校园智慧物流平台设计

2021-04-27付丽琴侯佳丽

物联网技术 2021年4期

付丽琴，侯佳丽

（北京经济管理职业学院工程技术学院，北京 100102）

0 引言

校园工作的运转过程中，常需要进行实物的传递，如学校办公室往各二级单位发放盖章的纸质文件，选修课教师收集学生课后完成的实物作品等。传统点对点实物传递模式不但耗费人力，还可能因传送不及时而影响工作的进度。目前物流行业采用的智能快递柜，利用大数据和云平台技术提升了末端物流配送能力，因此得到了广泛使用[1]，但是快递柜服务模式并不满足校园内实物传递的需求。

目前很多学校已建成或正在建设智慧校园平台，使之成为学校各部门业务管理与服务的重要支撑，师生在校能充分享受智慧校园带来的学习、生活、资讯等方面的便捷。智慧校园平台屏蔽了技术细节，支持各类网络环境、协议类型和智能硬件的快速接入，降低了校园内物联网应用系统的开发难度[2-3]。因此，本文基于智慧校园云平台提供的数据与服务，对智能快递柜系统进行改进，加强了其智能化程度和个性服务功能，增加了一对多、多对一和多对多的实物收发模式，满足校园内多样化的实物传递需求，如文件、书籍、作业本、作品等，同时也可用作高智能快递柜。

1 设计思路

针对校园应用的实际需求，结合智慧校园管理平台的部分功能，在目前智能快递柜的技术基础之上进行校园智慧物流平台设计，提高系统智能化水平，丰富服务模式，增加个性化定制功能，以达到实物便捷传递的目的。

1.1 功能分析与设计

目前常用的智能快递柜在功能上存在以下缺陷：

（1）仅支持点对点收发。出于安全性考虑，快递柜一个格子只能对应一个投递人和一个取件人，不适应学校多种场景的实物传递，限制了学校办公和教学活动方面的使用。例如院办发放多份文件到所有各二级部门，或者某位老师取走多位学生作品的情况。

（2）身份识别模式单一。一般采用输入取件码或微信扫描方式识别收货人身份。在校园环境，人员相对稳定，可采用更方便的身份识别模式。

（3）不能针对不同个体的爱好定制个性化服务模式。

针对以上问题，对当前智能快递柜升级：利用校园云实现用户身份认证，解决用户管理的问题；增加人脸识别功能提高身份认证的便捷性；增加字体放大和自动亮度调整功能提高人机界面的显示效果；增加单发群收模式（如发文件、发作业）、群发单收模式（如收作业、收调查表）、群发群收模式（如预定教材）等，支持校园内各种模式的实物传递；同时，系统还支持个性化服务定制。

1.2 校园智慧物流平台系统框架

1.2.1 平台硬件组成

校园智慧物流平台利用物联网技术实现对实物的暂时存储、安全保管、实时监控和有效管理。硬件主要由储物柜终端（下位机）和后台管理信息系统（上位机）组成。

储物柜终端包括主柜和副柜。主柜实现人机交互和智能化控制功能，由键盘（信息输入装置）、显示屏（信息显示装置）和主要控制系统组成。摄像头安装在柜体顶部，用于实现基于人脸识别的身份认证。副柜利用基于PLC控制的机械手实现实物的全自动化存入和取出，副柜由若干格口组成，每个格口包括箱门、箱体和电控锁。

后台管理系统一方面实现面向取件人（部门）和面向存件人（部门）的注册格口使用情况及使用日志记录的管理，其中用户信息（个人或部门）来自校园云数据库；另一方面实现信息的管理和传递，如实物被存入后系统向收件人（部门）发送通知信息，实物被取走后系统向存件人（部门）反馈信息，遇到实物滞留现象自动向用户发送提醒信息等。

图1 校园智慧物流平台的硬件组成

1.2.2 客户端软件

首先在校园服务系统中添加校园智慧物流平台模块，全校师生及在校园服务系统中注册的人员均可以通过智能手机上的校园服务系统平台APP查询物流动态信息，享受便捷实时的物流服务。在智慧物流平台应用软件的支撑下，利用校园服务系统平台可实现存取实物、适时查询等快捷服务，使实物传递服务有机融合在智慧校园体系中，大大提升智慧校园物流服务的水平。

1.3 平台服务流程

系统基于校园云平台实现信息和数据的共享，提升整个校园内物流服务的水平[4-5]，再利用智能化技术，提升用户的体验感。用户通过人脸识别登录系统，完成本人的存取件任务；或者输入短信通知取件码代替别人取件。本人存取件流程如图2所示。用户登录后，首先根据界面提示选择存件或取件操作。存件过程在终端上的界面主要由输入收件人（部门）信息、选择格口规格、结束3个模块组成。存件操作完成后，系统通过网络通信方式将数据上传，数据保存在后台管理系统，同时向取件人发送取件通知。

图2 本人存取件流程

取件过程的终端界面主要由显示待取实物清单、选择是否马上取件、提示用户取件、取件结束4个界面组成。取件完成后，系统更新物流状态信息及格口状态信息。

2 关键技术

相较于常见的智能物流柜，校园智慧物流平台利用人脸识别来进行用户身份认证，并提供了多种模式的服务：单发单收模式（一般情形）、单发群收模式（如发文件、发作业）、群发单收模式（如收作业、收调查表）和群发群收模式（如预定教材）。平台使用便捷，有效解决了校园内各类实物的传递问题，同时平台还向用户提供定制式服务。

2.1 人脸识别的实现

本文基于HI3518E平台设计在线人脸识别系统，人脸识别的流程如图3所示。其中，视频采集卡选择思特威电子科技有限公司的SC2235，该芯片功耗低性能高，采集图像格式为raw，分辨率为1 936×1 096，传输速率60 FPS。采集到图像后，首先基于拓展Haar特征和Adaboost算法实现人脸检测[6]，若检测不到人脸，则连续采集；若检测到人脸，则提取LBP特征[7]，并基于PCA方法优化特征分量[8]；利用最邻近分类器将特征分量与人脸库中数据进行比对[9]，根据相似度来给出识别结果；最后提取该用户的物流信息并显示。

图3 人脸识别流程

2.2 群发模式和群收模式的实现

快递柜的收发件模式是单发单收的，一个格子只能对应一个投递人和一个取件人。为了提高格口利用率，平台支持群发模式和群收模式。

群发单收模式是指对同一收件人，不同存件人可存放多个实物于同一格口（例如收各部门文件）。群发单收模式适用于多个存件人（部门）向同一个收件人发放物品。模式的实现一方面依赖于系统的记忆功能，系统自动发现收件人是否已占用了某个格口；另一方面依赖于传感器，在每个格口上端装一个超声测距传感器，自动感知到格口内实物上表面距离传感器的距离，以此判断是否还可以增放新的实物。当发现收件人已占用了一个格口且格口还有剩余空间时，则自动打开该格口，允许其他存件人将物品放置到同一个口，平台同时记录给信息并向收件人发送信息。

单发群收模式是指同一存件人使用一个格口给多个收件人发送实物的情形。系统通知到每一个收件人，收件人各自从格口取出属于自己的物品，当某收件人取走实物时，系统更新物流状态并重发通知给其他收件人。该模式非常适用于派送体积很小的文件，或向一个班的学生集体发放作业等情形。

群发群收模式是群发模式和群收模式的组合。

2.3 字体自动放大的实现

平台采用点阵显示屏作为信息显示的装置，字符以数字图像方式存储，因此点阵字的缩放处理可以采用数字图像缩放的方法。汉字的放大显示可看作是过采样，分两步来完成。首先图像在长宽方向按比例放大，即在原图像上插入新的行和列；然后对这些新的像素位置赋予灰度值。常用的算法有近邻域插值、线性插值和非线性插值等，本文采用实时性最好的近邻域插值（Nearest）法，即在新产生的行或列上的像素位置，其灰度值被赋予原图像上与待插值点空间距离最小的像素的灰度值。

例如将一个汉字从32×32放大为64×64，可采用如下步骤：首先依次复制每一列，使得汉字在水平方向上放大为原来的2倍，变为32×64；然后复制新点阵的每一行使得汉字在垂直方向放大为原来的2倍，即得到64×64的汉字。

2.4 自动亮度调整的实现

显示屏的亮度由扫描周期内显示屏中各个LED像素点的点亮时间决定，点亮时间越长显示屏的亮度越高。因此，可以通过驱动显示屏的PWM信号的占空比来实现屏的亮度调整[10]。

自动亮度调整功能由光敏模块实现，该模块主要包含光敏电阻、调理电路和ARM芯片。光敏电阻的阻值随着环境光强度的变化而发生改变，调理电路将这种光强的改变转化为模拟电压信号，输出到ARM芯片的A/D端口，然后ARM芯片内部的A/D转换电路将其转化为数字信号，并根据该数字信号的大小来计算PWM 的占空比，最后将PWM信号输出到显示屏驱动器，从而达到根据环境亮度，自动调整显示亮度的目的。

亮度自动调节的流程如图4所示。系统每隔10 s读取1次A/D转换结果；然后基于预先设置好的查找表，确定调光等级；再根据调光等级换算PWM占空比。