回收紙箱打碼識別系統(tǒng)開發(fā)與應用

摘 要：本文結合相機、軟件與激光打碼設備，設計了一種新型回收紙箱打碼識別系統(tǒng)，包括激光打碼裝置、煙箱檢測識別裝置2個部分，其可以自動識別和判斷回收煙箱，并打碼標記紙箱。煙箱檢測裝置的軟件部分基于PP-OCR模型來實現(xiàn)圖像識別。本文采用100個煙箱進行測試，結果表明，系統(tǒng)能夠準確識別非回收煙箱和回收煙箱，同時可以正確標記回收煙箱的回收次數(shù)。

關鍵詞：回收煙箱；相機；激光打碼；PP-OCR模型

中圖分類號：TP 39" " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

煙箱是卷煙在市場流通運輸過程中的包裝物，很多時候煙箱僅使用一次就被當作廢品丟棄，造成資源浪費[1]。2013年6月，各全行業(yè)在國家的鼓勵下開始推進包裝循環(huán)利用，實現(xiàn)商品包裝物使用的綠色化、輕量化以及可循環(huán)化[2-4]。煙草產品市場流通量巨大，通過積極推動煙箱回收，可以節(jié)省社會資源，減少紙箱對環(huán)境的污染，煙草企業(yè)也可因此節(jié)省大量紙箱生產成本[5]。然而，紙箱的循環(huán)使用次數(shù)并不是無限的，當超過限制次數(shù)時，就有可能發(fā)生破損[6]，進而出現(xiàn)漏煙、損壞煙條的情況，而如何在回收環(huán)節(jié)識別檢測出這類有問題的紙箱成為關鍵[7]。基于此，本文設計了一種回收煙箱循環(huán)次數(shù)打碼識別系統(tǒng)。系統(tǒng)識別檢測煙箱上的回收標志，檢測回收次數(shù)是否達到規(guī)定限值，如果超過，則系統(tǒng)自動發(fā)出警告，提示煙箱已無法繼續(xù)循環(huán)使用；如果未超過，則打碼系統(tǒng)在煙箱上標記當次循環(huán)次數(shù)。本文將介紹系統(tǒng)組成與關鍵部分設計原理。

1 系統(tǒng)總體結構

本系統(tǒng)由煙箱檢測識別裝置、激光打碼裝置2部分構成。

1.1 煙箱檢測識別裝置

煙箱檢測識別裝置如圖1所示，具有清晰度高、速度快和精度高等特點。煙箱檢測識別裝置由上檢測裝置和下檢測裝置組成。上檢測裝置拍照檢測整個煙箱側面，識別其他煙廠的標志，范圍覆蓋上半部分煙箱，精度較低；下檢測裝置檢測激光打碼區(qū)域，識別激光打碼的數(shù)字，范圍較小，精度較高。

檢測裝置的軟件系統(tǒng)基于PP-OCR模型構成。PP-OCR是一種端到端的光學字符識別（OCR）模型，它采用基于檢測的識別（DBR）技術，可以直接從原始圖像中提取文本信息，無須額外的手工特征工程。在訓練過程中，模型使用大量的標注文本數(shù)據(jù)進行監(jiān)督學習，以提高其識別準確性。其原理包括以下4個步驟。步驟一，預處理。將輸入的圖像進行預處理，包括縮放、旋轉和去除噪聲等操作，以提高后續(xù)處理的準確性。步驟二，文本檢測。在預處理后的圖像中，使用文本檢測算法檢測出所有可能包括文本的區(qū)域。PP-OCR采用PSENet算法進行文本檢測，該算法可利用數(shù)據(jù)進行監(jiān)督。步驟三，文本識別。使用文本識別算法將檢測的每個文本區(qū)域轉換為文本字符串。PP-OCR采用CRAFT算法和Rosetta算法進行文本識別。步驟四，后處理。對識別的文本進行后處理，包括去除重復字符、糾錯和修正大小寫等操作。PP-OCR模型識別原理如圖2所示。

1.2 激光打碼裝置

激光打碼裝置如圖3所示。激光打碼裝置由機器支架、主控屏、激光器（內置激光器和主控電源）、振鏡頭以及光電開關組成。激光打碼裝置的工作原理是將激光以極高的能量密度聚集在被刻標的物體表面，通過燒灼和刻蝕，將其表層的物質氣化，并通過控制激光束的有效位移，精確灼刻出圖案或文字[8]。

2 識別檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構

煙箱打碼識別系統(tǒng)由物理層、網絡層和應用層組成，系統(tǒng)架構如圖4所示。物理層由煙箱回收傳感器和質量傳感器組成，以手機App的形式呈現(xiàn)；網絡層運行核心在于物聯(lián)網技術，可以使煙箱回收在手機App上實現(xiàn)信息化連接，向手機App傳輸識別煙箱的數(shù)據(jù)；應用層主要是煙箱回收、計重等功能的承載體。

2.2 功能模塊

功能模塊包括5個部分。1）預處理模塊。主要負責在煙箱打碼、掃描環(huán)節(jié)濾除噪聲，并保留所有原始標志信息所包括的有效數(shù)據(jù)。2） 信息提取模塊。通過該模塊可以提取煙箱關鍵特征參數(shù)。3）聲學模型訓練。此模塊的作用是從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中快速匹配到最適合的原始信號特征。4）語言模型訓練。對模板匹配過程中容易出現(xiàn)的信息參數(shù)進行判斷，提高煙箱識別效率。5）解碼模塊。該模塊需要利用搜索算法，在識別到的煙箱標志信息中獲取最終結果。系統(tǒng)功能模塊組成如圖5所示。

2.3 煙箱識別信息處理

回收煙箱識別的標志信息，需要展開數(shù)字化處理和預處理，以提高系統(tǒng)的識別效率[9]。數(shù)字化處理包括預濾波、采樣和模數(shù)轉換，預處理則需要進行中值濾波、預加重、加窗、分幀和檢測端點。因為采集到的標志信息有時是以模擬信號的形式存在的，所以通過數(shù)字化處理和預處理，能夠快速轉換模擬信號為適合計算的數(shù)字信號。另外，當使用該系統(tǒng)識別煙箱時，難免存在一些干擾因素，考慮到后續(xù)煙箱識別標志信息的處理效果，需要進一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。例如在預濾波階段，采集到的原始信號可根據(jù)采樣定理，在8 kHz～16 KHz的頻率范圍內進行采樣。在采樣前，工作人員應完成預濾波處理，此環(huán)節(jié)相當于使用帶通濾波器。預濾波結束后，工作人員可以選擇合適的采樣頻率，保證等距離離散時間內恢復原始信號。在模數(shù)轉換階段，當數(shù)據(jù)信號已經進行了采樣時，工作人員可以利用模數(shù)轉換器，轉換模擬信號為數(shù)字信號。經過上述處理的語音信號，無論是時間還是幅度，都要達到離散效果。

2.4 檢測與預警

在系統(tǒng)識別煙箱的過程中，用戶設定煙箱回收次數(shù)，如果檢測發(fā)現(xiàn)已經達到設定要求，系統(tǒng)就會自動預警。此功能需要語音播報與檢測模塊來實現(xiàn)。設計中建議使用MP3-FLASH-16P串口語音模塊，并選取SPI通信方法。通過串口指令便可以完成基本功能，避免了煩瑣的基礎處理[10]。另外，此次選擇的串口語音模塊也可作為播放器，當系統(tǒng)識別到已經滿足回收次數(shù)的煙箱時，可以通過LD3320模塊對信號指令進行識別，串口自動向MP3模塊傳輸指令。模塊接受指令后，根據(jù)系統(tǒng)的判定結果做出預警。系統(tǒng)識別還具有紅外感應功能，此功能的實現(xiàn)得益于紅外技術，如果系統(tǒng)識別中存在障礙物，那么接收管反射接收紅外信號，同時利用傳感器接口將FPGA返回，由系統(tǒng)判斷煙箱的回收次數(shù)是否已經達到設定限值。

3 功能實現(xiàn)過程

回收煙箱分為2種，一種是有綠色回收標志的煙箱，另一種是經過激光打碼，有激光噴碼標志的全新煙箱。

3.1 有綠色回收標志的回收煙箱

如果是有綠色回收標志的回收煙箱，相機采集到畫面后，就由軟件進行分析。如果畫面中出現(xiàn)1個綠色標志，表明此煙箱已經在其他地方使用過1次，那么軟件會給激光發(fā)送打“2”的指令，煙箱左下角的標志變?yōu)椤?012”；如果出現(xiàn)2個綠色標志，那么發(fā)送打“3”的指令，煙箱左下角的標志變?yōu)椤?0123”。當達到用戶設置的最大次數(shù)時，系統(tǒng)會輸出一個報警信號，提醒用戶此煙箱已達到使用極限，繼續(xù)使用可能會導致煙箱損壞。帶回收標志的煙箱如圖6所示。

3.2 全新煙箱

當煙箱通過檢測裝置時，如果檢測不到任何回收標志，系統(tǒng)就將發(fā)送打“001”的指令給激光裝置。這個指令的目的是通知激光裝置將此煙箱標記為全新的煙箱。激光裝置會根據(jù)指令在煙箱上進行標記，例如打上一個明顯可見的“001”的標志。

這個標志對后續(xù)回收和再利用過程非常重要。一旦有人或機器檢索到這個帶有標志的煙箱，就能確定它是全新的而不是已經回收過的。這樣，回收系統(tǒng)可以將注意力集中在那些確實需要回收和處理的煙箱上，提高資源利用效率和回收過程的效益。使用這樣的檢測裝置和激光標記系統(tǒng)能夠更好地跟蹤和管理煙箱的狀態(tài)，有助于回收過程的精確性和可追溯性，并促進可持續(xù)資源管理。同時，這種技術還為回收系統(tǒng)提供了一種自動和高效的方式來標記全新煙箱，并為后續(xù)的處理和再利用工作提供準確的信息。

4 試驗設計

4.1 試驗條件

本項目采用100個煙箱進行試驗，每種類型各有一定數(shù)量。在預設規(guī)則中，該設備的閾值設置為當煙箱回收次數(shù)≥3次時報警。

4.2 試驗技術

本次針對煙箱回收識別的試驗設計，為了實現(xiàn)精準識別，主要利用射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術。該技術利用無線射頻，在回收煙箱的過程中，可以實現(xiàn)無接觸式的雙向數(shù)據(jù)通信。期間應用無線射頻手段，讀取煙箱上方電子標簽或射頻卡，獲取識別目標，在此環(huán)節(jié)還可以交換煙箱相關數(shù)據(jù)。在煙箱識別的過程中，煙箱上方有回收標志，試驗人員使用射頻識別設備讀取回收標志，采集標志對應煙箱的數(shù)據(jù)信息。這一回收標志的識別過程即使用RFID卡片閱讀器和電子標簽實現(xiàn)雙方通信的過程。在這個過程中實際采取的通信方式和能量感應方式一般有2種，一種是感應耦合，另一種是后向散射耦合。實際上當識別煙箱回收標志時，可根據(jù)是否屬于低頻識別做出選擇。低頻識別通常選擇感應耦合，較高頻識別則以后向散射耦合為主。

4.3 試驗過程

基于RFID技術組織煙箱回收識別試驗，按照識別過程進行設計。系統(tǒng)開始運行后自動讀取拍攝的圖像，對圖像進行灰度化和去噪等一系列處理，判定煙箱上方的回收標志是否能夠識別。經過圖像特征對比、條件對比等過程，完成識別。基于此，總結試驗流程如下。首先，試驗人員啟動煙箱回收檢測系統(tǒng)，按照順序，依次使用系統(tǒng)識別100個煙箱。其次，在通過識別的過程中，系統(tǒng)中的煙箱檢測裝置會自動拍攝煙箱的照片并將其上傳到軟件中，自動識別并獲取圖片中的煙箱數(shù)據(jù)，將其自動分類。再次，軟件獲取上傳的煙箱標志信息后，便會以自動識別的方式，處理煙箱上的回收標志，并根據(jù)回收標志數(shù)量進行分類。從次，軟件根據(jù)自動識別的標志信息，給激光打碼設備發(fā)送相應的指令，同時在煙箱上標記回收標志。最后，軟件輸出相應的報警信息。

4.4 試驗數(shù)據(jù)與結果

基于上述試驗流程，整理100個煙箱，識別結果見表1。

從表1可知，未回收表示在煙箱上無回收標志；回收1次表示煙箱上有1個回收標志或“001”標志；回收2次表示煙箱上有2個回收標志或“0012”標志；回收3次表示煙箱上3個回收標志或“00123”標志。試驗結果表明，本研究方法能夠有效地判斷非回收煙箱和回收煙箱，并能夠正確標記回收煙箱的回收次數(shù)，試驗結果整體準確率達到100%。

5 結論

本文研究了一種新型回收紙箱打碼識別系統(tǒng)，通過軟件與激光打碼設備配合，能夠對回收煙箱進行自動識別和判斷并打上相對應的標志。該系統(tǒng)的技術優(yōu)勢為可進行精準識別，通過高精度相機和圖像識別算法，實現(xiàn)對煙箱回收標志的精準識別，避免漏檢和誤判的情況。當進行數(shù)據(jù)分析時，該系統(tǒng)可以分析每個回收箱的回收次數(shù)，針對不同情況分別進行處理。該系統(tǒng)具有良好的環(huán)保效益，對煙箱回收舉措有很好的促進作用；具有良好的市場效益，能夠減少煙箱因回收次數(shù)過多而對市場產生的不良影響，降低市面上不良煙箱出現(xiàn)的概率。該系統(tǒng)具有準確率高、速度快和通用性強等優(yōu)點，能夠實現(xiàn)對煙箱回收的自動化處理，具有重要的應用價值和推廣前景。

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