基于F P G A的快递自动化分拣系统设计

福建新大陆自动识别技术有限公司 苏孝利

一、方案说明

快递分拣系统结合图像采集、图像处理、特征识别、传递系统与分拣系统组成，系统启动后，在FPGA的控制下，伺服驱动器以设定的移动速度和方向开始工作。当快递包裹车辆到达后，在卸货处由人工方式结合机械的方式将包裹放置在输入段，经过缓存段与匀速段后直接到达目标检测区域,在该区域段前会产生一个目标包裹到达的信号，然后系统开始图像系统，对目标包裹进行图像拍摄，对拍摄到的图像上的条码进行解码，输出码词，同时对拍摄到的图像上的收寄件的相关信息进行OCR字符识别；结合三组多通道红外对管进行包裹长宽高的测量；结合底部的重量传感器对包裹的重量进行测量；将上述所获取的条码信息、长宽高信息、重量信息、收寄件信息进行统一指令打包，通过TCP/IP的方式上传到指定云服务平台，然后结合前序的信息进行数据核对，判断目标包裹信息的正确性。通过核对后异常的数据，通过系统记忆功能，在到达分拣区域前一有道异常卡口，会自动将此异常的包裹通过滑落机构移至异常的框中，同时系统会发出对应的声光报警，提示人员处理；对于正常的包裹会直接进入分拣区域，在分拣区域设置多道分拣口，可根据实际情况增减分拣口数量，系统根据每个包裹对应的区域自动通过滑落机构移至对应的框中，真正实现自动化分拣的目的，系统框图如图1所示。

图1

二、硬件系统主要是基于FPGA、图像传感器、重量传感器、光电传感器、伺服驱动、分拣装置等组成，如图2所示。

核心系统采用Altera的Cyclone IV系列（EP4CE75F23I8）FPGA为主控平台，具有75K的LE资源、200个18*18乘法器；华邦W25Q256作为程序存储器；Micro的2Gb的MT47H128M16RT作为动态数据存储器；以太网采用Realtek公司RTL8211方案，支持1000M的传输速率，满足一般应用需求；TI的TPS650243实现系统各电源的供电。

图像采集部分采用安森美公司的NOIP1SN1300A作为图像采集的传感器，具有1280X1024的分辨率；每秒165帧的高速四通道LVDS传输；4.8um的像素尺寸可以提高感光性能；全局曝光方式适应物流高速移动部件的图像采集。

图2

云服务器是一种简单高效、安全可靠、处理能力可弹性伸缩的计算服务。可以快速建立数据中心，每该分拣系统的所有的参数进行管理。

传感器部分包括中航L6E3-C3-50KG称重传感器，具有满量程的万分之二精度，输出模拟mV电压值，后端经过阻抗跟随与放大后送入ADC采集电路实现模拟转换成数字量化的重量值；长宽高测量采用红外发射条状阵列与红外接收条状阵列组成，最小精度达到1.25mm。

图3

传送部分主要包括伺服控制、伺服驱动器、伺服电机组成，伺服驱动器与伺服电机均采用台达公司的，伺服控制部分采用FPGA直接控制，输出方向与脉冲信号，实现电机的转速控制、方向控制。

分拣部分主要包括有限位置检测、部件滑落机构、部件收集平台组成，有限位置检测是指安装在每个分拣口前的传感器，由系统自动记忆经过该分拣口的目标部件是否属于该分拣口的，若不是则不动作，若是则启动部件滑落机构，自动将该部件移动对应的分拣通道，完成分拣动作。

三、软件系统包括图像采集模块、重量采集模块、尺寸采集模块、条码检测模块、OCR字符检测模块、以太网模块、伺服控制模块、分拣模块等组成。其系统流程图如图3所示。

软件系统中最为复杂的是条码检测模块，本文针对该模块做个详细的分析。由于快递上通常所使用的条码主要涉及Code128、QR这二种常用的码制，根据条码的特点，在FPGA上编写条码解码算法进行解码，具体过程如下所示：

图像预见处理：当系统采集到图像数据后，首先进行图像预处理，在图像预处理环节主要实现降噪、二值化、图像校正功能。噪声在图像上主要表现为孤立的像素点，像素灰度值与其邻近像素灰度值有显著的不同，通过3X3块大小的中值滤波进行降噪处理。二值化处理主要的目的是如何快速从整个图像数据中提取条码数据信号的区别；图像校正功能主要是获取图像数据时，由于条码图像的位置，本系统放置的位置等都或多或少存在倾斜与偏移等现象，利用FPGA，运用行差运算与Hough变换相结合的方法，找到条码图像数据的边界线，估计出倾斜的角度，从而可以实现对图像数据的修正。

条码识别：经过上述处理后，得到的只有黑与白条或方块组成的图像，对于一维条码来说，需要计算条码黑白模块的关联宽度，然后根据不同的条码编码规则译码出实际的条码值。对于二维条码来说，首先要检测条码的标识符，然后再进行区域分块分割，然后查询码本中的内容找码字对应的值即可译码出条码实际的数据。

纠错：很多快递面单上的条码，或多或少存在条码破损的情况或者有污损的情况，在这些情况下就需要对数据进行检错与纠错，可以大大降低解码的错误率。

四、本系统在国内快递产品分拣自动领域处于领先地位，包裹从揽件至分拔中心、派件过程中涉及多个环节，每个环节均需要对包裹的相关信息进行数据采集、存储、调度。通过基于FPGA控制的系统，具有快速图像采集、条码解码、OCR字符识别、高精度的重量与尺寸测量，准确无误的分拣，使快递整个流程的效率与准确率均得到了相当大幅度的提高和保证，同时该系统也可应用于其它物流行业，如药品、运输、仓储、配送等细分市场，适应面广，可扩展空间大，灵活性高，提升了快递企业的信息化水平，并可大大提高工作效率，降低成本，减少差错，综合提升企业核心竞争力。