李鈺靚，張利宏*，沈宇航，范禮峰，杜衛(wèi)丹，顧昌鈴

1. 浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司杭州卷煙廠，杭州市西湖區(qū)科海路118 號 310024

2. 上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司產(chǎn)品研發(fā)中心，上海市浦東新區(qū)金港路1000 號 201206

二維碼在卷煙產(chǎn)品上的應(yīng)用是近年來煙草行業(yè)防偽溯源管理的重要技術(shù)手段之一，并逐步向精準(zhǔn)營銷、質(zhì)量溯源、包裝工藝全生命周期管理的方向發(fā)展［1-2］，而實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵則是將每10 小盒商標(biāo)紙與對應(yīng)一個條盒的二維碼進(jìn)行精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)（以下簡稱十合一關(guān)聯(lián)）。傳統(tǒng)的防偽溯源主要根據(jù)整批物料的時間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，無法記錄單一產(chǎn)品的精確時間，也無法實(shí)現(xiàn)十合一關(guān)聯(lián)。隨著標(biāo)識解析技術(shù)的發(fā)展［3-12］，在線解析二維碼的方法得到廣泛應(yīng)用，即將在線解析的小盒和條盒的二維碼信息打上時間戳并將其記錄到數(shù)據(jù)庫，再在后臺將每10 小盒與一個條盒的二維碼信息，基于時間戳進(jìn)行小盒-條盒二維碼關(guān)聯(lián)對應(yīng)［13］。利用該方法，廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司［14-16］在卷煙二維碼管理、防偽系統(tǒng)構(gòu)建等方面開展了研究；陳?。?7］、李乾等［18］探討了二維碼在煙草行業(yè)防偽溯源中的應(yīng)用，將卷煙成品作為管理對象，對其全生命周期進(jìn)行跟蹤和管理；紅云紅河煙草（集團(tuán)）有限責(zé)任公司［19］建立了基于煙包二維碼追溯生產(chǎn)信息管理方法，將生產(chǎn)機(jī)臺信息、部門信息和時間信息作為煙包身份信息，以二維碼作為主關(guān)鍵詞存儲到數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)每包煙的質(zhì)量追溯。由于卷煙包裝機(jī)組的工藝過程較為復(fù)雜，生產(chǎn)中存在故障停機(jī)、小盒剔除、人工添加小盒等環(huán)節(jié)，因此基于時間戳的二維碼關(guān)聯(lián)對應(yīng)方法，難以實(shí)現(xiàn)小盒與條盒二維碼信息的精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)。為此，以ZB45 硬盒包裝機(jī)組為研究對象，根據(jù)煙草行業(yè)主流包裝機(jī)組基于工位運(yùn)行的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了包裝機(jī)組產(chǎn)品二維碼信息精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，以期提高卷煙產(chǎn)品防偽溯源的精準(zhǔn)性和數(shù)字化生產(chǎn)管理水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

根據(jù)包裝機(jī)組基于工位做間歇運(yùn)動的特性，設(shè)計(jì)了包裝機(jī)組產(chǎn)品二維碼信息關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，主要由4 個掃碼器、集中控制器、信息存儲服務(wù)器等部分組成，見圖1。其中，4 個掃碼器分別為小盒入口工位的小盒初始掃碼器1、補(bǔ)包器工位的末位掃碼器2、小盒成條工位的驗(yàn)碼掃碼器3 以及條盒商標(biāo)紙下紙工位的小盒條盒關(guān)聯(lián)掃碼器4。

圖1 二維碼信息關(guān)聯(lián)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Structure of correlation system for QR code information

1.2 工藝流程

由圖2 可見，生產(chǎn)中系統(tǒng)首先通過集中控制器獲取包裝機(jī)組的工位信息，使用入口初始掃碼器1生成小盒二維碼序列，然后使用末位補(bǔ)包掃碼器2根據(jù)故障停機(jī)、小盒剔除等情況補(bǔ)足小盒二維碼序列，再使用驗(yàn)碼掃碼器3 將小盒二維碼序列進(jìn)行分割并組碼，最后通過工位關(guān)系使用關(guān)聯(lián)掃碼器4 進(jìn)行關(guān)聯(lián)，由此實(shí)現(xiàn)小盒與條盒二維碼信息的十合一關(guān)聯(lián)。

1.3 二維碼信息的關(guān)聯(lián)

1.3.1 小盒二維碼序列的生成

系統(tǒng)初始化后，預(yù)建立起基于工位序列的小盒二維碼序列堆棧，堆棧長度為n，堆棧結(jié)構(gòu)見圖3。當(dāng)小盒到達(dá)入口工位時，利用掃碼器1 生成基礎(chǔ)序列，并解析當(dāng)前小盒二維碼信息。若掃碼器1解析成功，則將該條二維碼信息記錄入堆棧的棧頂，并在解析是否成功標(biāo)志位寫入1（表示解析成功），后續(xù)每解析一個小盒，就在堆棧中寫入一條信息，當(dāng)?shù)谝粭l記錄到達(dá)棧底時，即代表該小盒到達(dá)小盒成條工位（也稱為十合一工位）；若掃碼器1 解析不成功，該小盒到達(dá)剔除工位時被剔除，此時電控系統(tǒng)控制補(bǔ)包器及時添加小盒，由補(bǔ)包器加入的小盒二維碼信息需要重新解析。

圖2 二維碼信息關(guān)聯(lián)系統(tǒng)工藝流程圖Fig.2 Process flow of correlation system for QR code information

當(dāng)補(bǔ)包器添加小盒時，位于補(bǔ)包器工位的掃碼器2 開始解析所補(bǔ)小盒的二維碼信息。如果解析成功，在相應(yīng)工位的堆棧位置記錄二維碼信息，并在解析是否成功標(biāo)志位寫入1；如果不成功，在相應(yīng)工位的堆棧位置記錄空白信息，并在解析是否成功標(biāo)志位寫入0。在掃碼器2 與十合一工位之間，未設(shè)置剔除工位，含有解析不成功小盒的條盒在后續(xù)工序會被剔除。

1.3.2 小盒二維碼序列的驗(yàn)證、切割與組碼

掃碼器3 位于10 包小盒進(jìn)入條盒前的小盒成條工位（十合一工位），主要對已有序列堆棧進(jìn)行驗(yàn)證，避免掃碼器2 與掃碼器3 之間的小盒序列被破壞。掃碼器3 的安裝位置與小盒二維碼印制位置相對應(yīng)，通常情況下二維碼印刷在小盒側(cè)邊，當(dāng)解析到即將進(jìn)入條盒內(nèi)的10 包小盒中前兩包的二維碼，再解析到下一條盒內(nèi)10 包小盒中前兩包的二維碼時，通過計(jì)算即可得到第一條煙在生產(chǎn)過程中的所有信息。當(dāng)出現(xiàn)通道卡滯煙包等情況時，系統(tǒng)可自動記錄異常節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行處理，序列堆棧出錯時也可及時修正。

經(jīng)過1～3 號掃碼器的小盒，其二維碼信息均會出現(xiàn)在序列中，即使生產(chǎn)線出現(xiàn)異常情況，也可將錯誤的序列都包含在同一條煙中，即該條煙可能包含超過10 包小盒的二維碼信息，但不會缺失信息。此外，后續(xù)設(shè)置的剔除工位，也可避免使序列錯誤的條煙進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。在正常情況下，當(dāng)序號為1 的小盒到達(dá)工位n 時，將序號1～10 即工位n～n9 的小盒十合一到條盒I 中，隨著堆棧的循環(huán)，以此類推；在異常情況下，工位n～n9 還是對應(yīng)條盒I，但可能包含了序號1～n（n≤20）小盒的信息（包括解析成功和解析不成功的、異常情況的、人工添加的小盒）。掃碼器3 確保序列錯誤只發(fā)生在一個條盒內(nèi)，動態(tài)調(diào)整的是每10 個工位所對應(yīng)的小盒信息數(shù)量。

圖3 二維碼序列堆棧結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of QR code sequence stack structure

1.3.3 小盒和條盒二維碼的關(guān)聯(lián)

在條盒商標(biāo)紙下紙工位，掃碼器4 用于解析條盒二維碼信息。由于集中控制器是基于工位解析條盒二維碼，故工位n～n9 的小盒對應(yīng)條盒I，工位n10～n19 的小盒對應(yīng)條盒Ⅱ，以此類推。當(dāng)條盒二維碼解析成功時，將解析結(jié)果寫入堆棧相應(yīng)位置，并將解析是否成功標(biāo)志寫入1，條盒進(jìn)入下一工序；當(dāng)條盒二維碼解析不成功時，將解析結(jié)果即空白信息寫入堆棧相應(yīng)位置，并將解析是否成功標(biāo)志位寫入0，在剔除工位將該條盒剔除。每關(guān)聯(lián)一條煙與10 包小盒二維碼信息，無論成功與否，控制器都將堆棧內(nèi)的緩存信息傳輸至二維碼信息存儲服務(wù)器。

1.4 集中控制器設(shè)計(jì)

集中控制器是整個系統(tǒng)的核心，采用的是以STM32 單片機(jī)為核心的控制板，同時連接多條自定義的I/O 電路，見圖4?？刂瓢逯饕糜诤诵挠?jì)算機(jī)模塊的外圍擴(kuò)展，包括電源電路、STM32 單片機(jī)、USB 模塊通訊電路、光源模塊控制電路、輸入輸出電路、VGA 電路、以太網(wǎng)通訊電路、固態(tài)硬盤、指示電路等外設(shè)資源，對外采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)連接器，提供工業(yè)相機(jī)、輸入輸出、光源、以太網(wǎng)通訊、USB、VGA 等接口。核心計(jì)算機(jī)模塊利用自帶的接插件與控制板上的接插件對插，工位信號輸入接口用于接收包裝機(jī)組電控系統(tǒng)和編碼器產(chǎn)生的信息，剔除信號輸出接口用于向包裝機(jī)組電控系統(tǒng)輸出處理結(jié)果。

圖4 集中控制器電路框圖Fig.4 Block diagram of integrated controller circuit

1.5 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括控制器上位機(jī)、下位機(jī)軟件以及人機(jī)界面軟件。由圖5 可見，上位機(jī)軟件通過控制器控制板上的以太網(wǎng)接口與掃碼器通訊，設(shè)置各工位掃碼器的拍照相位，實(shí)時顯示拍攝的圖片，并將識別失敗的圖片存儲于硬盤，用于后續(xù)追溯；將各工位掃碼器識別數(shù)據(jù)匯總和分析，對小盒、條盒數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并存儲于數(shù)據(jù)庫；將識別以及小盒-條盒關(guān)聯(lián)結(jié)果發(fā)送給控制系統(tǒng)，如果結(jié)果不合格，則由包裝機(jī)組控制系統(tǒng)在相應(yīng)工位剔除缺陷煙包。

圖5 控制器上位機(jī)軟件流程圖Fig.5 Flow chart of controller host computer software

由圖6 可見，下位機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)接收控制器上位機(jī)軟件的控制指令，對外圍設(shè)備進(jìn)行控制操作，根據(jù)相位觸發(fā)各工位的LED 光源和掃碼器；向包裝機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)送檢測狀態(tài)信號、診斷信號及剔除機(jī)構(gòu)的執(zhí)行信號。控制器下位機(jī)軟件執(zhí)行速度要求較高，為毫秒級別，因此采用C 語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

由圖7 可見，人機(jī)界面軟件主要用于提供系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)時狀態(tài)感知、信息查看及參數(shù)設(shè)置，包括系統(tǒng)設(shè)置、設(shè)備管理、實(shí)時圖像、信息關(guān)聯(lián)、生產(chǎn)數(shù)字化管理、品牌統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)采集等模塊。

圖6 控制器下位機(jī)軟件流程圖Fig.6 Flow chart of controller slave computer software

圖7 人機(jī)界面布局圖Fig.7 HMI layout

2 應(yīng)用效果

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

材料：“利群（江南韻）”牌細(xì)支煙，共40 萬盒。小盒二維碼印制在小盒商標(biāo)紙條碼的下方，條盒二維碼印制在條盒包裝紙外側(cè)（均由浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司提供）。

設(shè)備：ZB45 硬盒包裝機(jī)組（上海煙草機(jī)械有限責(zé)任公司）。

測試方法：將40 萬盒煙均分成4 組，在第一組1 萬盒煙中混入10 盒錯牌煙包，在第二組1 萬盒煙中混入10 盒二維碼質(zhì)量缺陷煙包，在第三組1 萬盒煙中人工剔除小盒10 次，在第四組1 萬盒煙中模擬通道卡滯煙包10 次。開啟小盒和條盒剔除功能，采用工位關(guān)聯(lián)和基于時間關(guān)聯(lián)兩種方法，分別統(tǒng)計(jì)不同試驗(yàn)條件下的小盒解析成功率、剔除準(zhǔn)確率、關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確率以及小盒信息包含率，取平均值。

2.2 數(shù)據(jù)分析

由表1 可見，采用工位關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，解析成功率為99.995%，小盒信息包含率為100%。開啟條盒剔除情況下，小盒-條盒關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確率為100%；不開啟條盒剔除情況下，小盒-條盒關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確率為99.95%。與基于時間關(guān)聯(lián)方法相比，系統(tǒng)關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確率大幅提升。

表1 工位關(guān)聯(lián)和時間關(guān)聯(lián)測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of station-based correlation and time-based correlation （%）

3 結(jié)論

根據(jù)包裝機(jī)組基于工位的運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種小盒-條盒二維碼信息精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32 單片機(jī)為控制核心，基于包裝機(jī)組工位信息實(shí)現(xiàn)了小盒-條盒二維碼信息的在線解析、剔除和關(guān)聯(lián)。以ZB45 硬盒包裝機(jī)組為對象進(jìn)行測試，結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)包裝機(jī)組產(chǎn)品二維碼信息在線精準(zhǔn)十合一關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確率達(dá)99.95%，與基于時間的關(guān)聯(lián)方法相比較，關(guān)聯(lián)準(zhǔn)確率提高3.55 百分點(diǎn)。該系統(tǒng)適用于當(dāng)前行業(yè)內(nèi)主流軟盒、硬盒包裝機(jī)組，可為提高卷煙包裝工藝過程數(shù)字化管理水平提供支持。