摘 要：傳統(tǒng)人工分揀水果的方式下存在人力成本偏高、工作效率偏低的問題。為此，設計了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的香梨分揀系統(tǒng)。通過圖像識別技術實現(xiàn)對香梨品質的篩選，采用YOLOv2算法對香梨大小進行分級，并配合機械臂自動裝箱；同時該系統(tǒng)還具備實時查看分揀數(shù)據(jù)的功能，從而有效提高分揀效率，降低人工成本。系統(tǒng)融合了人工智能視覺技術和機械臂的高級算法，標志著香梨分揀系統(tǒng)向新型水果行業(yè)分揀發(fā)展趨勢邁進。此外，該分揀系統(tǒng)的成功應用也為其在蔬果分揀領域的推廣提供了可能。

關鍵詞：人工智能；分揀系統(tǒng)；圖像識別；YOLOv2算法；機械臂；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-0-03

0 引 言

我國是水果生產(chǎn)大國，每年各種水果的產(chǎn)量能達到數(shù)千萬噸。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，消費者對高品質水果的需求日益增加。傳統(tǒng)的人工分揀方式逐漸難以滿足消費者的需求。近年來，國家推出一系列政策大力扶持水果行業(yè)的發(fā)展，說明果業(yè)已成為我國農業(yè)發(fā)展的重點之一。最新資料顯示，我國勞動力成本持續(xù)上漲已成為不可逆的趨勢。鑒于中國是全球最大的水果消費市場，水果企業(yè)轉變分揀方式已成為一種必然趨勢。

目前，國內水果分揀主要依賴人工方式，依據(jù)大小、外觀等因素進行分級裝箱，這一方式極大地增加了企業(yè)和農戶的人力成本，工作效率較低。隨著圖像識別技術的發(fā)展，尤其是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡在農業(yè)領域中的運用，為解決以上問題提供了方向。針對水果篩選、分級及裝箱過程中存在的效率低下等問題，本文提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的香梨分揀系統(tǒng)，可實現(xiàn)對香梨品質的識別、對香梨大小進行分級和將香梨自動裝箱，此分揀系統(tǒng)有望推廣到其他蔬果分揀領域。

1 系統(tǒng)的硬件組成結構

本系統(tǒng)分為圖像采集裝置和機械夾取裝置2部分，總體硬件結構如圖1所示。

圖像采集處理裝置以STM32F407VET6單片機為核心，搭載K210、OV5642攝像頭、OLED顯示屏、SYN6288語音播報模塊、nRF24L01無線通信模塊，并將ESP8266作為數(shù)據(jù)云傳輸?shù)耐ㄐ拍K[1-2]。

機械夾取輸送裝置以STM32F103C8T6單片機為核心，搭載nRF24L01無線通信模塊、紅外傳感器、減速電機和由DS3115舵機驅動的機械臂[3]。

為了使系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定可靠，圖像采集處理裝置采用了STM32F407VET6芯片。該芯片內置ARM 32位CortexTM-M4 CPU with FPU（浮點運算單元），其自適應實時加速器（ART-Accelerator）使得主頻達到168 MHz，能夠提供210 DMIPS的性能，即1.25 DMIPS/MHz的計算能力，支持帶硬件DSP指令集，支持3種低功耗模式：Sleep（睡眠）、Stop（停機）、Standby（待機）。機械夾取輸送裝置采用STM32F103C8T6芯片，該芯片內核采用ARM 32位 CortexTM-M3處理器，主頻達到72 MHz，性能高達90 DMIPS，相當于1.25 DMIPS/MHz的計算能力，支持低功耗睡眠模式，芯片配備了充足的內置閃存存儲器，運行速率快，系統(tǒng)反應時間短，能夠滿足本設計的要求。

1.1 自動篩選香梨品質

本系統(tǒng)的圖像采集處理裝置采用OV5642攝像頭對香梨進行圖像采集識別[4]，如圖2所示；采集的畫面由K210芯片進行處理，并通過串口通信將識別結果發(fā)送給主控制器STM32F407VET6，主控制器會通過nRF24L01發(fā)送給STM32F103C8T6單片機[5]；此時機械臂夾取輸送裝置的主控制器會控制機械臂進行2次翻轉，進而實現(xiàn)全方位識別。若水果的3面都不發(fā)霉，則將其放回原來的位置；若識別出水果發(fā)霉，則通過機械臂夾取放進存放發(fā)霉水果的盒子里。

1.2 自主分級和自動裝箱

本系統(tǒng)的機械臂夾取裝置負責對檢測完好的香梨進行進一步傳送。當STM32F103C8T6收到數(shù)據(jù)后會控制減速直流電機將香梨?zhèn)魉偷搅硗庖粋€攝像頭處進行再次識別；通過YOLOv2算法對香梨邊緣進行計算分析，比較方框的大小，將結果通過串口通信發(fā)送給主控制器STM32F407VET6；主控制器收到數(shù)據(jù)后，將其發(fā)送給STM32F103C8T6。如果香梨屬于一級，則通過機械臂夾取放進一級香梨的盒子里；如果香梨屬于二級，則放進二級香梨的盒子里[6]。香梨級別檢測如圖3所示。

1.3 自動播報與顯示

本系統(tǒng)在進行香梨級別分配時，STM32F407VET6會將識別的結果發(fā)送給SYN6288模塊，系統(tǒng)會自動播報出香梨的級別，OLED顯示屏也會實時顯示當天的分揀數(shù)據(jù)[7]。

1.4 物聯(lián)網(wǎng)遠程查詢

采用本系統(tǒng)對香梨進行分揀后，圖像采集處理裝置主控制器會將數(shù)據(jù)發(fā)送給ESP8266模塊，隨后ESP8266會將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)頁，網(wǎng)頁則根據(jù)變量名更新相關數(shù)據(jù)。網(wǎng)頁通過HTML和CSS語言搭建[8]，如圖4所示。通過不斷優(yōu)化程序設計，并利用JavaScript語言實現(xiàn)每秒向ESP8266模塊發(fā)送一次數(shù)據(jù)請求的功能。用戶只需通過手機端或電腦端訪問設定的網(wǎng)址，即可實時查詢當天的分揀數(shù)據(jù)。

2 軟件設計與實現(xiàn)

2.1 分揀系統(tǒng)自動篩選香梨品質

本系統(tǒng)通過單片機對各模塊進行初始化；隨后，輸送裝置將香梨?zhèn)魉椭恋谝粋€攝像頭處進行圖像采集；采集到的畫面由K210芯片進行處理。在此過程中，機械臂會對香梨進行2次翻轉，以實現(xiàn)全方位識別。若香梨3面都不發(fā)霉，則將其放回原來的位置；若識別出發(fā)霉，則通過機械臂夾取放進存放發(fā)霉香梨的盒子里。分揀系統(tǒng)自動篩選香梨品質的流程如圖5所示。

2.2 分揀系統(tǒng)自主分級和自動裝箱

本系統(tǒng)會對檢測完好的香梨進一步識別其大小。通過YOLOv2算法處理香梨邊緣數(shù)據(jù)，從而比較出香梨的大小。如果香梨屬于一級，則通過機械臂將其夾進一級香梨的盒子里；如果香梨屬于二級，則放進二級香梨的盒子里。分揀系統(tǒng)自主分級和自動裝箱流程如圖6所示。

2.3 分揀系統(tǒng)自動播報與實時顯示

本系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下會自動播報香梨的級別，并且OLED顯示屏也會實時顯示當天的分揀數(shù)據(jù)。分揀系統(tǒng)自動播報與實時顯示流程如圖7所示。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)遠程查詢分揀數(shù)據(jù)

分揀系統(tǒng)中圖像采集處理裝置的主控制器STM32F407VET6首先對各模塊進行初始化，并將當天的分揀數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給ESP8266。用戶可通過手機端或者電腦端訪問網(wǎng)址進入香梨分揀系統(tǒng)，實時查詢當天的分揀數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)遠程查詢分揀數(shù)據(jù)的流程如圖8所示。

3 實驗結果

系統(tǒng)實物如圖9所示，其中采用定制的木板搭建整體框架，采用定制的傳送帶作為運輸香梨的工具[9]。首先對硬件進行測試，確保整體硬件不會出現(xiàn)短路等情況，且各個模塊能夠正常工作；再進行整體的程序設計。把主控芯片的控制程序下載到硬件中，觀察每個部分是否能夠正常工作。若哪個模塊有問題就修改對應模塊的程序，修改完成后再次測試，直到問題解決。

通過不斷地進行模型訓練，將系統(tǒng)的識別率提高至95%左右；經(jīng)過多次調試，系統(tǒng)能夠成功且準確地將識別的結果通過串口通信發(fā)送到主控制器STM32F407VET6。

通過不斷改進和優(yōu)化YOLOv2算法，計算出香梨外圍方框的面積；經(jīng)過多次調試，找出一級和二級方框面積的臨界點，從而實現(xiàn)自主分級。

通過MATLAB計算機械臂的角度，當分揀系統(tǒng)上電后，不斷觀察機械臂運行的狀態(tài)，多次調整角度參數(shù)，最終確保機械臂能夠準確夾取香梨并自動裝箱[10]。

利用HTML和CSS語言不斷優(yōu)化程序設計；經(jīng)過多次調試，成功實現(xiàn)在手機端或電腦端通過訪問設定的網(wǎng)址即可進入香梨分揀系統(tǒng)的界面。

4 結 語

針對現(xiàn)階段水果行業(yè)采用的分揀方式不能很好地滿足企業(yè)和消費者的需求這一問題，本文設計開發(fā)了香梨分揀系統(tǒng)，利用圖像識別技術實現(xiàn)對香梨品質的篩選，采用YOLOv2算法對香梨大小進行分級，并配合機械臂自動裝箱。用戶還可以實時查看分揀數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)具有識別準確率高、效率高、實時性強、可擴展性強等優(yōu)點。本文設計的系統(tǒng)融合了人工智能視覺技術以及機械臂的高級算法，使香梨分揀系統(tǒng)向新型水果行業(yè)分揀發(fā)展方向邁進。該分揀系統(tǒng)具有較大的推廣價值。

參考文獻

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作者簡介：蔡榕坤（2002—），男，廣東揭陽人，研究方向為單片機與嵌入式系統(tǒng)。

黃志雄（2001—），男，廣東韶關人，研究方向為單片機與嵌入式系統(tǒng)。

彭健豪（2002—），男，廣東河源人，研究方向為單片機與嵌入式系統(tǒng)。

收稿日期：2023-05-30 修回日期：2023-06-28

基金項目：廣東省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（S202210582242）