基于ESP32-CAM的農(nóng)產(chǎn)品免拆封預(yù)檢預(yù)視系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：傳統(tǒng)的檢視方法不僅費時費力，更無法準(zhǔn)確掌握未抽檢農(nóng)產(chǎn)品的情況，因此設(shè)計了一種基于ESP32-CAM的農(nóng)產(chǎn)品包裝免拆封預(yù)檢預(yù)視系統(tǒng)。系統(tǒng)前端采用ESP32-CAM實現(xiàn)現(xiàn)場封裝前的拍照上傳功能，服務(wù)器端在存儲照片后向前端推送生成的二維碼并將其打印、粘貼在包裝箱上，方便檢查人員和購買者直接通過掃描二維碼來獲取農(nóng)產(chǎn)品裝箱時的原始情況，實現(xiàn)對裝箱農(nóng)產(chǎn)品在免拆封情況下的預(yù)檢預(yù)視。由此可知，該系統(tǒng)有利于保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，保障消費者權(quán)益，促進農(nóng)產(chǎn)品消費。

關(guān)鍵詞：農(nóng)產(chǎn)品；免拆封；預(yù)檢預(yù)視；二維碼；ESP32-CAM；翻轉(zhuǎn)裝置

中圖分類號：TP391；S24 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）02-00-04

0 引 言

近年來，隨著全球農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易的不斷增長和市場需求的不斷擴大，包裝箱在農(nóng)產(chǎn)品運輸和儲存中起著至關(guān)重要的作用。在物流鏈中，為了確保產(chǎn)品質(zhì)量，封裝在包裝箱中的農(nóng)產(chǎn)品也面臨著各種檢視與監(jiān)管。

傳統(tǒng)的檢視方法往往需要打開包裝箱，由人工直接觀察包裝箱內(nèi)部的產(chǎn)品情況。拆箱抽檢不僅費時費力，更無法準(zhǔn)確掌握未抽檢農(nóng)產(chǎn)品的情況，只能依靠推測，不確定性極高，難以保障產(chǎn)品質(zhì)量。

本文提出了一種實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品免拆封預(yù)檢預(yù)視的方法，其基本思路是：在農(nóng)產(chǎn)品封裝現(xiàn)場，利用攝像頭拍攝農(nóng)產(chǎn)品封裝時的原始情況并上傳到信息系統(tǒng)中，并提供二維碼，便于檢查人員和購買者掃碼獲得原始信息。通過這種方式，推動農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)營者誠信經(jīng)營，賦予檢查人員免拆封預(yù)檢能力，為購買者提供購前免拆封預(yù)視手段，進而提升農(nóng)產(chǎn)品在物流、銷售環(huán)節(jié)的管理水平和用戶體驗。

1 總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)由翻轉(zhuǎn)裝置、嵌入式前端和后端信息系統(tǒng)3部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，翻轉(zhuǎn)裝置的主要作用是對農(nóng)產(chǎn)品的包裝箱進行上下面翻轉(zhuǎn)，使得機器能夠?qū)Πb箱上下兩面的農(nóng)產(chǎn)品情況進行拍攝；嵌入式前端以ESP32-CAM作為主控制器[1]，使用攝像頭實現(xiàn)拍攝功能，通過外接小型觸摸屏進行操作，連接打印機，由Python實現(xiàn)軟件功能[2]，將拍攝數(shù)據(jù)上傳至后端信息系統(tǒng)，打印回傳的二維碼[3]；后端信息系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫和文件系統(tǒng)中存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過Web應(yīng)用提供數(shù)據(jù)管理界面和鏈接解析服務(wù)，以便用戶掃描二維碼時可以顯示對應(yīng)的拍攝信息，后端信息系統(tǒng)可通過公網(wǎng)IP或?qū)⑵洳渴鹪诠性破脚_為檢查人員和購買者提供訪問服務(wù)。

2 翻轉(zhuǎn)裝置設(shè)計

翻轉(zhuǎn)裝置能夠?qū)b箱抬起并進行翻轉(zhuǎn)，使攝像頭能夠拍攝到箱內(nèi)的細節(jié)。設(shè)計過程中考慮了機構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性和操作的便捷性，以確保包裝箱能夠順利翻轉(zhuǎn)并保持穩(wěn)定。包裝箱剖面如圖2所示。

在對包裝箱內(nèi)農(nóng)作物拍照前，用戶通過裝置上的把手推動連桿，將左右支撐桿撐開，伸入如圖3所示的包裝箱透氣孔中，對包裝箱進行支撐和夾持。支撐桿在包裝箱中起到分隔上下兩面和放置農(nóng)作物的作用，并在一面農(nóng)作物拍照完成并封箱后，利用手柄將包裝箱進行180°翻轉(zhuǎn)，對包裝箱的另一面進行同樣的裝箱、拍照、封裝操作。

包裝箱翻轉(zhuǎn)裝置可以將包裝箱從不同角度翻轉(zhuǎn)，便于攝像頭拍攝箱內(nèi)的各個角落，無死角檢測包裝箱的內(nèi)部情況，同時可以減少人工操作的干預(yù)，減少誤差和降低風(fēng)險。

3 嵌入式前端設(shè)計

3.1 ESP32-CAM簡介

ESP32-CAM 是一款強大的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板，集成了ESP32芯片和OV2640 200萬像素攝像頭模塊，支持最高1 600×1 200像素的靜態(tài)圖像捕捉和視頻流輸出，它內(nèi)置WiFi和藍牙功能，支持IEEE 802.11b/g/n WiFi協(xié)議和藍牙4.2協(xié)議棧，可以進行無線數(shù)據(jù)傳輸和遠程控制，具有較好的通信和計算能力并支持Arduino IDE開發(fā)。本系統(tǒng)使用ESP32-CAM便可實現(xiàn)拍照上傳功能。

3.2 前端結(jié)構(gòu)與開發(fā)環(huán)境

前端結(jié)構(gòu)如圖4所示。

選擇帶I2C（Inter-Integrated Circuit）接口的小型OLED顯示屏來顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和操作提示。I2C是一種串行通信總線，使用多主從架構(gòu)。I2C使用2條雙向漏極開路線。其中一條線為傳輸數(shù)據(jù)的串行數(shù)據(jù)線（Serial Data Line， SDA），連接GPIO26；另一條線是啟動或停止傳輸以及發(fā)送時鐘序列的串行時鐘線（Serial Clock Line， SCL），連接GPIO27。SDA和SCL連接完成后需要安裝u8g2庫進行顯示屏驅(qū)動，其針對Arduino內(nèi)存小的特點，使用分時顯示的方式，只需占用較小內(nèi)存就可以驅(qū)動比較大的屏幕。

在GPIO12～GPIO15端口連接按鈕實現(xiàn)對拍照、打印的控制，GPIO12～GPIO15通常用于連接SPI總線的MISO、MOSI、SCLK和CS引腳，由于本系統(tǒng)使用I2C接口連接顯示器，所以它們也可以用作一般的輸入引腳。

在存儲方面，ESP32-CAM支持容量最大4 GB的TF卡，所以我們選擇用它來完成照片和二維碼的存儲。

Arduino IDE是一個用于編寫和上傳代碼到Arduino微控制器板的開發(fā)工具，適用于Windows、macOS和Linux操作系統(tǒng)。其提供了一些預(yù)定義的庫和函數(shù)，用于控制各種輸入和輸出設(shè)備，如LED、電機、傳感器等。它具有平臺開源、跨平臺支持、強大的庫和函數(shù)支持、廣泛的硬件支持等優(yōu)點。

首先在PC端安裝 Arduino IDE，并設(shè)置開發(fā)環(huán)境，添加所需的ESP32-CAM開發(fā)板數(shù)據(jù)包，以及WiFi庫、攝像頭庫和Web庫等，并對ESP32-CAM進行識別。之后將ESP32-CAM連接到PC上，在所使用的PC端安裝CH340驅(qū)動，后根據(jù)圖5連接CH340與ESP32-CAM。CH340是一款通用的USB轉(zhuǎn)串口芯片，可以使用USB接口將ESP32-CAM連接到上位機，從而進行編程和調(diào)試。驅(qū)動程序安裝完成后，可以使用CH340連接ESP32-CAM，將ESP32-CAM的UOR和UOT端口分別用杜邦線連接到CH340的TX和RX端口，然后將ESP32-CAM的GND端口連接到CH340的GND端口。需要注意的是，IO0和GND短接時為下載模式，斷開時為運行模式，所以在開發(fā)時需要將IO0與GND短接。之后將CH340與PC連接。安裝完成后，由于需要將拍攝的照片上傳至服務(wù)器，所以要設(shè)置WiFi連接參數(shù)，包括SSID和密碼，便于將ESP32-CAM連接到本地網(wǎng)絡(luò)。隨后創(chuàng)建1個異步網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端口上的對象，并初始化攝像頭模塊，燒錄程序，當(dāng)ESP32連接網(wǎng)絡(luò)后，將出現(xiàn)以HTTP開頭的地址鏈接，點擊該鏈接即可看到攝像頭拍攝的圖像。

3.3 圖片拍攝與上傳

要實現(xiàn)拍照上傳功能，需將待上傳圖像保存為JPEG格式。ESP32-CAM內(nèi)置WiFi模塊，采用TCP/IP協(xié)議，以保證圖像能完整傳輸，且在傳輸過程中需對圖像進行壓縮。將圖像上傳到服務(wù)器，就需要在程序中設(shè)置WiFi網(wǎng)絡(luò)的SSID、密碼和服務(wù)器上傳照片的端點，每次拍攝完成后，從攝像頭幀緩存ESP32的“HTTPClient”庫上傳圖像，并將圖像類型設(shè)置為JPEG，發(fā)送圖片后返回“成功”或“失敗”，之后釋放攝像頭幀緩存并斷開連接。

3.4 回傳二維碼打印

當(dāng)上傳的圖片在服務(wù)器端成功生成二維碼后，ESP32-CAM通過發(fā)起HTTPGET請求從服務(wù)器獲取二維碼的圖像數(shù)據(jù)，在程序中指定服務(wù)器的IP地址及提供包含二維碼圖像的URL，獲取二維碼圖像數(shù)據(jù)后，可以選擇將二維碼顯示在連接的OLED顯示屏上，或直接打印。

若要將二維碼打印并制作成可粘貼標(biāo)簽，則根據(jù)需要打印的標(biāo)簽要求，使用PIL庫中的Image.resize（）函數(shù)來調(diào)整二維碼圖片的尺寸；之后在打印設(shè)備上，準(zhǔn)備一個與標(biāo)簽尺寸匹配的模板，設(shè)置合適的頁面大小，將調(diào)整尺寸后的二維碼圖片粘貼到標(biāo)簽?zāi)０宓奈恢蒙?，確保二維碼圖片的尺寸不超過標(biāo)簽的可打印區(qū)域；最后連接打印設(shè)備，并根據(jù)打印設(shè)備的要求設(shè)置打印參數(shù)，如紙張大小、打印質(zhì)量等，即可完成二維碼的打印，并將其粘貼在封裝好的包裝箱指定位置上。

4 后端信息系統(tǒng)設(shè)計

4.1 后端架構(gòu)

后端架構(gòu)如圖6所示。

在軟件設(shè)計中，選擇Windows操作系統(tǒng)，使用Python編寫代碼，并通過Flask框架來搭建服務(wù)器，采用MySQL進行數(shù)據(jù)存儲管理。Flask框架是一個輕量級Python Web框架，它具有簡單而直觀的API，易于學(xué)習(xí)和使用，適用于快速開發(fā)和構(gòu)建各種規(guī)模的Web應(yīng)用程序，簡潔、易用且具有擴展性。

4.2 上傳圖片管理

當(dāng)ESP32-CAM攝像頭拍攝圖片后，將采集的圖像數(shù)據(jù)保存到內(nèi)存中，之后對圖像進行編碼與上傳。建立服務(wù)器的HTTP（S）連接，將編碼后的圖像數(shù)據(jù)通過POST方法上傳至服務(wù)器，信息包含：文件名、文件路徑、拍攝時間。保存圖片URL及二維碼等后，等待服務(wù)器響應(yīng)，以確認圖像是否上傳成功，圖7為拍攝上傳示意圖。

用戶需要通過自己的賬號密碼登錄進入主界面，在主界面即可通過點擊“打開攝像頭”按鍵進入拍照界面，拍攝完包裝前的物品后，使用翻轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動包裝箱，再對另一面物品進行拍攝，若對拍攝結(jié)果不滿意，可重新拍攝。拍攝完成后，系統(tǒng)上傳圖片至服務(wù)器，并返回圖片和對應(yīng)的二維碼，由用戶校驗。若拍攝的圖片能夠反映包裝內(nèi)物品的狀態(tài)，則可打印二維碼，將打印的二維碼粘貼到包裝箱指定位置上。

管理員可以管理用戶信息及照片信息，在管理員界面，可以看到前端上傳的二維碼相關(guān)信息，也能夠?qū)π畔⑦M行修改和刪除，同時還能通過輸入拍攝時間、用戶信息等進行搜索。

檢查人員和購買者通過掃描包裝箱上的二維碼，即可獲取對應(yīng)包裝箱內(nèi)的圖片和相關(guān)信息。

4.3 二維碼生成

二維碼是用某種特定的幾何圖形，按照一定規(guī)律在二維平面上分布的黑白相間的圖形。二維碼在代碼編制上巧妙地利用了二進制“0”“1”的概念，使用若干與二進制相對應(yīng)的幾何形體來表示文字和數(shù)字信息，通過圖像輸入設(shè)備或光電掃描設(shè)備自動識讀信息，以實現(xiàn)信息的自動處理。目前常用的二維碼有：Data Matrix、QR Code、Maxicode、Code 49等。本系統(tǒng)二維碼選用QR Code。

預(yù)視二維碼是整個系統(tǒng)的核心，在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、運輸、和銷售環(huán)節(jié)不可或缺。在生產(chǎn)階段，農(nóng)產(chǎn)品裝箱時，需要將二維碼貼在包裝箱上；運輸階段，檢查人員可通過掃描二維碼對封裝的農(nóng)產(chǎn)品進行預(yù)檢；銷售階段，不論是銷售者還是消費者，都可以通過掃描包裝上的二維碼對當(dāng)前包裝箱內(nèi)的農(nóng)作物進行預(yù)視，查看農(nóng)產(chǎn)品的原始外觀和尺寸，判斷該農(nóng)產(chǎn)品是否滿足自己的購買要求。

QR Code庫[4]是一個用于生成和解析二維碼的Python庫，它允許通過調(diào)用函數(shù)或使用命令行調(diào)用程序來生成二維碼，可以指定文本、URL、電話號碼、圖像或其他信息作為輸入，且QR Code庫具備容錯能力，可以自動修復(fù)由于噪聲或破壞而導(dǎo)致的錯誤，這使得生成的二維碼具有一定程度的彈性和健壯性[5-7]。

為了使通過ESP32-CAM上傳的圖片生成二維碼，需要在服務(wù)器端導(dǎo)入QR Code庫，確認圖片上傳成功后，將其存儲到一個變量中。QR Code庫會將輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進制格式，然后根據(jù)QR碼規(guī)范和錯誤糾正級別來對數(shù)據(jù)進行分塊和編碼處理。之后QR Code庫會使用相應(yīng)算法來選擇最佳的掩碼模式，用于增加識別難度和提高容錯能力。在生成二維碼圖像之前，QR Code庫會根據(jù)規(guī)范對二進制數(shù)據(jù)進行布局和填充，包括在二維碼周圍添加特定的定位圖案、對齊圖案和定時圖案，以及在數(shù)據(jù)區(qū)域中插入格式信息和版本信息，一旦布局和填充完成，QR Code庫將根據(jù)二進制數(shù)據(jù)的布局創(chuàng)建出一個矩陣，矩陣的每個單元格代表1個黑色或白色的模塊，用于構(gòu)成最終的二維碼圖像[8-11]。二維碼掃描結(jié)果如圖8所示。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于ESP32-CAM的農(nóng)產(chǎn)品預(yù)檢預(yù)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用機械翻轉(zhuǎn)裝置對包裝箱進行翻轉(zhuǎn)，借助ESP32-CAM實現(xiàn)拍攝及圖片上傳，也可以在封箱前使用攝像頭對包裝箱內(nèi)部進行拍照。攝像頭可以捕捉到包裝箱內(nèi)部的細節(jié)。隨后系統(tǒng)將圖片上傳到服務(wù)器轉(zhuǎn)化為二維碼，并將其粘貼到包裝箱的表面。生成的二維碼包含有關(guān)包裝箱內(nèi)部狀況的信息。掃描二維碼后，相關(guān)人員可以迅速獲取包裝箱內(nèi)部的情況，識別潛在問題并及時采取必要措施。

但系統(tǒng)仍有許多改進的地方：

（1）翻轉(zhuǎn)裝置可以利用電機驅(qū)動，實現(xiàn)快速、穩(wěn)定的翻轉(zhuǎn)，提高預(yù)檢預(yù)視的效率和準(zhǔn)確性；

（2）可以在傳輸過程中添加加密算法，并通過身份認證系統(tǒng)進行驗證，提高安全性。

農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、運輸和銷售環(huán)節(jié)都要用到包裝箱，而免拆封農(nóng)產(chǎn)品預(yù)檢預(yù)視系統(tǒng)對于追溯農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量源頭、保障消費者權(quán)益、提升誠信經(jīng)營水平和促進農(nóng)產(chǎn)品消費具有一定的推動作用。

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作者簡介：王 宏（1968—），男，碩士，副教授，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、模式識別、信創(chuàng)行業(yè)應(yīng)用。

王曉波（1998—），男，碩士，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、模式識別。

姚 帥（1997—），男，碩士，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能應(yīng)用。

收稿日期：2024-01-16 修回日期：2024-02-28

基金項目：2018教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目（201802224022）；陜西省學(xué)位與研究生教育研究項目（SXGERC2023085）