一種智能果蔬識(shí)別稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

林建華,林二妹

(閩南理工學(xué)院 實(shí)踐教學(xué)中心,福建 石獅 362700)

目前商場(chǎng)里商品稱重、結(jié)算時(shí)仍需人工掃描標(biāo)簽輸入商品信息;另外,在結(jié)算無包裝商品時(shí),尤其是果蔬農(nóng)產(chǎn)品,也需要依靠人工快速識(shí)別出果蔬品種和價(jià)格,這種情況容易導(dǎo)致消費(fèi)者排隊(duì)等待的現(xiàn)象。為了解決上述問題,本文研究并設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺的智能果蔬識(shí)別稱重系統(tǒng),將機(jī)器視覺技術(shù)和傳統(tǒng)電子秤相結(jié)合,利用相機(jī)采集果蔬圖像,通過電子稱重模塊讀取重量數(shù)據(jù),并創(chuàng)建了果蔬商品數(shù)據(jù)庫以獲取商品的單價(jià),最后自動(dòng)結(jié)算出總價(jià)顯示在屏幕上[1]。

機(jī)器視覺是研究用機(jī)器代替人眼進(jìn)行測(cè)量和判斷的一門學(xué)科,屬于人工智能的重要分支。機(jī)器視覺系統(tǒng)通過圖像采集卡獲取圖像的數(shù)字化信號(hào),然后通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,提取對(duì)應(yīng)目標(biāo)的特征,從而進(jìn)一步對(duì)設(shè)備下達(dá)操作指令。目標(biāo)圖像的特征通常分為底層特征與高層特征兩類,底層特征主要包括顏色、紋理和形狀特征等,描述的是局部特征;高層特征則更加抽象,主要包括對(duì)象類別的語義特征,描述的是整體特征。機(jī)器視覺技術(shù)在智能制造及眾多的智能生活領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。包括人臉識(shí)別、視頻/監(jiān)控分析、靜態(tài)圖片識(shí)別分析、智能駕駛、三維圖像視覺、工業(yè)視覺檢測(cè)、醫(yī)療影像診斷、文字/語音識(shí)別及圖像/視頻編輯等[2]。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該果蔬識(shí)別秤重系統(tǒng)是基于SQL Server開發(fā)C/S結(jié)構(gòu)的商品信息管理系統(tǒng),客戶端作為數(shù)據(jù)請(qǐng)求端向服務(wù)端數(shù)據(jù)庫獲取商品基本信息,以完成銷售任務(wù)。通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)端之間的通信,如圖1所示。

圖1 果蔬識(shí)別稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 終端機(jī)選型

終端機(jī)顯示屏幕采用觸控屏,通過簡(jiǎn)單的手勢(shì)、點(diǎn)觸即可快速與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互。本設(shè)計(jì)采用13.3英寸電容式觸控電腦,電容式觸控屏反應(yīng)速度快,尤其適合于客流量大的商場(chǎng)[3]。

2.2 圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的圖像采集工具選用的USB免驅(qū)攝像頭,免驅(qū)攝像頭無須將第三方程序?qū)懭胂到y(tǒng),CPU占用率低,實(shí)現(xiàn)了即插即用。利用軟件程序來配置USB攝像頭的圖像格式、圖像顏色、圖像尺寸等參數(shù)。本系統(tǒng)選擇的攝像頭為HF867-720P,其基本參數(shù)如表1所示。

表1 HF867攝像頭基本參數(shù)

選好相機(jī)型號(hào)后,結(jié)合相機(jī)的型號(hào)進(jìn)一步選取鏡頭,相機(jī)焦距為200 mm,測(cè)量范圍為240 mm×200 mm,傳感器尺寸為1/3 inch,通過公式(1)可計(jì)算鏡頭焦距f。

(1)

式中:f為焦距;v為COMS水平尺寸;h為COMS垂直尺寸;V為水平方向測(cè)量尺寸;H為垂直方向測(cè)量尺寸;D為工作距離。1/3 inch COMS的規(guī)格如表1所示。計(jì)算鏡頭焦距為

(2)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果應(yīng)該選擇焦距為3.0 mm的鏡頭。鏡頭焦距越小其拍攝范圍越大,所以為了能將秤盤完整地拍攝下來,本系統(tǒng)最終選擇了焦距為2.9 mm、100°無畸變定焦鏡頭,相機(jī)和鏡頭如圖2所示[4]。

圖2 圖像采集工具

2.3 電子稱重模塊設(shè)計(jì)

電子稱重模塊以STC89C52單片機(jī)為核心,利用電阻式傳感器采集商品的重量,使用HX711芯片進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換,將電阻式應(yīng)變傳感器傳來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),再傳給STC89C52進(jìn)行處理,再通過USB TO TTL模塊實(shí)現(xiàn)與客戶端的串口數(shù)據(jù)通信[5],其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 稱重模塊硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.4 軟件開發(fā)環(huán)境搭建

設(shè)計(jì)了運(yùn)行在計(jì)算機(jī)設(shè)備上的客戶端和服務(wù)端軟件,通過客戶端軟件進(jìn)行人機(jī)交互,從而實(shí)現(xiàn)果蔬識(shí)別和商品銷售的目的,服務(wù)端軟件主要是商品信息管理。軟件的交互界面使用Visual Studio 2017(簡(jiǎn)稱VS)平臺(tái)開發(fā),本文主要使用VS2017平臺(tái),利用C#編程語言開發(fā)系統(tǒng)客戶端軟件和服務(wù)端軟件[6],同時(shí)聯(lián)合Halcon和SQL Server 2012實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的系統(tǒng)開發(fā),軟件系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 軟件開發(fā)環(huán)境系統(tǒng)框圖

2.5 建立果蔬圖像數(shù)據(jù)庫

本研究對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際使用情況進(jìn)行分析,根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際使用需求實(shí)地采集果蔬圖片,并建立果蔬圖像數(shù)據(jù)庫,用于系統(tǒng)測(cè)試[7]。采集過程中每種果蔬都是隨機(jī)的,不分大小、顏色特征,擺放的數(shù)量和位置。最終采集了20多種900多張真實(shí)果蔬圖片,其中水果有:蘋果、香蕉、橙子、沃柑、人參果、青皮梨、番石榴、獼猴桃、枇杷、芒果、西瓜、火龍果、沙糖橘等;蔬菜有:娃娃菜、西蘭花、花菜、彩椒、大蒜、姜、洋蔥、馬鈴薯、紅辣椒、番茄等,能夠滿足系統(tǒng)需求[8]。

根據(jù)實(shí)際的使用環(huán)境,選取果蔬圖像的采集裝置如圖5所示。

圖5 圖像數(shù)據(jù)庫采集裝置

該裝置以電子秤為主要的稱重結(jié)構(gòu),并安裝了STC89C52最小開發(fā)板和USB2.0攝像頭。攝像頭通過支架安裝在電子秤頂部,相機(jī)搭配的是100°無畸變廣角鏡頭,根據(jù)測(cè)試需傾斜向上約15°拍攝,攝像頭距離秤盤垂直高度為200 mm,秤盤大小為240 mm×200 mm。相機(jī)通過USB2.0接口與電腦連接,利用Halcon進(jìn)行果蔬圖像的采集和處理。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 客戶端的設(shè)計(jì)

客戶端主要功能是實(shí)現(xiàn)果蔬識(shí)別和銷售,包含5大核心模塊,分別是:數(shù)據(jù)庫模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊、稱重模塊及顯示模塊,其工作流程如圖6所示[9]。

圖6 客戶端工作流程示意圖

3.2 客戶端界面的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是通過觸控平臺(tái)和客戶端軟件實(shí)現(xiàn)自助式服務(wù),使用者可通過人機(jī)交互界面完成稱重交易環(huán)節(jié)?？蛻舳私缑嬗糜陲@示果蔬圖像、商品交易信息等若干按鍵,其主界面如圖7所示。為了使界面的布局空間較大,本設(shè)計(jì)使用13.3寸觸摸屏,顯示屏最大分辨率為1 366×768。各個(gè)按鍵功能如表2所示。

圖7 客戶端主界面

3.3 服務(wù)端的設(shè)計(jì)

服務(wù)端的功能包含信息管理和網(wǎng)絡(luò)通信。一方面,管理人員可以在PC機(jī)通過服務(wù)端軟件登錄賬戶,錄入待銷售的商品信息,包括商品名稱、價(jià)格、折扣等。另一方面,服務(wù)端通過無線網(wǎng)絡(luò),將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至客戶端,圖8為服務(wù)端的工作流程圖[10]。

圖8 服務(wù)端工作流程圖

3.4 服務(wù)端界面的設(shè)計(jì)

服務(wù)端主要是管理者用來對(duì)商品信息的錄入、刪除、修改、查詢以及賬戶安全管理等。所以管理員需要通過用戶名和密碼登錄服務(wù)端與數(shù)據(jù)庫連接,才可以進(jìn)行信息的增刪改查等操作,登錄界面如圖9所示。

圖9 服務(wù)端登錄界面

成功登錄并連接上數(shù)據(jù)庫后,彈出商品管理界面如圖10所示。管理界面主要包含三個(gè)模塊:商品分類列表、商品信息表和增刪改查等。商品分類列表用于快速瀏覽所有商品種類,查看同一種類的商品信息,從商品信息表中查看所有該類商品的基本信息。

圖10 商品信息管理界面

商品編輯界面如圖11所示。

圖11 商品信息編輯界面

進(jìn)入該界面,可以對(duì)商品編碼、名稱、類別、預(yù)售價(jià)格和特價(jià)等信息進(jìn)行添加和修改。

當(dāng)數(shù)據(jù)表信息數(shù)量太多時(shí),若要查詢某一件商品信息時(shí),可進(jìn)入商品查詢界面,輸入商品編碼或商品名稱就可實(shí)現(xiàn)快速查詢,如圖12所示。

圖12 商品查詢界面

為了確保安全,設(shè)計(jì)了修改密碼功能,管理員可以通過點(diǎn)擊“用戶管理(U)”進(jìn)入修改密碼界面,自行修改密碼。

4 系統(tǒng)運(yùn)行與調(diào)試

完成配置和安裝后,對(duì)各個(gè)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試的對(duì)象主要有電子秤、USB攝像頭、STC89C52開發(fā)板串口通信、客戶端軟件、服務(wù)端軟件及網(wǎng)絡(luò)通信。其中電子稱重模塊與52開發(fā)板通過USB串口線連接在觸控電腦上,同時(shí)實(shí)現(xiàn)供電和重量數(shù)據(jù)通信的作用;攝像頭通過USB串口線與電腦COM3接口連接。服務(wù)端管理員登錄賬戶的用戶名設(shè)置為Admin、初始密碼設(shè)置為1234,終端機(jī)(觸控電腦)與筆記本連接同一本地網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)測(cè)試環(huán)境如圖13所示,通過對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試,各個(gè)模塊都能正常使用,達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

圖13 實(shí)際測(cè)試環(huán)境

5 結(jié) 論

本文根據(jù)對(duì)系統(tǒng)各功能的設(shè)計(jì),通過編寫代碼實(shí)現(xiàn)基于機(jī)器視覺的果蔬識(shí)別稱重系統(tǒng)的具體功能,并完成實(shí)物的設(shè)計(jì)。同時(shí),為了保證設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)能與預(yù)期的需求相符合,能正常投入使用,對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能都進(jìn)行了測(cè)試。通過測(cè)試,該系統(tǒng)的各個(gè)模塊都能達(dá)到預(yù)期的效果,且在目前的市場(chǎng)環(huán)境具有較高的實(shí)用價(jià)值,提高果蔬稱重的效率。