基于指纹识别的智能货架系统设计

龙炬泉

（深圳先隆电子实业有限公司，广东深圳，518055）

0 引言

我国政府正大力提倡发展工业4.0，优化产业结构和提升信息化水平。而我国大部分工厂的仓储管理还是沿用传统方式，信息化程度低，与发达国家相比还有很大差距。现代仓储技术融合了电子技术、大数据、物联网等多种科技手段，朝着低功耗、智能化、高效率方向不断进步。智能货架是现代仓储技术的重要组成部分，它可以接入多种输入输出设备，例如称重传感器、摄像头、扫描器等，这些设备赋予智能货架多样功能：自动上传物料数据并在云服务器或者ERP系统存储；能够通过数据库来对某一物料的存储数量以及存储位置进行查询；对缺货、积压等一些特定状态进行判断和预警。智能货架广泛应用能够协助库管员快速完成出库、入库流程，减少工作量，工作效率得到大幅提升。

1 国内外研究状况

根据原理划分，目前国内外智能货架的结构可以分成3种。第一种是基于RFID射频识别技术的货架，货架上的每一件货物都会贴有RFID标签，标签上包含货物的生产日期、货物存储的位置等信息。仓管员可以利用射频阅读器和标签进行非接触式通信，监控货物的数量和储存期限。

第二种采用ESL（电子货架标签）技术的仓储货架，相比于RFID技术，省去RFID纸质标签，减少更换标签的工作量和纸张的使用量，节约环保。通过虚拟的标签和货架之间进行绑定，在更新数据库数据时，直接通过货架本身携带的电子标签和管理系统进行数据交互，实现了货架与管理系统的实时通信。

第三种智能货架应用传感器检测技术，其实现功能由使用的传感器类型所决定，常用于实现计件管理和产品质量检测等功能。以配置了称重传感器的智能货架为例，它能够实时检测货架上货物总重量，根据单件货物的重量，自动统计数量，加快物料盘点效率。

本研究分析了现时基于传感器检测技术方案的一些亟待解决的问题，根据客户仓储管理需求定制，确立了重量称量技术结合指纹识别技术的货架称重系统总体设计方案，数据通过网络进行的汇总和传递，实现物料信息的自动统计，有效防止计件差错，节省人工，提高工作效率和员工的满意度，使整个流程实现自动化，数字化。帮助企业提升生产管理水平，形成完整的管理体系。

2 智能货架系统设计

由于本研究的货架称重系统应用于仓储产品信息统计，特别是需要对体积小且使用频繁的零部件进行数量统计，RFID 技术和 ESL技术难以适用这种场合，最终选用传感器称重的方案来对放置在货架上物品计算数量。另外区别于传统手工记账的入库出库方式，本方案采用指纹识别的方法来记录操作人员工号和时间日期，提升工作效率的同时，减少纸张使用。为了适用不同的应用场合，本文的货架系统采用模块式的设计，主要的控制电路、通信电路、主控芯片集成在一块小板上，其他周边模块如指纹识别、称重传感器、显示触摸模块可以根据货架结构扩展接入，因此具有体积小、系统接入简单、使用方便等优点。

图1 货架系统架构

2.1 称重模块

图2 称重模块电路设计

称重模块和主控单元采用SPI(Serial Peripheral Interface)通信，SDO为数据输出引脚；SDI为数据输入引脚，SCLK为时钟信号。SPI通信方式具有高速、同步、全双工等优点。

由于称重传感器本身具有非线性特性，以及受温度、湿度等环境因素的影响，使得称重系统的输入和实际重量存在较大的误差，从而影响称重系统的准确度，所以必须进行误差补偿【1】。本研究使用MATLAB软件进行仿真，利用神经网络的“万能逼近特性”，以任意精度逼近误差函数【2】，从而完成称重传感器蠕变误差补偿。由于本研究设计的称重传感器量程为50kg，C3级别，砝码样本选取1，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50kg；环境温度选择 0，5，10，25，30，35，40°C。确定输入参数后，在高低温试验箱中，待温度条件稳定后，分别加载不同的砝码到货架系统，采集其输出重量信号。得到的数据分为测试样本和训练样本，在MATLAB软件上进行神经网络训练。经过对比发现，称重模块在经过误差补偿后，远远小于补偿前的误差，蠕变特性得到整体提升，满足使用要求。

2.2 指纹识别模块

本研究的指纹识别模块采用了一款高性能的光学指纹识别模块ATK-AS608，模块内置 DSP 运算单元，集成了指纹识别算法，能高效快速采集图像并识别指纹特征。指纹识别模块通过串口与主控单元通信。指纹模块内部设有图像缓冲区ImageBuffer，用于存放从指纹传感器读入的图像，另外设有两个特征文件缓冲区CharBuffer，用于存放普通特征文件和模板特征文件。指纹识别模块工作可分为指纹录入和指纹匹配两种。

指纹录入：对仓管员工指纹进行登记，每一指纹录入2次，然后对指纹图像提取特征，合成模板存储到数据库中。

指纹匹配：当仓管员工需要进行仓库作业时，首先验证指纹，确认员工身份。系统对输入的指纹信息进行搜索匹配，返回员工姓名及工号。

2.3 触摸显示模块

本研究的智能货架系统配有4.3寸触摸显示屏，作为人机交换终端，它承担着信息录入、物料规格展示、仓管作业等多种功能。所有的日常入库、出库、盘点操作均可以在上面完成，仓管员可以便捷地了解物料变化数量，减少人为出错几率。为了节约功耗，显示屏在空闲时间处于黑屏待机状态，当系统检测到手指按到指纹识别模块时，自动发送WAK高电平信号到主控单元激活屏幕。当员工作业完成后，物料变化数量及时间信息即时传输到云端服务器，数据库同步更新。

3 结语

本文通过对基于指纹识别的智能货架系统研究，为现代仓储管理提供新的解决方案。传感器的误差补偿算法能够确保细小物料数量计量准确，减少分发时出错。而集成的指纹识别模块可以简化作业流程，提高工作效率，数据实时更新，提高企业生产的信息化程度。