校園智慧物流平臺(tái)設(shè)計(jì)

付麗琴，侯佳麗

（北京經(jīng)濟(jì)管理職業(yè)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，北京 100102）

0 引 言

校園工作的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，常需要進(jìn)行實(shí)物的傳遞，如學(xué)校辦公室往各二級(jí)單位發(fā)放蓋章的紙質(zhì)文件，選修課教師收集學(xué)生課后完成的實(shí)物作品等。傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)物傳遞模式不但耗費(fèi)人力，還可能因傳送不及時(shí)而影響工作的進(jìn)度。目前物流行業(yè)采用的智能快遞柜，利用大數(shù)據(jù)和云平臺(tái)技術(shù)提升了末端物流配送能力，因此得到了廣泛使用[1]，但是快遞柜服務(wù)模式并不滿足校園內(nèi)實(shí)物傳遞的需求。

目前很多學(xué)校已建成或正在建設(shè)智慧校園平臺(tái)，使之成為學(xué)校各部門業(yè)務(wù)管理與服務(wù)的重要支撐，師生在校能充分享受智慧校園帶來的學(xué)習(xí)、生活、資訊等方面的便捷。智慧校園平臺(tái)屏蔽了技術(shù)細(xì)節(jié)，支持各類網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、協(xié)議類型和智能硬件的快速接入，降低了校園內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)難度[2-3]。因此，本文基于智慧校園云平臺(tái)提供的數(shù)據(jù)與服務(wù)，對(duì)智能快遞柜系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，加強(qiáng)了其智能化程度和個(gè)性服務(wù)功能，增加了一對(duì)多、多對(duì)一和多對(duì)多的實(shí)物收發(fā)模式，滿足校園內(nèi)多樣化的實(shí)物傳遞需求，如文件、書籍、作業(yè)本、作品等，同時(shí)也可用作高智能快遞柜。

1 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)校園應(yīng)用的實(shí)際需求，結(jié)合智慧校園管理平臺(tái)的部分功能，在目前智能快遞柜的技術(shù)基礎(chǔ)之上進(jìn)行校園智慧物流平臺(tái)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)智能化水平，豐富服務(wù)模式，增加個(gè)性化定制功能，以達(dá)到實(shí)物便捷傳遞的目的。

1.1 功能分析與設(shè)計(jì)

目前常用的智能快遞柜在功能上存在以下缺陷：

（1）僅支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)收發(fā)。出于安全性考慮，快遞柜一個(gè)格子只能對(duì)應(yīng)一個(gè)投遞人和一個(gè)取件人，不適應(yīng)學(xué)校多種場(chǎng)景的實(shí)物傳遞，限制了學(xué)校辦公和教學(xué)活動(dòng)方面的使用。例如院辦發(fā)放多份文件到所有各二級(jí)部門，或者某位老師取走多位學(xué)生作品的情況。

（2）身份識(shí)別模式單一。一般采用輸入取件碼或微信掃描方式識(shí)別收貨人身份。在校園環(huán)境，人員相對(duì)穩(wěn)定，可采用更方便的身份識(shí)別模式。

（3）不能針對(duì)不同個(gè)體的愛好定制個(gè)性化服務(wù)模式。

針對(duì)以上問題，對(duì)當(dāng)前智能快遞柜升級(jí)：利用校園云實(shí)現(xiàn)用戶身份認(rèn)證，解決用戶管理的問題；增加人臉識(shí)別功能提高身份認(rèn)證的便捷性；增加字體放大和自動(dòng)亮度調(diào)整功能提高人機(jī)界面的顯示效果；增加單發(fā)群收模式（如發(fā)文件、發(fā)作業(yè)）、群發(fā)單收模式（如收作業(yè)、收調(diào)查表）、群發(fā)群收模式（如預(yù)定教材）等，支持校園內(nèi)各種模式的實(shí)物傳遞；同時(shí)，系統(tǒng)還支持個(gè)性化服務(wù)定制。

1.2 校園智慧物流平臺(tái)系統(tǒng)框架

1.2.1 平臺(tái)硬件組成

校園智慧物流平臺(tái)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)物的暫時(shí)存儲(chǔ)、安全保管、實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效管理。硬件主要由儲(chǔ)物柜終端（下位機(jī)）和后臺(tái)管理信息系統(tǒng)（上位機(jī)）組成。

儲(chǔ)物柜終端包括主柜和副柜。主柜實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和智能化控制功能，由鍵盤（信息輸入裝置）、顯示屏（信息顯示裝置）和主要控制系統(tǒng)組成。攝像頭安裝在柜體頂部，用于實(shí)現(xiàn)基于人臉識(shí)別的身份認(rèn)證。副柜利用基于PLC控制的機(jī)械手實(shí)現(xiàn)實(shí)物的全自動(dòng)化存入和取出，副柜由若干格口組成，每個(gè)格口包括箱門、箱體和電控鎖。

后臺(tái)管理系統(tǒng)一方面實(shí)現(xiàn)面向取件人（部門）和面向存件人（部門）的注冊(cè)格口使用情況及使用日志記錄的管理，其中用戶信息（個(gè)人或部門）來自校園云數(shù)據(jù)庫；另一方面實(shí)現(xiàn)信息的管理和傳遞，如實(shí)物被存入后系統(tǒng)向收件人（部門）發(fā)送通知信息，實(shí)物被取走后系統(tǒng)向存件人（部門）反饋信息，遇到實(shí)物滯留現(xiàn)象自動(dòng)向用戶發(fā)送提醒信息等。

圖1 校園智慧物流平臺(tái)的硬件組成

1.2.2 客戶端軟件

首先在校園服務(wù)系統(tǒng)中添加校園智慧物流平臺(tái)模塊，全校師生及在校園服務(wù)系統(tǒng)中注冊(cè)的人員均可以通過智能手機(jī)上的校園服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)APP查詢物流動(dòng)態(tài)信息，享受便捷實(shí)時(shí)的物流服務(wù)。在智慧物流平臺(tái)應(yīng)用軟件的支撐下，利用校園服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)存取實(shí)物、適時(shí)查詢等快捷服務(wù)，使實(shí)物傳遞服務(wù)有機(jī)融合在智慧校園體系中，大大提升智慧校園物流服務(wù)的水平。

1.3 平臺(tái)服務(wù)流程

系統(tǒng)基于校園云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)的共享，提升整個(gè)校園內(nèi)物流服務(wù)的水平[4-5]，再利用智能化技術(shù)，提升用戶的體驗(yàn)感。用戶通過人臉識(shí)別登錄系統(tǒng)，完成本人的存取件任務(wù)；或者輸入短信通知取件碼代替別人取件。本人存取件流程如圖2所示。用戶登錄后，首先根據(jù)界面提示選擇存件或取件操作。存件過程在終端上的界面主要由輸入收件人（部門）信息、選擇格口規(guī)格、結(jié)束3個(gè)模塊組成。存件操作完成后，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)通信方式將數(shù)據(jù)上傳，數(shù)據(jù)保存在后臺(tái)管理系統(tǒng)，同時(shí)向取件人發(fā)送取件通知。

圖2 本人存取件流程

取件過程的終端界面主要由顯示待取實(shí)物清單、選擇是否馬上取件、提示用戶取件、取件結(jié)束4個(gè)界面組成。取件完成后，系統(tǒng)更新物流狀態(tài)信息及格口狀態(tài)信息。

2 關(guān)鍵技術(shù)

相較于常見的智能物流柜，校園智慧物流平臺(tái)利用人臉識(shí)別來進(jìn)行用戶身份認(rèn)證，并提供了多種模式的服務(wù)：?jiǎn)伟l(fā)單收模式（一般情形）、單發(fā)群收模式（如發(fā)文件、發(fā)作業(yè)）、群發(fā)單收模式（如收作業(yè)、收調(diào)查表）和群發(fā)群收模式（如預(yù)定教材）。平臺(tái)使用便捷，有效解決了校園內(nèi)各類實(shí)物的傳遞問題，同時(shí)平臺(tái)還向用戶提供定制式服務(wù)。

2.1 人臉識(shí)別的實(shí)現(xiàn)

本文基于HI3518E平臺(tái)設(shè)計(jì)在線人臉識(shí)別系統(tǒng)，人臉識(shí)別的流程如圖3所示。其中，視頻采集卡選擇思特威電子科技有限公司的SC2235，該芯片功耗低性能高，采集圖像格式為raw，分辨率為1 936×1 096，傳輸速率60 FPS。采集到圖像后，首先基于拓展Haar特征和Adaboost算法實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)[6]，若檢測(cè)不到人臉，則連續(xù)采集；若檢測(cè)到人臉，則提取LBP特征[7]，并基于PCA方法優(yōu)化特征分量[8]；利用最鄰近分類器將特征分量與人臉庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)[9]，根據(jù)相似度來給出識(shí)別結(jié)果；最后提取該用戶的物流信息并顯示。

圖3 人臉識(shí)別流程

2.2 群發(fā)模式和群收模式的實(shí)現(xiàn)

快遞柜的收發(fā)件模式是單發(fā)單收的，一個(gè)格子只能對(duì)應(yīng)一個(gè)投遞人和一個(gè)取件人。為了提高格口利用率，平臺(tái)支持群發(fā)模式和群收模式。

群發(fā)單收模式是指對(duì)同一收件人，不同存件人可存放多個(gè)實(shí)物于同一格口（例如收各部門文件）。群發(fā)單收模式適用于多個(gè)存件人（部門）向同一個(gè)收件人發(fā)放物品。模式的實(shí)現(xiàn)一方面依賴于系統(tǒng)的記憶功能，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)收件人是否已占用了某個(gè)格口；另一方面依賴于傳感器，在每個(gè)格口上端裝一個(gè)超聲測(cè)距傳感器，自動(dòng)感知到格口內(nèi)實(shí)物上表面距離傳感器的距離，以此判斷是否還可以增放新的實(shí)物。當(dāng)發(fā)現(xiàn)收件人已占用了一個(gè)格口且格口還有剩余空間時(shí)，則自動(dòng)打開該格口，允許其他存件人將物品放置到同一個(gè)口，平臺(tái)同時(shí)記錄給信息并向收件人發(fā)送信息。

單發(fā)群收模式是指同一存件人使用一個(gè)格口給多個(gè)收件人發(fā)送實(shí)物的情形。系統(tǒng)通知到每一個(gè)收件人，收件人各自從格口取出屬于自己的物品，當(dāng)某收件人取走實(shí)物時(shí)，系統(tǒng)更新物流狀態(tài)并重發(fā)通知給其他收件人。該模式非常適用于派送體積很小的文件，或向一個(gè)班的學(xué)生集體發(fā)放作業(yè)等情形。

群發(fā)群收模式是群發(fā)模式和群收模式的組合。

2.3 字體自動(dòng)放大的實(shí)現(xiàn)

平臺(tái)采用點(diǎn)陣顯示屏作為信息顯示的裝置，字符以數(shù)字圖像方式存儲(chǔ)，因此點(diǎn)陣字的縮放處理可以采用數(shù)字圖像縮放的方法。漢字的放大顯示可看作是過采樣，分兩步來完成。首先圖像在長(zhǎng)寬方向按比例放大，即在原圖像上插入新的行和列；然后對(duì)這些新的像素位置賦予灰度值。常用的算法有近鄰域插值、線性插值和非線性插值等，本文采用實(shí)時(shí)性最好的近鄰域插值（Nearest）法，即在新產(chǎn)生的行或列上的像素位置，其灰度值被賦予原圖像上與待插值點(diǎn)空間距離最小的像素的灰度值。

例如將一個(gè)漢字從32×32放大為64×64，可采用如下步驟：首先依次復(fù)制每一列，使得漢字在水平方向上放大為原來的2倍，變?yōu)?2×64；然后復(fù)制新點(diǎn)陣的每一行使得漢字在垂直方向放大為原來的2倍，即得到64×64的漢字。

2.4 自動(dòng)亮度調(diào)整的實(shí)現(xiàn)

顯示屏的亮度由掃描周期內(nèi)顯示屏中各個(gè)LED像素點(diǎn)的點(diǎn)亮?xí)r間決定，點(diǎn)亮?xí)r間越長(zhǎng)顯示屏的亮度越高。因此，可以通過驅(qū)動(dòng)顯示屏的PWM信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)屏的亮度調(diào)整[10]。

自動(dòng)亮度調(diào)整功能由光敏模塊實(shí)現(xiàn)，該模塊主要包含光敏電阻、調(diào)理電路和ARM芯片。光敏電阻的阻值隨著環(huán)境光強(qiáng)度的變化而發(fā)生改變，調(diào)理電路將這種光強(qiáng)的改變轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)，輸出到ARM芯片的A/D端口，然后ARM芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并根據(jù)該數(shù)字信號(hào)的大小來計(jì)算PWM 的占空比，最后將PWM信號(hào)輸出到顯示屏驅(qū)動(dòng)器，從而達(dá)到根據(jù)環(huán)境亮度，自動(dòng)調(diào)整顯示亮度的目的。

亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)的流程如圖4所示。系統(tǒng)每隔10 s讀取1次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；然后基于預(yù)先設(shè)置好的查找表，確定調(diào)光等級(jí)；再根據(jù)調(diào)光等級(jí)換算PWM占空比。

圖4 亮度調(diào)整軟件流程

2.5 功能拓展

2.5.1 將平臺(tái)拓展為高智能快遞柜

校園智慧物流平臺(tái)的用戶身份信息來源于校園信息管理系統(tǒng)，可根據(jù)用戶身份來自動(dòng)設(shè)置用戶的使用權(quán)限。如果拓展用戶管理功能，允許校外用戶（快遞員）注冊(cè)，并設(shè)置針對(duì)該用戶的合理的工作模式（如單發(fā)單收模式），并定時(shí)更新平臺(tái)用戶（如快遞員更換），則校園智能物流平臺(tái)可同時(shí)作為高智能快遞柜來使用。

2.5.2 定制個(gè)性化功能

隨著數(shù)字化時(shí)代的到來，個(gè)性化服務(wù)和用戶體驗(yàn)已成為衡量系統(tǒng)人性化服務(wù)的重要指標(biāo)。

（1）個(gè)性化服務(wù)模版定制模式。用戶刷臉進(jìn)入系統(tǒng)界面，選擇“服務(wù)定制”按鈕，按照個(gè)人喜好需求，在所列選項(xiàng)中進(jìn)行勾選，然后保存，即可實(shí)現(xiàn)定制服務(wù)。例如可設(shè)置為：每次使用校園智能物流平臺(tái)時(shí)系統(tǒng)使用選定的字號(hào)進(jìn)行文字提示，或者自動(dòng)開啟背景音樂、顯示公共信息等。

（2）個(gè)性化服務(wù)歷史定制模式。個(gè)性化服務(wù)歷史定制模式需要針對(duì)用戶使用校園智能物流平臺(tái)的習(xí)慣進(jìn)行分析，如習(xí)慣選擇的字號(hào)、開啟的附加功能等，通過不斷觀察用戶個(gè)性化需求情況，并進(jìn)行自動(dòng)化記錄與保存，為后期服務(wù)風(fēng)格提供依據(jù)。

3 結(jié) 語

在“5G+物聯(lián)網(wǎng)+人工智能”的時(shí)代，智慧工作、智慧生活正在逐步實(shí)現(xiàn)，并且用戶體驗(yàn)感處于動(dòng)態(tài)提高中。本文設(shè)計(jì)的校園智慧物流平臺(tái)，有效提升了校園實(shí)物傳遞系統(tǒng)的信息化水平，降低了經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本，提高了工作效率，提高了師生的滿意度和體驗(yàn)感。