包裝機組產品二維碼信息精準關聯系統的設計

李鈺靚，張利宏*，沈宇航，范禮峰，杜衛丹，顧昌鈴

1. 浙江中煙工業有限責任公司杭州卷煙廠，杭州市西湖區科海路118 號 310024

2. 上海煙草機械有限責任公司產品研發中心，上海市浦東新區金港路1000 號 201206

二維碼在卷煙產品上的應用是近年來煙草行業防偽溯源管理的重要技術手段之一，并逐步向精準營銷、質量溯源、包裝工藝全生命周期管理的方向發展［1-2］，而實現的關鍵則是將每10 小盒商標紙與對應一個條盒的二維碼進行精準關聯（以下簡稱十合一關聯）。傳統的防偽溯源主要根據整批物料的時間節點進行管理，無法記錄單一產品的精確時間，也無法實現十合一關聯。隨著標識解析技術的發展［3-12］，在線解析二維碼的方法得到廣泛應用，即將在線解析的小盒和條盒的二維碼信息打上時間戳并將其記錄到數據庫，再在后臺將每10 小盒與一個條盒的二維碼信息，基于時間戳進行小盒-條盒二維碼關聯對應［13］。利用該方法，廣西中煙工業有限責任公司［14-16］在卷煙二維碼管理、防偽系統構建等方面開展了研究；陳俊［17］、李乾等［18］探討了二維碼在煙草行業防偽溯源中的應用，將卷煙成品作為管理對象，對其全生命周期進行跟蹤和管理；紅云紅河煙草（集團）有限責任公司［19］建立了基于煙包二維碼追溯生產信息管理方法，將生產機臺信息、部門信息和時間信息作為煙包身份信息，以二維碼作為主關鍵詞存儲到數據庫中，實現每包煙的質量追溯。由于卷煙包裝機組的工藝過程較為復雜，生產中存在故障停機、小盒剔除、人工添加小盒等環節，因此基于時間戳的二維碼關聯對應方法，難以實現小盒與條盒二維碼信息的精準關聯。為此，以ZB45 硬盒包裝機組為研究對象，根據煙草行業主流包裝機組基于工位運行的特點，設計了包裝機組產品二維碼信息精準關聯系統，以期提高卷煙產品防偽溯源的精準性和數字化生產管理水平。

1 系統設計

1.1 總體架構

根據包裝機組基于工位做間歇運動的特性，設計了包裝機組產品二維碼信息關聯系統，主要由4 個掃碼器、集中控制器、信息存儲服務器等部分組成，見圖1。其中，4 個掃碼器分別為小盒入口工位的小盒初始掃碼器1、補包器工位的末位掃碼器2、小盒成條工位的驗碼掃碼器3 以及條盒商標紙下紙工位的小盒條盒關聯掃碼器4。

圖1 二維碼信息關聯系統架構圖Fig.1 Structure of correlation system for QR code information

1.2 工藝流程

由圖2 可見，生產中系統首先通過集中控制器獲取包裝機組的工位信息，使用入口初始掃碼器1生成小盒二維碼序列，然后使用末位補包掃碼器2根據故障停機、小盒剔除等情況補足小盒二維碼序列，再使用驗碼掃碼器3 將小盒二維碼序列進行分割并組碼，最后通過工位關系使用關聯掃碼器4 進行關聯，由此實現小盒與條盒二維碼信息的十合一關聯。

1.3 二維碼信息的關聯

1.3.1 小盒二維碼序列的生成

系統初始化后，預建立起基于工位序列的小盒二維碼序列堆棧，堆棧長度為n，堆棧結構見圖3。當小盒到達入口工位時，利用掃碼器1 生成基礎序列，并解析當前小盒二維碼信息。若掃碼器1解析成功，則將該條二維碼信息記錄入堆棧的棧頂，并在解析是否成功標志位寫入1（表示解析成功），后續每解析一個小盒，就在堆棧中寫入一條信息，當第一條記錄到達棧底時，即代表該小盒到達小盒成條工位（也稱為十合一工位）；若掃碼器1 解析不成功，該小盒到達剔除工位時被剔除，此時電控系統控制補包器及時添加小盒，由補包器加入的小盒二維碼信息需要重新解析。

圖2 二維碼信息關聯系統工藝流程圖Fig.2 Process flow of correlation system for QR code information

當補包器添加小盒時，位于補包器工位的掃碼器2 開始解析所補小盒的二維碼信息。如果解析成功，在相應工位的堆棧位置記錄二維碼信息，并在解析是否成功標志位寫入1；如果不成功，在相應工位的堆棧位置記錄空白信息，并在解析是否成功標志位寫入0。在掃碼器2 與十合一工位之間，未設置剔除工位，含有解析不成功小盒的條盒在后續工序會被剔除。

1.3.2 小盒二維碼序列的驗證、切割與組碼

掃碼器3 位于10 包小盒進入條盒前的小盒成條工位（十合一工位），主要對已有序列堆棧進行驗證，避免掃碼器2 與掃碼器3 之間的小盒序列被破壞。掃碼器3 的安裝位置與小盒二維碼印制位置相對應，通常情況下二維碼印刷在小盒側邊，當解析到即將進入條盒內的10 包小盒中前兩包的二維碼，再解析到下一條盒內10 包小盒中前兩包的二維碼時，通過計算即可得到第一條煙在生產過程中的所有信息。當出現通道卡滯煙包等情況時，系統可自動記錄異常節點并進行處理，序列堆棧出錯時也可及時修正。

經過1～3 號掃碼器的小盒，其二維碼信息均會出現在序列中，即使生產線出現異常情況，也可將錯誤的序列都包含在同一條煙中，即該條煙可能包含超過10 包小盒的二維碼信息，但不會缺失信息。此外，后續設置的剔除工位，也可避免使序列錯誤的條煙進入下一環節。在正常情況下，當序號為1 的小盒到達工位n 時，將序號1～10 即工位n～n9 的小盒十合一到條盒I 中，隨著堆棧的循環，以此類推；在異常情況下，工位n～n9 還是對應條盒I，但可能包含了序號1～n（n≤20）小盒的信息（包括解析成功和解析不成功的、異常情況的、人工添加的小盒）。掃碼器3 確保序列錯誤只發生在一個條盒內，動態調整的是每10 個工位所對應的小盒信息數量。

圖3 二維碼序列堆棧結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of QR code sequence stack structure

1.3.3 小盒和條盒二維碼的關聯

在條盒商標紙下紙工位，掃碼器4 用于解析條盒二維碼信息。由于集中控制器是基于工位解析條盒二維碼，故工位n～n9 的小盒對應條盒I，工位n10～n19 的小盒對應條盒Ⅱ，以此類推。當條盒二維碼解析成功時，將解析結果寫入堆棧相應位置，并將解析是否成功標志寫入1，條盒進入下一工序；當條盒二維碼解析不成功時，將解析結果即空白信息寫入堆棧相應位置，并將解析是否成功標志位寫入0，在剔除工位將該條盒剔除。每關聯一條煙與10 包小盒二維碼信息，無論成功與否，控制器都將堆棧內的緩存信息傳輸至二維碼信息存儲服務器。

1.4 集中控制器設計

集中控制器是整個系統的核心，采用的是以STM32 單片機為核心的控制板，同時連接多條自定義的I/O 電路，見圖4?？刂瓢逯饕糜诤诵挠嬎銠C模塊的外圍擴展，包括電源電路、STM32 單片機、USB 模塊通訊電路、光源模塊控制電路、輸入輸出電路、VGA 電路、以太網通訊電路、固態硬盤、指示電路等外設資源，對外采用標準的工業連接器，提供工業相機、輸入輸出、光源、以太網通訊、USB、VGA 等接口。核心計算機模塊利用自帶的接插件與控制板上的接插件對插，工位信號輸入接口用于接收包裝機組電控系統和編碼器產生的信息，剔除信號輸出接口用于向包裝機組電控系統輸出處理結果。

圖4 集中控制器電路框圖Fig.4 Block diagram of integrated controller circuit

1.5 軟件設計

系統軟件包括控制器上位機、下位機軟件以及人機界面軟件。由圖5 可見，上位機軟件通過控制器控制板上的以太網接口與掃碼器通訊，設置各工位掃碼器的拍照相位，實時顯示拍攝的圖片，并將識別失敗的圖片存儲于硬盤，用于后續追溯；將各工位掃碼器識別數據匯總和分析，對小盒、條盒數據進行關聯，并存儲于數據庫；將識別以及小盒-條盒關聯結果發送給控制系統，如果結果不合格，則由包裝機組控制系統在相應工位剔除缺陷煙包。

圖5 控制器上位機軟件流程圖Fig.5 Flow chart of controller host computer software

由圖6 可見，下位機軟件主要負責接收控制器上位機軟件的控制指令，對外圍設備進行控制操作，根據相位觸發各工位的LED 光源和掃碼器；向包裝機組控制系統發送檢測狀態信號、診斷信號及剔除機構的執行信號?？刂破飨挛粰C軟件執行速度要求較高，為毫秒級別，因此采用C 語言進行軟件設計。

由圖7 可見，人機界面軟件主要用于提供系統運行實時狀態感知、信息查看及參數設置，包括系統設置、設備管理、實時圖像、信息關聯、生產數字化管理、品牌統計、數據采集等模塊。

圖6 控制器下位機軟件流程圖Fig.6 Flow chart of controller slave computer software

圖7 人機界面布局圖Fig.7 HMI layout

2 應用效果

2.1 試驗設計

材料：“利群（江南韻）”牌細支煙，共40 萬盒。小盒二維碼印制在小盒商標紙條碼的下方，條盒二維碼印制在條盒包裝紙外側（均由浙江中煙工業有限責任公司提供）。

設備：ZB45 硬盒包裝機組（上海煙草機械有限責任公司）。

測試方法：將40 萬盒煙均分成4 組，在第一組1 萬盒煙中混入10 盒錯牌煙包，在第二組1 萬盒煙中混入10 盒二維碼質量缺陷煙包，在第三組1 萬盒煙中人工剔除小盒10 次，在第四組1 萬盒煙中模擬通道卡滯煙包10 次。開啟小盒和條盒剔除功能，采用工位關聯和基于時間關聯兩種方法，分別統計不同試驗條件下的小盒解析成功率、剔除準確率、關聯準確率以及小盒信息包含率，取平均值。

2.2 數據分析

由表1 可見，采用工位關聯系統，解析成功率為99.995%，小盒信息包含率為100%。開啟條盒剔除情況下，小盒-條盒關聯準確率為100%；不開啟條盒剔除情況下，小盒-條盒關聯準確率為99.95%。與基于時間關聯方法相比，系統關聯準確率大幅提升。

表1 工位關聯和時間關聯測試數據Tab.1 Test data of station-based correlation and time-based correlation （%）

3 結論

根據包裝機組基于工位的運行特點，設計了一種小盒-條盒二維碼信息精準關聯系統，該系統以STM32 單片機為控制核心，基于包裝機組工位信息實現了小盒-條盒二維碼信息的在線解析、剔除和關聯。以ZB45 硬盒包裝機組為對象進行測試，結果表明：該系統能夠實現包裝機組產品二維碼信息在線精準十合一關聯，關聯準確率達99.95%，與基于時間的關聯方法相比較，關聯準確率提高3.55 百分點。該系統適用于當前行業內主流軟盒、硬盒包裝機組，可為提高卷煙包裝工藝過程數字化管理水平提供支持。