基于智能识别的可变空间储物柜设计
来源:用户上传
作者:王丽琴 陈恩典 林家俊 朱灿维 张惠烽 丁凡
摘要：本文介绍了如何设计一个基于嵌入式系统开发技术、云计算技术和人工智能技术的空间可变的智能储物柜。该储物柜能够实现用人脸识别作为开启柜子的凭证同时可以利用物件尺寸智能感知模块识别出物件的尺寸大小，从而识别出这个物件需要多大的空间来存放，进而可通过程序算法控制电机自由调节存储空间。该设计可有效提高储物柜空间使用率。
关键词：STM32F103;人脸识别;储物柜系统;可变空间
中图分类号：TP18 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）13-0042-03
在中国互联网、识别技术和人脸生物技术快速发展的时代，我们生活中应用人脸识别的场景也在不断地增加。目前，储物柜多采用条形码识别如超市储物柜，IC卡识别如游乐场、浴室、泳池的储物柜等，并且都是固定的储物格子，无论东西大小都是存放在固定格子里，易造成空间浪费。并且条形码和IC卡这些物品容易丢失或忘记随身携带，不易保存。即使当下基于生物特征的指纹识别是比较成熟的技术，但指纹容易被污染、破坏而导致识别不出用户身份信息。使用当下流行的固定存储空间容易导致当一个格子存放的物品很小时就会浪费掉那个格子的其余空闲空间。
针对上述诸多不足之处的情况，我们对不同类型的储物柜的空间使用情况进行了调研，并进行了一系列的对比和分析，如下图1所示。可以明显看出本项目可变空间的设计可以将传统储物柜浪费的空间充分利用起来，可以很好地解决上述传统储物柜所存在的空间利用率不足的问题。而且本项目采用人脸识别技术，以人脸替代传统纸条或卡片作为开启柜子的凭证，顾客在取物时，可凭刷脸开启储物柜取走东西，省去保管纸条、卡片的麻烦;同时储物柜的管理人员可通过储物柜的后台管理系统对顾客存取记录进行查看和管理，便于了解储物柜的使用情况。
1系统需求简述
1.1结构需求
可变空间储物柜系统以物联网和人脸识别技术为基础架构。储物柜总共有两层，每层总共有四个大空间，根据物件大小，这四个大空间还可以调节成多个中等空间和小空间。每个存放物件的空间都配有动机、丝杆和方块，方块又连接着隔板。当需要调节空间大小时，电机就会带动丝杆的转动，在由丝杆的带动方块和隔板的运动。我们在储物柜左侧安装有人机交互界面，用户可以在交互界面进行物品存取的操作，下方安装有物品尺寸感知区域，该区域识别出所存物品大小，进而与控制系统通信。控制系统再通过其反映的信息驱动牵引电机调节空间大小或门锁的开关以及指示灯的状态。电机的转动带动丝杆转动，丝杆再带动方块推动隔板，进而调节存物空间大小。
1.2功能需求
快递员在人机交互界面中点击存件按钮，然后系统会对快递员进行人脸识别以验证快递员身份，之后快递员可以将物品放人物件尺寸感知区域，这时系统会通过感知模块自动识别出物件的大小并分配出合适的空间存放。存放好后，系统会自动发送短信通知用户取件。
用户在收到信息后就可以到储物柜前在人机交互界面中点击取件按钮，然后系统通过对用户人脸扫描或者用户输入验证码以验证用户身份，验证成功后，系统会自动开门让用户取走物件。
如果遇到故障现象或特殊情况不能存取件，可以找管理员解决。管理员可以在人机交互界面中点击管理按钮，扫脸验证身份后即可进行管理。管理功能包括打开任意指定的门以及重置系统等。
2系统设计及其原理
2.1三维模型设计
根据系统需求，我们用solidworks设计其部分零部件三维模型结构，为什么会使用solidworks而不是其他的建模软件，其原因有三点。首先，使用solidworks设计是因为这个软件的操作难度不算太高，這样就可以大大减少修改零件的不便性。其次，该软件有正视功能，可以有效地提高机械制图的准确性。最后，该软件最后所制成的图可以反复使用，会自动加入CAD的素材当中以便重复使用，这就是为什么我们选用solidworks的原因。如图3所示。我们收集了所需的零部件的尺寸资料，在零件建模时采取1：1与实物等尺寸的方式，将所需的模型单独建模，各自保存，然后将所建立的零件模型放置到同一组合体中，根据系统需求，分配零件模型到相应的位置，整合为一整个完全的三维模型。
2.2人机交互软件
人机交互界面如图所示采用触屏操作。我们采用的是宽1280像素，高800像素的屏幕，视野大，字体比较大，阅读和操作比较便捷，可以提高人们的工作效率。当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编制的程式驱动各种连接装置，通过按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。是极富吸引力的全新多媒体交互设备。随着笔输入技术的日益成熟，该技术在包括平板电脑、智能手机、掌上电脑等多种移动设备中得到了广泛应用，是目前掌上电脑与大多数智能手机最主要的一种输入方式。
2.3人脸识别技术
人脸识别的普遍性、可采集性与被采集者的可接受性较高，这就具有了方便友好、易于接受、不易伪造等一系列优点。系统通过摄像头收集用户的面部图像信息，摄像头采用的是树莓派摄像头模块，再通过树莓派与人脸识别云服务交互。然后由部署在云端的Linux主机进行图像识别计算。利用核心的算法对其脸部的五官位置、脸型和角度进行计算分析，进而和自身数据库里已有的范本进行比对，后判断出用户的真实身份。
2.4控制算法设计
如图4所示，我们的stm32使用ARM Cortex-M3为内核的芯片作为主控芯片，因为考虑到STC89C52速度不够快和引脚不够，我们才采用stm32的这款芯片嗍。在该系统中，所有的电机组都连接到控制总线，程序通过定线协议选定要工作的电机组然后再通过片选指令选定电机组中的其中一个电机。在算法程序中应建立适当的数据结构来记录每个电机组的编号以及相应的信息（如当前移动的位置、是否被选中、被片选中的电机是哪一个等）。当收到上位机发来的指令时（如分配空间的指令），算法程序则通过一定的程序逻辑来选定数据单元，然后通过总线协议给选定电机组发送指令。
3应用价值
近几年，网络购物的兴起也带动了快递行业地发展，同时快递物件数量增长迅猛，智能快递柜的推出有利于快递企业省去一定的成本，提高快递员的配送速度，使服务的范围扩大和劳动强度的降低。同时存放快递的空间需求也在增加，而传统储物柜的空间利用率很低。本项目可变空间的设计可以将传统储物柜浪费的空闲空间充分利用起来，可以很好地解决传统储物柜空间利用率低的问题。本设计不仅可以应用在快递柜上，还可以广泛地应用在超市里、商场里以及各种需要用到储物柜的场合。
4结束语
在我们生活中应用人脸识别的场景在不断地增加，如我们的刷脸支付、刷脸打卡、刷脸进入高铁站等等，人脸成了人们出行、支付等场景的指定秘钥。同时网络购物也成为人们习以为常的购物方式，快递量的增加也让人们开始注意到存放快递的空间需求前更大了，那么对空间地合理利用就很有必要了。本文详细介绍了可变空间储物柜对空间利用性和便利性，以及人脸识别系统在储物空间方面的应用，未来可变空间储物柜肯定会有广阔的应用情景。
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