一种水果图像识别的称重贴签封口一体机

一种水果图像识别的称重贴签封口一体机

翟俊腾

青岛黄海学院  青岛 266427

摘要：商场常出现顾客因等待工作人员对所购买水果称重、贴签和封口而导致排队时间过长的现象，针对此现象，设计一种水果识别称重贴签封口一体机，通过机械臂将塑料袋带到图像收集区域，通过训练的水果识别模型，识别出购物袋中的水果种类，并将检测结果打包成MODBUS格式的数据，发送到带有STM32F103VCT6主控的下位机上，下位机带有称重模块、标签打印和封口装置驱动电路，将上位机输出的数据与下位机主控采集到的称重数据相结合，控制打印机打印不干胶贴，利用标签贴合装置将标签贴合到装有水果的塑料袋上，再由封口机进行封口，以减少顾客的等待时间，解决商场里可能会交叉感染的问题。

关键词：图像识别；水果识别；自动封装；opencv

引言

随着市场经济的不断发展，城镇里的超市越来越多。顾客选择超市的标准，不仅是物美价廉的商品，也有服务质量。打包区前排队成龙的超市显然不是人们希望的购物环境，多数人宁愿放弃或者稍微走远一些购物也不愿意在拥挤排队中等。水果识别称重贴签封口一体机的出现直接代替人工多项工作，不会因为长时间工作而影响工作进度，工作效率大大提高，避免出现在商场或者商场顾客等待称重贴签封口时而引起的排队现象。

1硬件系统设计

上位机控制部分采用树莓派4B具备1.5Ghz运行的64位四核处理器，最高可搭载8GBRAM，GPU主频高达500MHz。其不但可以在主机上搭载Ubuntu、Linux等小型的操作系统，还可以选择构建OpenCV4、PyTorch、Tensorflow或Yolo v5等训练框架。下位机控制部分采用STM32单片机，它的性价比高、芯片整体集成度也非常高几乎包含市面上所有通讯方式、管脚功能可以进行重映射一引脚多用、自定义对主频进行倍频和分频、还具有低功耗和休眠模式等。整体设计框图如图1所示。

图1 硬件系统原理框图

1.1传动机构的设计

目前，满足设计的传动机构有两种。一种是同步带式传动机构，另一种是丝杆传动机构。将两种传动的优缺点以及适用场地做了对比以表格的形式显示。传动机构优缺点对比见表1。

表1 传动机构优缺点对比

1.2称重升降机构的设计

称重升降机构使用水平固定式剪叉式升降机构，采用推杆电机推动水平固定式剪叉式升降机构下面的连接轴实现升降平台的升降，从而对货物进行称重，推动升降机构下面的连接轴的方式对比方案一少了一个方向自由度的限制，且利于货物的移动，只需要控制固定在底板上的推杆电机运动就可以实现升降机构升降。

1.3夹持机构的设计

按照设计要求并结合实际情况，夹持机构的设计应着重于这些方面：机构主体应具备灵活性，保证机械爪能够夹紧，封口机构进行动作时能够保证购物袋不掉落。综合上述实际要求，结合书籍、网络查询，最终定下结构。

1.4控制系统电路的设计

采用STM32F103VCT6单片机作为一体机下位机的控制芯片，水果包装机下位机所采用的最小系统主要由三大部分组成，第一部分为主控芯片电源供电电路，每个芯片电源脚都有一个0.1uF的去耦电容。第二部分为单片机复位电路见图2，按下按钮单片机复位引脚为低电平，单片机实现硬件复位，程序重新执行，程序重新执行，第三部分为时钟电路见图2，要用作给单片机提供8M的基准频率，为其他外设提供主频输入。STM32单片机最小系统电路图见图3。

图2 时钟电路与复位电路

图3 单片机最小系统

2 软件系统设计

该系统程序设计部分主要有基于Baidu AI Studio 训练平台水果识别分类实现，基于SolidWorks软件三维模型的设计，基于Altium Designer软件的电路设计，基于Keil软件的程序设计，系统控制技术路线等。

通过Baidu AI Studio 训练平台，启动环境，选择高级版点击确认进入[13]。在文件夹中上传自己打包好的数据集资料（比如照片集，以XML格式保存的照片信息数据等），再进行修改一些参数就可以启动代码训练，代码每训练2000轮保存一次优质模型和数据。

当系统初始化后，系统开始工作。首先是将夹持机构与传动机构复位，当检测到货物以后夹持机构夹持传动机构带着移动到称重模块上面，称重模块开始上升进行采集重量信息配合上位机水果识别的信息计算总价格，标签打印机进行打印，封口机构进行封口，封好口后传动机构再带着移动到打印机前，进行贴签，贴签完成后，传动机构将货物带到取货区等待。

3 结论

顾客选择商场的标准不仅是物美价廉的商品，还有服务质量。生产一个能够解决打包区前排队成龙的自动化包装一体机，可以有效改善购物环境，还能留住大多数因为不想排队而宁愿放弃或去更远的地方购物的顾客。一体机主要实现自动完成水果的识别，得到对应的单价，再将其称重，计算总金额打印到不干胶上贴到装有水果的塑料袋上，并密封塑料袋，做到让顾客随放随拿的效果，解决商场人员的滞留。

本次设计实现的主要任务如下:

(1)一体机机械结构设计

主要是夹持机构、传动机构、称重平台以及自贴合贴签机构的设计，夹持机构负责夹持货物；传动机构负责将夹持货物移动到称重平台；称重平台则是由推杆电机推动使平台向上移动托起货物；自贴合贴签机构保证标签与购物袋紧密贴合

(2)一体机控制设计

选用压力传感器作为货物重量检测、选用光电开关进行自动夹持货物和回初始位、选用树莓派进行图像数据处理识别出货物种类反馈给下位机。以STM32系列单片机作为下位机主控来实现整个系统的自主夹持货物、自动重量检测、货物封口、自动在购物袋上贴上带有货物基本信息的标签等功能。

(3)实现水果识别

使用ssd_mobilenet_v1_voc算法，利用PaddlePaddle平台完成一体机水果识别项目，利用Opencv开源视觉源码库，编写手动拍摄获取数据集的代码采集照片集。

作者简介：翟俊腾（2002－）,男,山东省济宁市人,研究方向：船舶工程。