基于计算机视觉技术的智能控温保鲜物流柜设计

宋文博，云晓丽，董景峰

（东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引言

随着改革开放40余年来国家经济的高速发展，我国居民的生活质量和消费水平也在不断提高，在饮食需求上，从最初简单的吃得饱，到后来的吃得好，再到现在追求新鲜、健康、绿色、多样化的更高层次的饮食需求，体现了当下国民对于高品质食物的需求越来越高。而如今，网上购物的流行，使得人们对于水果蔬菜等生鲜农产品的购买不仅局限于线下，人们更多地开始习惯于在线上直接在原产地下单购买生鲜农产品。这不仅能够满足消费者对于食品新鲜、绿色的需求，更能顺应国家“十三五”脱贫攻坚规划，带动当地农户的脱贫致富。但水果、蔬菜及肉类等生鲜农产品在运输和储存等环节中容易受到温度等多重因素的影响，不当的储存方式不仅会降低农产品的品质，更会使其腐败变质，进而造成食品的浪费，甚至威胁人们的生命财产安全。

由于这些生鲜农产品腐败变质的现象很大一部分发生在储藏和运输的过程中，为防止这些生鲜农产品在这过程中腐败变质，人们习惯性地会采用冷藏的方式对这些食品进行保存和运输，但是因为适宜不同生鲜农产品储存的温度和时间不尽相同，所以盲目地将这些生鲜农产品置于同一温度下储存和运输很难保证其到达消费者手中的质量和口感。以生鲜农产品中的蔬菜为例，每种蔬菜的最佳储藏温度和储藏时间都不同，有的蔬菜如南瓜适宜10℃以上储藏，有的蔬菜如菠菜适宜0℃-4℃储藏，有的蔬菜如大蒜适宜0℃或0℃以下保存，见表1。如果不能在适宜温度下进行储藏，不仅会缩短蔬菜的保质期，降低蔬菜的卖相和品质，更会加速其体内的化学反应，形成亚硝酸盐等威胁人健康的物质。

表1 不同蔬菜的最佳储存温度和时间

为解决农产品贮藏和运输过程中容易产生变质的问题，目前市场上现有的保鲜物流柜主要都是针对物流柜的功能性等方面进行改进，使其具备有冷藏生鲜等多功能性的优点。而徐冲，等提出了基于太阳能光伏制冷技术的新型生鲜自提柜的想法，提出了利用太阳能降低自提柜的运营成本，并将自提柜内部细分为各个不同的区域来储存食品的想法。王振杰，等首次提出了利用计算机视觉技术来检测食品腐败的想法，他认为鉴于计算机视觉技术拥有快速识别的能力，可以替代部分人力，减少检测食品腐败的繁琐过程。王中林针对猕猴桃在特定温度下的独特贮存条件，提出了猕猴桃气调保鲜技术，为猕猴桃提供个性化的储藏方式来延长猕猴桃的保质期限。林鹏飞提出了一种人脸识别的自助物流柜，提出了将摄像头与物流柜相结合完成人脸识别付款取货的想法。汪静提出了一种基于STM32的智能物流柜，提出用键盘和显示器实现物流柜与用户的智能化交互的想法，从而便于用户的提货以及后台工作人员管理物流柜。

本文基于以上理论研究和分析，提出了一种基于计算机视觉技术的智能控温保鲜物流柜。作为人工智能的重要领域之一，计算机视觉技术的具体工作原理主要是通过用摄像机等设备代替人的视觉感官，用计算机代替人的大脑，最终使计算机具备类似于人类的识别、判断以及记忆目标的功能，进而代替人类完成部分作业，如图1所示。

图1 计算机视觉技术工作原理

在农业种植方面，应用计算机视觉的果蔬识别技术在农产品超市化经营、农业自动化等领域都具有巨大的应用前景。而本文设计的智能控温保鲜物流柜通过利用计算机视觉技术，代替人们完成识别生鲜农产品种类的任务，帮助人们将不同的生鲜农产品划分至不同的保鲜区域，并由计算机根据其具体种类制定不同的保鲜方案，设置最适的温度，并利用语音播报的方式告知人们具体保鲜箱、控温箱以及冷藏箱的位置，放进食物后根据保鲜方案自动调节保鲜柜的温度，以达到生鲜农产品储存的最佳温度。同时，由于设计的物流柜内设置有多个保鲜箱，可用于同时储存多个种类的生鲜食品。另外，在生鲜农产品被取出后，还能够利用保鲜箱中的拉杆与套筒对保鲜箱内的食物残渣进行取出清理，从而达到箱内干净卫生的效果。

1 智能控温保鲜物流柜的设计

1.1 物流柜的整体结构设计

物流柜的总体结构如图2所示。物流柜包括活动连接于物流柜左侧的铰接件，以及活动连接于铰接件左侧的密封门，活动连接于密封门正面的密封条，密封条能够对柜体本体内的冷气进行密封隔绝，保证柜体本体的冷藏效果，还包括物流柜的内部左侧固定连接于密封门外表面的用于识别生鲜种类的显示屏以及显示屏连接的语音播报器，左侧的显示屏和语音播报器可识别生鲜农产品外包装上的二维码，进行相应的语音播报功能，从而告知人们具体的生鲜农产品应被放置的右侧区域。

图2 物流柜的整体设计图

柜体内部右侧为生鲜农产品进行保鲜的区域，后台的计算机根据显示屏识别的生鲜农产品信息对其进行保鲜温度的调控，设置有三个机构，分别为设置在柜体内部的保鲜机构、设置在保鲜机构底部的控温机构，以及设置于控温机构底部的冷藏机构。保鲜机构储藏的大多为南瓜等常温下的水果蔬菜，控温机构可用于储存的生鲜农产品为菠菜等大多适宜低温储藏的水果蔬菜，冷藏机构能够对牛肉等适宜低温冷冻的肉制品进行冷藏保存，三个温度调控机构从而达到了该物流柜对不同生鲜食物进行分类存放的要求。

第一调节冷腔内的保鲜箱储藏的大多为南瓜等常温下的水果蔬菜，这类生鲜产品在低温下可能会降低口感甚至加速变质，所以保鲜箱内的温度会根据具体保鲜的生鲜农产品的需要通常取为10℃以上的温度，但是由于箱体温度相对较高，很容易在取出生鲜食品后残留食品的气味和残渣。为方便对箱体内部进行清理工作，第一调节冷腔内部的保鲜箱可以利用拉杆对隔层板进行拆装。此外，拉杆在拉动时，由于内部的弹簧为其提供弹力，进而达到了便于将隔层板进行限位固定与方便拆卸的效果，避免了隔层板固定在保鲜箱内难以拿出清理的情况，从而使保鲜箱可以经常性地拆装和清理内部残留的污垢

第二调节冷腔内的控温箱包括加工在控温箱内壁的两个稳固槽、横板内部两侧的两个复位片，复位片的存在能够方便将稳固块插入稳固槽内。第三调节冷腔内的冷藏箱低温保存的绝大多数为肉类，为了方便能够大量地储存和取出肉类，冷藏箱的内部设置有两个滑轨以及活动连接于两个滑轨顶部的物品篮，物品篮的设置能够增大肉类的存放空间，滑轨的设置是为能够方便将物品篮从冷藏箱内拿出。此外，物流柜内部的保鲜箱与控温箱的温度高于冷藏箱的温度。

1.2 物流柜的工作流程和识别原理

物流柜工作流程如图3所示。物流柜内部左侧的显示屏中设置有红外线传感器设备，当生鲜农产品出现在红外线感应距离以内时，用于识别种类的显示屏自动开启，其余时间显示屏则均处于关闭的状态。红外线传感器的嵌入，一方面可以对显示屏前的实物进行感应，进而控制显示屏的开启与关闭；另一方面在空闲状态下使显示屏处于关闭状态，可以节约物流柜的用电。显示屏能够对不同种类的水果和蔬菜进行识别，进而确立不同的保鲜方案对其进行保鲜处理。当显示屏开启后，通过扫描识别贴附在生鲜农产品外表面的二维码，根据后台数据，进而判断出生鲜农产品的种类和适宜储藏的具体温度，并通过与之表面连接的语音播放器进行自动播报，对食物被划分后的区域以及上方的数字牌进行播报，告知人们应将其具体放在哪个箱体中进行保鲜。生鲜农产品被放入对应箱体内后，箱门关闭，箱体所在的调节冷腔开始工作。调节冷腔将会根据物流柜后台计算机在二维码上识别出的具体信息，调节刚放入的生鲜农产品对应箱体内的温度，并使之维持在该生鲜农产品最适的温度下进行保鲜和储存。

图3 物流柜的具体工作流程

用于识别生鲜农产品种类的显示屏的工作原理主要通过Visual Studio中的C++来实现和完成，其具体的工作方式为首先在计算机后台中提前存入带有各类生鲜农产品信息的二维码，并建立一个与之相对应的表格进行管理和分类，一方面识别二维码后直接在后台表格上进行显示；另一方面方便后期人员对存储的生鲜食品信息进行核对校验，物流柜后台计算机分类表格制作程序及表格形式如图4所示。而显示屏开启后将对生鲜农产品表面贴附的二维码进行识别扫描，若不能进行识别，则为后台未存入与该生鲜食品相对应的二维码，即对应的文件不存在，进而播报识别错误，若能够正常识别，则对生鲜食品进行依次分类，分类完毕后将信号传递给与之相连接的语音播放器，从而进行对应的语音播报。

图4 物流柜后台计算机分类程序及表格形式

1.3 物流柜的温度控制系统设计

生鲜农产品被分类放入不同的箱体后，箱门关闭，对应的物流箱根据后台给出的该农产品最佳适宜温度进行调控。以第一调节冷腔中的保鲜箱为例，如图5所示，当生鲜农产品被放入保鲜箱后，通过温度传感器以及湿度传感器确定对应箱中的温度，并通过温度显示屏以及温度计显示出来，之后根据该农产品的最佳储存温度，箱内的制冷元件（图中未标出）和制热元件开始工作，使温度控制在该范围内，并通过温度显示屏和温度计显示出来。

图5 保鲜箱的温度控制系统结构设计

该系统的总体设计思想是以AT89C52单片机为该温度控制系统的核心。整个温度系统的硬件部分包括温度采集模块，温度输入模块，温度显示模块以及执行系统模块。温度采集模块采集箱内的温度，温度输入模块为后台输入的温度范围，单片机控制系统通过比较两个模块中的温度，进而传递给温度显示模块和执行系统模块，调控箱内的温度，如图6所示。

图6 温度控制系统的整体设计

根据系统模块设计，在Proteus中搭建电路原理图，同时根据主程序流程在Keil中编写C语言程序，实现Proteus实验仿真，仿真实验原理图如图7所示。

图7 Proteus仿真实验原理图

仿真结果：输入的温度在10℃—15℃之间。当温度在7℃时，RL1吸合，RL2断开，制热元件开始工作，当温度升至10℃以上时，RL1断开，制热元件停止工作。当温度在19℃时，RL2吸合，RL1断开，制冷元件开始工作，当温度降为15℃以下时，RL2断开，制冷元件停止工作。

2 结语

果蔬生鲜是人们日常饮食中必不可少的食物，它们为人们提供丰富的营养素。同时，果蔬生鲜产品在运输储存的过程中极易变质腐败，人们食用之后，不仅仅不会给人们的身体带来益处，反而还会对人们的身体健康造成损害，也会给产业带来巨大经济损失。为减少果蔬生鲜产品在贮藏、销售过程中的腐败变质，产业中常用化学方法对其进行保鲜处理。目前，已有许多研究探讨了采后外源化学处理对果实品质的维护作用。但化学保鲜剂常存在化学残留、产生抗性菌株的风险，因此寻找一种绿色安全高效智能的保鲜方式，成为了许多研究者们关注的问题。目前我国果蔬贮藏保鲜技术主要存在能耗高、设备投资大、保鲜品种较为单一和仓储能力季节性闲置的问题。

科技改变生活，利用科学的手段，让保鲜技术更上一层楼，建立切实可行的贮藏保鲜技术，实现果蔬生鲜的最后一公里安全运输。本研究中的智能控温保鲜物流柜面对的对象不仅仅局限于果蔬类，还面向了生鲜，实现了“一机多品种保鲜”“一机多用”的目标。且本产品以视觉识别技术为基础，以低温保鲜技术为手段，更是加快了保鲜技术向智能化发展的步伐，让人们在对众多果蔬生鲜产品的保鲜上，能够更轻松应对。