：STM32F103;人臉識別;儲物柜系統(tǒng);可變空間

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）13-0042-03

在中國互聯(lián)網(wǎng)、識別技術(shù)和人臉生物技術(shù)快速發(fā)展的時代，我們生活中應用人臉識別的場景也在不斷地增加。目前，儲物柜多采用條形碼識別如超市儲物柜，IC卡識別如游樂場、浴室、泳池的儲物柜等，并且都是固定的儲物格子，無論東西大小都是存放在固定格子里，易造成空間浪費。并且條形碼和IC卡這些物品容易丟失或忘記隨身攜帶，不易保存。即使當下基于生物特征的指紋識別是比較成熟的技術(shù)，但指紋容易被污染、破壞而導致識別不出用戶身份信息。使用當下流行的固定存儲空間容易導致當一個格子存放的物品很小時就會浪費掉那個格子的其余空閑空間。

針對上述諸多不足之處的情況，我們對不同類型的儲物柜的空間使用情況進行了調(diào)研，并進行了一系列的對比和分析，如下圖1所示。可以明顯看出本項目可變空間的設計可以將傳統(tǒng)儲物柜浪費的空間充分利用起來，可以很好地解決上述傳統(tǒng)儲物柜所存在的空間利用率不足的問題。而且本項目采用人臉識別技術(shù)，以人臉替代傳統(tǒng)紙條或卡片作為開啟柜子的憑證，顧客在取物時，可憑刷臉開啟儲物柜取走東西，省去保管紙條、卡片的麻煩;同時儲物柜的管理人員可通過儲物柜的后臺管理系統(tǒng)對顧客存取記錄進行查看和管理，便于了解儲物柜的使用情況。

1系統(tǒng)需求簡述

1.1結(jié)構(gòu)需求

可變空間儲物柜系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)和人臉識別技術(shù)為基礎架構(gòu)。儲物柜總共有兩層，每層總共有四個大空間，根據(jù)物件大小，這四個大空間還可以調(diào)節(jié)成多個中等空間和小空間。每個存放物件的空間都配有動機、絲桿和方塊，方塊又連接著隔板。當需要調(diào)節(jié)空間大小時，電機就會帶動絲桿的轉(zhuǎn)動，在由絲桿的帶動方塊和隔板的運動。我們在儲物柜左側(cè)安裝有人機交互界面，用戶可以在交互界面進行物品存取的操作，下方安裝有物品尺寸感知區(qū)域，該區(qū)域識別出所存物品大小，進而與控制系統(tǒng)通信。控制系統(tǒng)再通過其反映的信息驅(qū)動牽引電機調(diào)節(jié)空間大小或門鎖的開關(guān)以及指示燈的狀態(tài)。電機的轉(zhuǎn)動帶動絲桿轉(zhuǎn)動，絲桿再帶動方塊推動隔板，進而調(diào)節(jié)存物空間大小。

1.2功能需求

快遞員在人機交互界面中點擊存件按鈕，然后系統(tǒng)會對快遞員進行人臉識別以驗證快遞員身份，之后快遞員可以將物品放人物件尺寸感知區(qū)域，這時系統(tǒng)會通過感知模塊自動識別出物件的大小并分配出合適的空間存放。存放好后，系統(tǒng)會自動發(fā)送短信通知用戶取件。

用戶在收到信息后就可以到儲物柜前在人機交互界面中點擊取件按鈕，然后系統(tǒng)通過對用戶人臉掃描或者用戶輸入驗證碼以驗證用戶身份，驗證成功后，系統(tǒng)會自動開門讓用戶取走物件。

如果遇到故障現(xiàn)象或特殊情況不能存取件，可以找管理員解決。管理員可以在人機交互界面中點擊管理按鈕，掃臉驗證身份后即可進行管理。管理功能包括打開任意指定的門以及重置系統(tǒng)等。

2系統(tǒng)設計及其原理

2.1三維模型設計

根據(jù)系統(tǒng)需求，我們用solidworks設計其部分零部件三維模型結(jié)構(gòu)，為什么會使用solidworks而不是其他的建模軟件，其原因有三點。首先，使用solidworks設計是因為這個軟件的操作難度不算太高，這樣就可以大大減少修改零件的不便性。其次，該軟件有正視功能，可以有效地提高機械制圖的準確性。最后，該軟件最后所制成的圖可以反復使用，會自動加入CAD的素材當中以便重復使用，這就是為什么我們選用solidworks的原因。如圖3所示。我們收集了所需的零部件的尺寸資料，在零件建模時采取1：1與實物等尺寸的方式，將所需的模型單獨建模，各自保存，然后將所建立的零件模型放置到同一組合體中，根據(jù)系統(tǒng)需求，分配零件模型到相應的位置，整合為一整個完全的三維模型。

2.2人機交互軟件

人機交互界面如圖所示采用觸屏操作。我們采用的是寬1280像素，高800像素的屏幕，視野大，字體比較大，閱讀和操作比較便捷，可以提高人們的工作效率。當接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預先編制的程式驅(qū)動各種連接裝置，通過按鈕面板，并借由液晶顯示畫面制造出生動的影音效果。觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設備，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。是極富吸引力的全新多媒體交互設備。隨著筆輸入技術(shù)的日益成熟，該技術(shù)在包括平板電腦、智能手機、掌上電腦等多種移動設備中得到了廣泛應用，是目前掌上電腦與大多數(shù)智能手機最主要的一種輸入方式。

2.3人臉識別技術(shù)

人臉識別的普遍性、可采集性與被采集者的可接受性較高，這就具有了方便友好、易于接受、不易偽造等一系列優(yōu)點。系統(tǒng)通過攝像頭收集用戶的面部圖像信息，攝像頭采用的是樹莓派攝像頭模塊，再通過樹莓派與人臉識別云服務交互。然后由部署在云端的Linux主機進行圖像識別計算。利用核心的算法對其臉部的五官位置、臉型和角度進行計算分析，進而和自身數(shù)據(jù)庫里已有的范本進行比對，后判斷出用戶的真實身份。

2.4控制算法設計

如圖4所示，我們的stm32使用ARM Cortex-M3為內(nèi)核的芯片作為主控芯片，因為考慮到STC89C52速度不夠快和引腳不夠，我們才采用stm32的這款芯片嗍。在該系統(tǒng)中，所有的電機組都連接到控制總線，程序通過定線協(xié)議選定要工作的電機組然后再通過片選指令選定電機組中的其中一個電機。在算法程序中應建立適當?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來記錄每個電機組的編號以及相應的信息（如當前移動的位置、是否被選中、被片選中的電機是哪一個等）。當收到上位機發(fā)來的指令時（如分配空間的指令），算法程序則通過一定的程序邏輯來選定數(shù)據(jù)單元，然后通過總線協(xié)議給選定電機組發(fā)送指令。

3應用價值

近幾年，網(wǎng)絡購物的興起也帶動了快遞行業(yè)地發(fā)展，同時快遞物件數(shù)量增長迅猛，智能快遞柜的推出有利于快遞企業(yè)省去一定的成本，提高快遞員的配送速度，使服務的范圍擴大和勞動強度的降低。同時存放快遞的空間需求也在增加，而傳統(tǒng)儲物柜的空間利用率很低。本項目可變空間的設計可以將傳統(tǒng)儲物柜浪費的空閑空間充分利用起來，可以很好地解決傳統(tǒng)儲物柜空間利用率低的問題。本設計不僅可以應用在快遞柜上，還可以廣泛地應用在超市里、商場里以及各種需要用到儲物柜的場合。

4結(jié)束語

在我們生活中應用人臉識別的場景在不斷地增加，如我們的刷臉支付、刷臉打卡、刷臉進入高鐵站等等，人臉成了人們出行、支付等場景的指定秘鑰。同時網(wǎng)絡購物也成為人們習以為常的購物方式，快遞量的增加也讓人們開始注意到存放快遞的空間需求前更大了，那么對空間地合理利用就很有必要了。本文詳細介紹了可變空間儲物柜對空間利用性和便利性，以及人臉識別系統(tǒng)在儲物空間方面的應用，未來可變空間儲物柜肯定會有廣闊的應用情景。