基于計算機(jī)視覺技術(shù)的智能控溫保鮮物流柜設(shè)計

宋文博，云曉麗，董景峰

（東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

隨著改革開放40余年來國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國居民的生活質(zhì)量和消費(fèi)水平也在不斷提高，在飲食需求上，從最初簡單的吃得飽，到后來的吃得好，再到現(xiàn)在追求新鮮、健康、綠色、多樣化的更高層次的飲食需求，體現(xiàn)了當(dāng)下國民對于高品質(zhì)食物的需求越來越高。而如今，網(wǎng)上購物的流行，使得人們對于水果蔬菜等生鮮農(nóng)產(chǎn)品的購買不僅局限于線下，人們更多地開始習(xí)慣于在線上直接在原產(chǎn)地下單購買生鮮農(nóng)產(chǎn)品。這不僅能夠滿足消費(fèi)者對于食品新鮮、綠色的需求，更能順應(yīng)國家“十三五”脫貧攻堅規(guī)劃，帶動當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的脫貧致富。但水果、蔬菜及肉類等生鮮農(nóng)產(chǎn)品在運(yùn)輸和儲存等環(huán)節(jié)中容易受到溫度等多重因素的影響，不當(dāng)?shù)膬Υ娣绞讲粌H會降低農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，更會使其腐敗變質(zhì)，進(jìn)而造成食品的浪費(fèi)，甚至威脅人們的生命財產(chǎn)安全。

由于這些生鮮農(nóng)產(chǎn)品腐敗變質(zhì)的現(xiàn)象很大一部分發(fā)生在儲藏和運(yùn)輸?shù)倪^程中，為防止這些生鮮農(nóng)產(chǎn)品在這過程中腐敗變質(zhì)，人們習(xí)慣性地會采用冷藏的方式對這些食品進(jìn)行保存和運(yùn)輸，但是因為適宜不同生鮮農(nóng)產(chǎn)品儲存的溫度和時間不盡相同，所以盲目地將這些生鮮農(nóng)產(chǎn)品置于同一溫度下儲存和運(yùn)輸很難保證其到達(dá)消費(fèi)者手中的質(zhì)量和口感。以生鮮農(nóng)產(chǎn)品中的蔬菜為例，每種蔬菜的最佳儲藏溫度和儲藏時間都不同，有的蔬菜如南瓜適宜10℃以上儲藏，有的蔬菜如菠菜適宜0℃-4℃儲藏，有的蔬菜如大蒜適宜0℃或0℃以下保存，見表1。如果不能在適宜溫度下進(jìn)行儲藏，不僅會縮短蔬菜的保質(zhì)期，降低蔬菜的賣相和品質(zhì)，更會加速其體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，形成亞硝酸鹽等威脅人健康的物質(zhì)。

表1 不同蔬菜的最佳儲存溫度和時間

為解決農(nóng)產(chǎn)品貯藏和運(yùn)輸過程中容易產(chǎn)生變質(zhì)的問題，目前市場上現(xiàn)有的保鮮物流柜主要都是針對物流柜的功能性等方面進(jìn)行改進(jìn)，使其具備有冷藏生鮮等多功能性的優(yōu)點(diǎn)。而徐沖，等提出了基于太陽能光伏制冷技術(shù)的新型生鮮自提柜的想法，提出了利用太陽能降低自提柜的運(yùn)營成本，并將自提柜內(nèi)部細(xì)分為各個不同的區(qū)域來儲存食品的想法。王振杰，等首次提出了利用計算機(jī)視覺技術(shù)來檢測食品腐敗的想法，他認(rèn)為鑒于計算機(jī)視覺技術(shù)擁有快速識別的能力，可以替代部分人力，減少檢測食品腐敗的繁瑣過程。王中林針對獼猴桃在特定溫度下的獨(dú)特貯存條件，提出了獼猴桃氣調(diào)保鮮技術(shù)，為獼猴桃提供個性化的儲藏方式來延長獼猴桃的保質(zhì)期限。林鵬飛提出了一種人臉識別的自助物流柜，提出了將攝像頭與物流柜相結(jié)合完成人臉識別付款取貨的想法。汪靜提出了一種基于STM32的智能物流柜，提出用鍵盤和顯示器實現(xiàn)物流柜與用戶的智能化交互的想法，從而便于用戶的提貨以及后臺工作人員管理物流柜。

本文基于以上理論研究和分析，提出了一種基于計算機(jī)視覺技術(shù)的智能控溫保鮮物流柜。作為人工智能的重要領(lǐng)域之一，計算機(jī)視覺技術(shù)的具體工作原理主要是通過用攝像機(jī)等設(shè)備代替人的視覺感官，用計算機(jī)代替人的大腦，最終使計算機(jī)具備類似于人類的識別、判斷以及記憶目標(biāo)的功能，進(jìn)而代替人類完成部分作業(yè)，如圖1所示。

圖1 計算機(jī)視覺技術(shù)工作原理

在農(nóng)業(yè)種植方面，應(yīng)用計算機(jī)視覺的果蔬識別技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品超市化經(jīng)營、農(nóng)業(yè)自動化等領(lǐng)域都具有巨大的應(yīng)用前景。而本文設(shè)計的智能控溫保鮮物流柜通過利用計算機(jī)視覺技術(shù)，代替人們完成識別生鮮農(nóng)產(chǎn)品種類的任務(wù)，幫助人們將不同的生鮮農(nóng)產(chǎn)品劃分至不同的保鮮區(qū)域，并由計算機(jī)根據(jù)其具體種類制定不同的保鮮方案，設(shè)置最適的溫度，并利用語音播報的方式告知人們具體保鮮箱、控溫箱以及冷藏箱的位置，放進(jìn)食物后根據(jù)保鮮方案自動調(diào)節(jié)保鮮柜的溫度，以達(dá)到生鮮農(nóng)產(chǎn)品儲存的最佳溫度。同時，由于設(shè)計的物流柜內(nèi)設(shè)置有多個保鮮箱，可用于同時儲存多個種類的生鮮食品。另外，在生鮮農(nóng)產(chǎn)品被取出后，還能夠利用保鮮箱中的拉桿與套筒對保鮮箱內(nèi)的食物殘渣進(jìn)行取出清理，從而達(dá)到箱內(nèi)干凈衛(wèi)生的效果。

1 智能控溫保鮮物流柜的設(shè)計

1.1 物流柜的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

物流柜的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。物流柜包括活動連接于物流柜左側(cè)的鉸接件，以及活動連接于鉸接件左側(cè)的密封門，活動連接于密封門正面的密封條，密封條能夠?qū)耋w本體內(nèi)的冷氣進(jìn)行密封隔絕，保證柜體本體的冷藏效果，還包括物流柜的內(nèi)部左側(cè)固定連接于密封門外表面的用于識別生鮮種類的顯示屏以及顯示屏連接的語音播報器，左側(cè)的顯示屏和語音播報器可識別生鮮農(nóng)產(chǎn)品外包裝上的二維碼，進(jìn)行相應(yīng)的語音播報功能，從而告知人們具體的生鮮農(nóng)產(chǎn)品應(yīng)被放置的右側(cè)區(qū)域。

圖2 物流柜的整體設(shè)計圖

柜體內(nèi)部右側(cè)為生鮮農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行保鮮的區(qū)域，后臺的計算機(jī)根據(jù)顯示屏識別的生鮮農(nóng)產(chǎn)品信息對其進(jìn)行保鮮溫度的調(diào)控，設(shè)置有三個機(jī)構(gòu)，分別為設(shè)置在柜體內(nèi)部的保鮮機(jī)構(gòu)、設(shè)置在保鮮機(jī)構(gòu)底部的控溫機(jī)構(gòu)，以及設(shè)置于控溫機(jī)構(gòu)底部的冷藏機(jī)構(gòu)。保鮮機(jī)構(gòu)儲藏的大多為南瓜等常溫下的水果蔬菜，控溫機(jī)構(gòu)可用于儲存的生鮮農(nóng)產(chǎn)品為菠菜等大多適宜低溫儲藏的水果蔬菜，冷藏機(jī)構(gòu)能夠?qū)εＨ獾冗m宜低溫冷凍的肉制品進(jìn)行冷藏保存，三個溫度調(diào)控機(jī)構(gòu)從而達(dá)到了該物流柜對不同生鮮食物進(jìn)行分類存放的要求。

第一調(diào)節(jié)冷腔內(nèi)的保鮮箱儲藏的大多為南瓜等常溫下的水果蔬菜，這類生鮮產(chǎn)品在低溫下可能會降低口感甚至加速變質(zhì)，所以保鮮箱內(nèi)的溫度會根據(jù)具體保鮮的生鮮農(nóng)產(chǎn)品的需要通常取為10℃以上的溫度，但是由于箱體溫度相對較高，很容易在取出生鮮食品后殘留食品的氣味和殘渣。為方便對箱體內(nèi)部進(jìn)行清理工作，第一調(diào)節(jié)冷腔內(nèi)部的保鮮箱可以利用拉桿對隔層板進(jìn)行拆裝。此外，拉桿在拉動時，由于內(nèi)部的彈簧為其提供彈力，進(jìn)而達(dá)到了便于將隔層板進(jìn)行限位固定與方便拆卸的效果，避免了隔層板固定在保鮮箱內(nèi)難以拿出清理的情況，從而使保鮮箱可以經(jīng)常性地拆裝和清理內(nèi)部殘留的污垢

第二調(diào)節(jié)冷腔內(nèi)的控溫箱包括加工在控溫箱內(nèi)壁的兩個穩(wěn)固槽、橫板內(nèi)部兩側(cè)的兩個復(fù)位片，復(fù)位片的存在能夠方便將穩(wěn)固塊插入穩(wěn)固槽內(nèi)。第三調(diào)節(jié)冷腔內(nèi)的冷藏箱低溫保存的絕大多數(shù)為肉類，為了方便能夠大量地儲存和取出肉類，冷藏箱的內(nèi)部設(shè)置有兩個滑軌以及活動連接于兩個滑軌頂部的物品籃，物品籃的設(shè)置能夠增大肉類的存放空間，滑軌的設(shè)置是為能夠方便將物品籃從冷藏箱內(nèi)拿出。此外，物流柜內(nèi)部的保鮮箱與控溫箱的溫度高于冷藏箱的溫度。

1.2 物流柜的工作流程和識別原理

物流柜工作流程如圖3所示。物流柜內(nèi)部左側(cè)的顯示屏中設(shè)置有紅外線傳感器設(shè)備，當(dāng)生鮮農(nóng)產(chǎn)品出現(xiàn)在紅外線感應(yīng)距離以內(nèi)時，用于識別種類的顯示屏自動開啟，其余時間顯示屏則均處于關(guān)閉的狀態(tài)。紅外線傳感器的嵌入，一方面可以對顯示屏前的實物進(jìn)行感應(yīng)，進(jìn)而控制顯示屏的開啟與關(guān)閉；另一方面在空閑狀態(tài)下使顯示屏處于關(guān)閉狀態(tài)，可以節(jié)約物流柜的用電。顯示屏能夠?qū)Σ煌N類的水果和蔬菜進(jìn)行識別，進(jìn)而確立不同的保鮮方案對其進(jìn)行保鮮處理。當(dāng)顯示屏開啟后，通過掃描識別貼附在生鮮農(nóng)產(chǎn)品外表面的二維碼，根據(jù)后臺數(shù)據(jù)，進(jìn)而判斷出生鮮農(nóng)產(chǎn)品的種類和適宜儲藏的具體溫度，并通過與之表面連接的語音播放器進(jìn)行自動播報，對食物被劃分后的區(qū)域以及上方的數(shù)字牌進(jìn)行播報，告知人們應(yīng)將其具體放在哪個箱體中進(jìn)行保鮮。生鮮農(nóng)產(chǎn)品被放入對應(yīng)箱體內(nèi)后，箱門關(guān)閉，箱體所在的調(diào)節(jié)冷腔開始工作。調(diào)節(jié)冷腔將會根據(jù)物流柜后臺計算機(jī)在二維碼上識別出的具體信息，調(diào)節(jié)剛放入的生鮮農(nóng)產(chǎn)品對應(yīng)箱體內(nèi)的溫度，并使之維持在該生鮮農(nóng)產(chǎn)品最適的溫度下進(jìn)行保鮮和儲存。

圖3 物流柜的具體工作流程

用于識別生鮮農(nóng)產(chǎn)品種類的顯示屏的工作原理主要通過Visual Studio中的C++來實現(xiàn)和完成，其具體的工作方式為首先在計算機(jī)后臺中提前存入帶有各類生鮮農(nóng)產(chǎn)品信息的二維碼，并建立一個與之相對應(yīng)的表格進(jìn)行管理和分類，一方面識別二維碼后直接在后臺表格上進(jìn)行顯示；另一方面方便后期人員對存儲的生鮮食品信息進(jìn)行核對校驗，物流柜后臺計算機(jī)分類表格制作程序及表格形式如圖4所示。而顯示屏開啟后將對生鮮農(nóng)產(chǎn)品表面貼附的二維碼進(jìn)行識別掃描，若不能進(jìn)行識別，則為后臺未存入與該生鮮食品相對應(yīng)的二維碼，即對應(yīng)的文件不存在，進(jìn)而播報識別錯誤，若能夠正常識別，則對生鮮食品進(jìn)行依次分類，分類完畢后將信號傳遞給與之相連接的語音播放器，從而進(jìn)行對應(yīng)的語音播報。

圖4 物流柜后臺計算機(jī)分類程序及表格形式

1.3 物流柜的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

生鮮農(nóng)產(chǎn)品被分類放入不同的箱體后，箱門關(guān)閉，對應(yīng)的物流箱根據(jù)后臺給出的該農(nóng)產(chǎn)品最佳適宜溫度進(jìn)行調(diào)控。以第一調(diào)節(jié)冷腔中的保鮮箱為例，如圖5所示，當(dāng)生鮮農(nóng)產(chǎn)品被放入保鮮箱后，通過溫度傳感器以及濕度傳感器確定對應(yīng)箱中的溫度，并通過溫度顯示屏以及溫度計顯示出來，之后根據(jù)該農(nóng)產(chǎn)品的最佳儲存溫度，箱內(nèi)的制冷元件（圖中未標(biāo)出）和制熱元件開始工作，使溫度控制在該范圍內(nèi)，并通過溫度顯示屏和溫度計顯示出來。

圖5 保鮮箱的溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)的總體設(shè)計思想是以AT89C52單片機(jī)為該溫度控制系統(tǒng)的核心。整個溫度系統(tǒng)的硬件部分包括溫度采集模塊，溫度輸入模塊，溫度顯示模塊以及執(zhí)行系統(tǒng)模塊。溫度采集模塊采集箱內(nèi)的溫度，溫度輸入模塊為后臺輸入的溫度范圍，單片機(jī)控制系統(tǒng)通過比較兩個模塊中的溫度，進(jìn)而傳遞給溫度顯示模塊和執(zhí)行系統(tǒng)模塊，調(diào)控箱內(nèi)的溫度，如圖6所示。

圖6 溫度控制系統(tǒng)的整體設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)模塊設(shè)計，在Proteus中搭建電路原理圖，同時根據(jù)主程序流程在Keil中編寫C語言程序，實現(xiàn)Proteus實驗仿真，仿真實驗原理圖如圖7所示。

圖7 Proteus仿真實驗原理圖

仿真結(jié)果：輸入的溫度在10℃—15℃之間。當(dāng)溫度在7℃時，RL1吸合，RL2斷開，制熱元件開始工作，當(dāng)溫度升至10℃以上時，RL1斷開，制熱元件停止工作。當(dāng)溫度在19℃時，RL2吸合，RL1斷開，制冷元件開始工作，當(dāng)溫度降為15℃以下時，RL2斷開，制冷元件停止工作。

2 結(jié)語

果蔬生鮮是人們?nèi)粘ｏ嬍持斜夭豢缮俚氖澄铮鼈優(yōu)槿藗兲峁┴S富的營養(yǎng)素。同時，果蔬生鮮產(chǎn)品在運(yùn)輸儲存的過程中極易變質(zhì)腐敗，人們食用之后，不僅僅不會給人們的身體帶來益處，反而還會對人們的身體健康造成損害，也會給產(chǎn)業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。為減少果蔬生鮮產(chǎn)品在貯藏、銷售過程中的腐敗變質(zhì)，產(chǎn)業(yè)中常用化學(xué)方法對其進(jìn)行保鮮處理。目前，已有許多研究探討了采后外源化學(xué)處理對果實品質(zhì)的維護(hù)作用。但化學(xué)保鮮劑常存在化學(xué)殘留、產(chǎn)生抗性菌株的風(fēng)險，因此尋找一種綠色安全高效智能的保鮮方式，成為了許多研究者們關(guān)注的問題。目前我國果蔬貯藏保鮮技術(shù)主要存在能耗高、設(shè)備投資大、保鮮品種較為單一和倉儲能力季節(jié)性閑置的問題。

科技改變生活，利用科學(xué)的手段，讓保鮮技術(shù)更上一層樓，建立切實可行的貯藏保鮮技術(shù)，實現(xiàn)果蔬生鮮的最后一公里安全運(yùn)輸。本研究中的智能控溫保鮮物流柜面對的對象不僅僅局限于果蔬類，還面向了生鮮，實現(xiàn)了“一機(jī)多品種保鮮”“一機(jī)多用”的目標(biāo)。且本產(chǎn)品以視覺識別技術(shù)為基礎(chǔ)，以低溫保鮮技術(shù)為手段，更是加快了保鮮技術(shù)向智能化發(fā)展的步伐，讓人們在對眾多果蔬生鮮產(chǎn)品的保鮮上，能夠更輕松應(yīng)對。