基于RFID无线射频识别技术的图书分拣机器人

文/李贝尔 李远征 黎亮亮 张盛耀

现如今，当代图书种类繁多，为减轻大规模人工分拣的压力，现利用RFID无线射频识别技术，结合树莓派小车设计出一种可以自动识别信息，并分类分拣的机器人。

RFID系统是结合了计算机技术与通信技术的自动读取信息并输入电脑的系统，其天线模块可实现电磁波与电流信号的转换，并在其生成的电磁场范围内，由阅读器产生高频信号，用于传输、接收数据。RFID系统具有抗干扰能力强、识别精确度高等特点，可实现标签数据的无线近距离识别。在本文中所设计的基于RFID无线射频识别技术的图书分拣机器人，是结合RFID系统与以树莓派为主板的智能小车设计的分拣机器人，利用树莓派的Wi-Fi模块在同一局域网范围内连接计算机，实现RFID模块与计算机数据库之间的无线远距离传输。此外，在小车的设计上增添黑线循迹行进模块以及超声波避障模块实现小车的行进与避障，利用OpenCV以及摄像头对特定的分拣筐进行识别，综合以上功能制作出最终完整的图书分拣机器人。

相比人工作业，这样不仅可以大大降低劳动力，还省去了繁复的过程，提升了图书管理效率，更是可以提供给读者最佳的服务体验。

1 总体方案设计

图书分拣机器人主要由RFID阅读模块，树莓派主板，智能小车（包括黑线循迹模块，摄像头，超声波避障模块，以及小车底板和四轮驱动）组成，并通过数据库进行数据处理。

一本图书经传送带送上小车后，小车中的RFID阅读模块对标签进行识别，通过树莓派（自带有Wi-Fi模块）在局域网范围内发送数据至计算机，读入数据库后进行后台的数据分析处理以及分类。与此同时，树莓派对小车传送循迹行驶命令，并利用摄像头识别对应的分拣筐，使其能够在特定的分拣筐前停下，实现分拣。最后根据路线行驶，回到初始位置，继续分拣下一本图书。若在该过程中遇到障碍物，则根据超声波避障模块进行避障。总体方案框图如图1所示。

2 RFID阅读模块设计

2.1 RFID系统

图1：总体方案框图

图2：RC522阅读模块引脚图

RFID系统主要的功能是从标签芯片中读取已写入的数据信息，此处选用RC522阅读模块，引脚电路图如图2所示，将其引脚与树莓派对应引脚相连，就可以直接利用树莓派中的Wi-Fi模块进行网络通信。之后利用树莓派的SPI功能进行配置，使用python编写程序，使其在近距离磁场范围内可以识别标签信息，将标签信息通过Wi-Fi传入计算机进行统一管理。

需注意的是，RC522使用的是ISO14443协议，因此图书标签也要对应选择具有相同协议的标签才可以实现标签识别。

2.2 后台数据库处理系统

当标签数据通过RFID系统读入计算机后，需进入数据库进行统一管理。此处利用MySQL编写程序将该图书的（已写好的）基本信息，即图书名称、图书编号、图书分类以及借还信息等入库并分类处理。

3 摄像头识别模块设计

得到图书信息后，要定位对应分拣筐就需要利用摄像头模块进行分拣筐的识别。此处需在图书分拣框上贴好对应分类的图片，如“文学”分类，就将“文学”图片作为正样本集，其他图片作为负样本集，通过一定的训练，得到自己的OpenCV分类器。在小车运行中，利用训练好的OpenCV分类器从实时拍摄的视频帧中识别出对应的分拣筐。

4 小车行进模块设计

4.1 黑线循迹模块

该模块主要由智能小车底盘前端下方装有的两个红外传感器构成，用于检测其下方是否为黑线。当红外线照射到黑线上时，红外线被吸收，接收不到反射线，循迹模块输出高电平；当红外线照射到地面上时，反射线被循迹模块接收到，输出低电平。编写程序根据检测结果对行驶控制做出判断，即若左侧输出高电平，右侧输出低电平，小车左转，以此类推，使小车智能地沿黑线行驶。

4.2 超声波避障模块

因为超声波遇到障碍物会反射回来，由此可以判断前方是否有障碍物存在。而由于声波的速度已知，为340m/s，所以只需要知道从发射到接收的时间差（误差可忽略不计），就能轻松计算出测量距离，再结合发射器和接收器的距离，就能算出与障碍物的实际距离。根据上述特点编写程序，结合小车前端使用HCSR04超声波模块进行避障。

4.3 书本搬运装置

当小车可以正常行进后，还需要考虑其与书本间的互动。首先在还书处设计一个传送带，在还书时将书本放到传送带上，使其可以直接被运输至小车车身。其次在小车的车身上设计一个小型传送带，编写程序，当小车到达指定分拣筐并停止后（即速度为0），利用树莓派启动传送带运行开关，使车身上的书本可以直接滑落在分拣筐中，完成分拣。

5 综合测试

选用已写好基本信息的ISO14443协议标签，放上小车车身，可以看到计算机端立刻读取出相应的图书信息，与此同时，小车也开始沿规划路线前进，遇到弯道处可跟随黑线精确的转弯。在小车前进途中摆放一处障碍物，小车靠近障碍物后立刻向右转弯，绕过障碍物回到原定规划路线继续前进。到达对应分拣筐归还图书后，顺利回到出发点，等待下一本书的分拣。总的来说，测试结果一切顺利，分拣效果良好，效率较高。

6 结束语

基于RFID系统以及树莓派模块单元设计出的自动图书分拣机器人具有高效化、多功能化、数据可控化等优点。本课题充分研究了如何实现RFID的数据传送与接收、树莓派小车的控制与行进、以及综合数据处理等几个方面，不仅解决了图书馆实际分拣需求，而且在降低了人力资源成本的同时大幅度地提高了分拣效率，最终实现全智能化的图书管理，使人工干预降到最低。同时，RFID技术的优越性，使该机器人也可应用于更多的开发平台，在大规模分拣系统中都拥有着较大的发展前景。