基于F P G A的快遞自動化分揀系統設計

福建新大陸自動識別技術有限公司 蘇孝利

一、方案說明

快遞分揀系統結合圖像采集、圖像處理、特征識別、傳遞系統與分揀系統組成，系統啟動后，在FPGA的控制下，伺服驅動器以設定的移動速度和方向開始工作。當快遞包裹車輛到達后，在卸貨處由人工方式結合機械的方式將包裹放置在輸入段，經過緩存段與勻速段后直接到達目標檢測區域,在該區域段前會產生一個目標包裹到達的信號，然后系統開始圖像系統，對目標包裹進行圖像拍攝，對拍攝到的圖像上的條碼進行解碼，輸出碼詞，同時對拍攝到的圖像上的收寄件的相關信息進行OCR字符識別；結合三組多通道紅外對管進行包裹長寬高的測量；結合底部的重量傳感器對包裹的重量進行測量；將上述所獲取的條碼信息、長寬高信息、重量信息、收寄件信息進行統一指令打包，通過TCP/IP的方式上傳到指定云服務平臺，然后結合前序的信息進行數據核對，判斷目標包裹信息的正確性。通過核對后異常的數據，通過系統記憶功能，在到達分揀區域前一有道異常卡口，會自動將此異常的包裹通過滑落機構移至異常的框中，同時系統會發出對應的聲光報警，提示人員處理；對于正常的包裹會直接進入分揀區域，在分揀區域設置多道分揀口，可根據實際情況增減分揀口數量，系統根據每個包裹對應的區域自動通過滑落機構移至對應的框中，真正實現自動化分揀的目的，系統框圖如圖1所示。

圖1

二、硬件系統主要是基于FPGA、圖像傳感器、重量傳感器、光電傳感器、伺服驅動、分揀裝置等組成，如圖2所示。

核心系統采用Altera的Cyclone IV系列（EP4CE75F23I8）FPGA為主控平臺，具有75K的LE資源、200個18*18乘法器；華邦W25Q256作為程序存儲器；Micro的2Gb的MT47H128M16RT作為動態數據存儲器；以太網采用Realtek公司RTL8211方案，支持1000M的傳輸速率，滿足一般應用需求；TI的TPS650243實現系統各電源的供電。

圖像采集部分采用安森美公司的NOIP1SN1300A作為圖像采集的傳感器，具有1280X1024的分辨率；每秒165幀的高速四通道LVDS傳輸；4.8um的像素尺寸可以提高感光性能；全局曝光方式適應物流高速移動部件的圖像采集。

圖2

云服務器是一種簡單高效、安全可靠、處理能力可彈性伸縮的計算服務。可以快速建立數據中心，每該分揀系統的所有的參數進行管理。

傳感器部分包括中航L6E3-C3-50KG稱重傳感器，具有滿量程的萬分之二精度，輸出模擬mV電壓值，后端經過阻抗跟隨與放大后送入ADC采集電路實現模擬轉換成數字量化的重量值；長寬高測量采用紅外發射條狀陣列與紅外接收條狀陣列組成，最小精度達到1.25mm。

圖3

傳送部分主要包括伺服控制、伺服驅動器、伺服電機組成，伺服驅動器與伺服電機均采用臺達公司的，伺服控制部分采用FPGA直接控制，輸出方向與脈沖信號，實現電機的轉速控制、方向控制。

分揀部分主要包括有限位置檢測、部件滑落機構、部件收集平臺組成，有限位置檢測是指安裝在每個分揀口前的傳感器，由系統自動記憶經過該分揀口的目標部件是否屬于該分揀口的，若不是則不動作，若是則啟動部件滑落機構，自動將該部件移動對應的分揀通道，完成分揀動作。

三、軟件系統包括圖像采集模塊、重量采集模塊、尺寸采集模塊、條碼檢測模塊、OCR字符檢測模塊、以太網模塊、伺服控制模塊、分揀模塊等組成。其系統流程圖如圖3所示。

軟件系統中最為復雜的是條碼檢測模塊，本文針對該模塊做個詳細的分析。由于快遞上通常所使用的條碼主要涉及Code128、QR這二種常用的碼制，根據條碼的特點，在FPGA上編寫條碼解碼算法進行解碼，具體過程如下所示：

圖像預見處理：當系統采集到圖像數據后，首先進行圖像預處理，在圖像預處理環節主要實現降噪、二值化、圖像校正功能。噪聲在圖像上主要表現為孤立的像素點，像素灰度值與其鄰近像素灰度值有顯著的不同，通過3X3塊大小的中值濾波進行降噪處理。二值化處理主要的目的是如何快速從整個圖像數據中提取條碼數據信號的區別；圖像校正功能主要是獲取圖像數據時，由于條碼圖像的位置，本系統放置的位置等都或多或少存在傾斜與偏移等現象，利用FPGA，運用行差運算與Hough變換相結合的方法，找到條碼圖像數據的邊界線，估計出傾斜的角度，從而可以實現對圖像數據的修正。

條碼識別：經過上述處理后，得到的只有黑與白條或方塊組成的圖像，對于一維條碼來說，需要計算條碼黑白模塊的關聯寬度，然后根據不同的條碼編碼規則譯碼出實際的條碼值。對于二維條碼來說，首先要檢測條碼的標識符，然后再進行區域分塊分割，然后查詢碼本中的內容找碼字對應的值即可譯碼出條碼實際的數據。

糾錯：很多快遞面單上的條碼，或多或少存在條碼破損的情況或者有污損的情況，在這些情況下就需要對數據進行檢錯與糾錯，可以大大降低解碼的錯誤率。

四、本系統在國內快遞產品分揀自動領域處于領先地位，包裹從攬件至分拔中心、派件過程中涉及多個環節，每個環節均需要對包裹的相關信息進行數據采集、存儲、調度。通過基于FPGA控制的系統，具有快速圖像采集、條碼解碼、OCR字符識別、高精度的重量與尺寸測量，準確無誤的分揀，使快遞整個流程的效率與準確率均得到了相當大幅度的提高和保證，同時該系統也可應用于其它物流行業，如藥品、運輸、倉儲、配送等細分市場，適應面廣，可擴展空間大，靈活性高，提升了快遞企業的信息化水平，并可大大提高工作效率，降低成本，減少差錯，綜合提升企業核心競爭力。