基于串口通信的智能鞋柜的研究

韓元真　齊子昂　吳真昱　陳鈺

摘 要：近年來，智能家居行業蓬勃發展，針對當前人們生活節奏快，時間成本高的現狀，使得高效便捷成為智能家居改進的方向。基于此，本文研究設計了一種基于串口通信的智能鞋柜，給用戶提供智能化存取鞋的體驗，整個存鞋與取鞋過程由鞋柜自動完成，用戶只需操作智能鞋柜上的觸摸屏，即可快速存取鞋。調試結果表明，該鞋柜操作簡便且高效，可自動化完成鞋的存取，可為用戶節省不必要的時間。

關鍵詞：智能鞋柜;串口通信多軸聯動

引言

普通鞋柜大多由木材打制，且人們在存儲鞋子時通常都隨手一放，久而久之，鞋柜容量到達極限，且擺放不整齊，影響美觀，另外，人們在選擇鞋子時，由于鞋子的擺放毫無規律，增加了挑選鞋的時間，影響人們的心情。并且，當前市面上智能鞋柜并非實現自動化存取鞋的功能。因此，設計一款智能化、自動化的鞋柜可有效解決上述不足。本設計旨在利用科學技術解決當前鞋柜存在的問題，使得智能家居更加便利人們的生活，獲得較好的體驗感。

1.機械結構設計

鞋柜整體結構的三維模型已基本確定，主要包含存放傳輸機構、擺放拿取機構、顯示屏模塊以及圖像采集模塊，鞋柜整體結構三維模型如圖1所示。

1.1存放傳輸機構

存放傳輸結構由一個步進電機和滑軌組成，用于存取時傳輸鞋子。用戶存鞋時，將鞋子放在存放傳輸機構的滑塊上，取鞋時，鞋子會通過存放傳輸機構傳輸出來。

1.2擺放拿取機構

擺放拿取機構包含X、Y、Z、yaw四個軸，由三個步進電機和一個角度舵機實現，通過對電機位置的精準控制，可以利用柵欄型機構中間的空隙實現交叉對齊的方式對鞋子進行取放。存鞋時，將鞋放到第一存取鞋放置臺上，依次通過存放傳輸機構和鞋轉運傳送帶機構將鞋移動至第二存取鞋放置臺上，由鞋轉運機械臂機構將第二存取鞋放置臺上的鞋取下并轉移到分配好的鞋存放格間內;當需要取鞋時，由鞋轉運機械臂機構將鞋存放格間內的鞋移至第二存取鞋放置臺上，再依次由取鞋推送機構和鞋轉運傳送帶機構將鞋推至第一存取鞋放置臺上。

1.3圖像采集模塊

圖像采集模塊是通過相機，對存放的鞋進行圖像采集，用于取鞋時選鞋。像與存鞋位置自動化匹配，在存鞋過程中，通過攝像頭對鞋子進行圖像提取，并將提取的鞋子圖像與存放位置進行匹配，實現通過圖像對匹配位置的鞋子精準定位和快速提取，避免了采用神經網絡識別鞋子的方法，使取鞋準確率大大提高。

2.電控系統設計

2.1步進電機的多軸聯動控制系統

多軸聯動控制是針對較復雜運動路徑或者曲線、曲面的加工路徑控制算法[1]。為縮短存取鞋子的時間，即縮短電機運動的時間，采用多軸聯動的方式對步進電機進行控制，控制三個電機同時運作，同時朝著目標方向運動，并且把該機構是否會與其他機構發生碰撞的因素考慮在內。在此系統中，單片機同時發出多個獨立的脈沖信號，以達到聯動的目的，之后單片機通過記錄脈沖數計算出各個運動軸的當前位置，再通過數據的拆分進行串口發送，上位機進行數據的接收和還原來實現各種數據的可視化以及控制指令的發送，使得用戶的操作更加便捷。在設定完目標位置后，通過Floyd算法進行最短路徑的計算，從而規劃出最優路徑，朝著目標方向移動。

2.2串口傳輸的觸摸屏數據采集與控制系統

觸摸屏要依靠上位機即電腦軟件的作用才能實現通信，而串口通信是單片機與計算機通信的最常用方式，上位機通過調用計算機串口與單片機進行串口通信，接收或發送相關指令。

2.2.1觸摸屏與單片機的串口通信

該系統采用MAX232芯片進行電平轉換，采用三線制連接串口，當單片機發送信息時，TTL電平從單片機的TXD端發出，經過電平轉換到達計算機的RXD端從而完成數據傳輸，計算機發送信息時則是相反的路徑。之后根據硬件連接進行串口設置，實現通信，單純的串口通信在發送信息量較大的情況下會出現數據錯誤的情況，需要不斷優化其通信方式，篩選出錯誤信息加以排除，可采用計算法得出CRC校驗碼，以確保串口通信的準確性。

2.2.2上位機的設計

該系統使用軟件Visual Studio來創建使用Windows窗體的應用程序和用戶界面。首先利用Visual Studio創建窗體應用工程，將窗體設計為合適的形狀，之后根據個人的偏好設置窗體屬性，例如：窗口大小，窗體的位置，按鈕設置等等。接下來是向窗體中增加控件，將數據顯示在窗體上，以實現窗體的各項具體功能。

使用Texbox控件（即文本框控件）設定相應的屬性，Label控件可以在文本框中插入一個標簽，用以標識不同的對象，也就是添加文字信息用于說明，提示用戶操作流程。Button控件是程序開發中必不可少的一個控件，供用戶單擊，用戶和程序可以得到及時交互響應，每個按鈕都有一個唯一的ID，通過消息處理函數，可以設定相應的操作指令，如選擇鞋子、存取等。而SerialPort控件在整個系統中的作用極為重要，通信功能的實現以該控件為基礎，通過該控件設置相應的參數類屬性、控制類屬性、狀態數據類屬性及事件，進而實現串口通信的功能。

結語

本設計針對智能鞋柜尚未實現自動化存取鞋的不足之處，研發了一款智能化、自動化存取鞋、操作便捷的智能鞋柜，該鞋柜將圖像處理技術、機械、電機控制、觸摸屏、單片機和串口通信等技術綜合，實現鞋子智能快捷的存取，能給人們帶來更加人性化的服務。

參考文獻：

[1] 張旭輝.基于PC的步進電機多軸運動控制策略研究[J].機床與液壓，2004（08）：55-56.

[2] 齊子昂，袁嘉惠，黃宇捷，岑國源.基于串口傳輸的觸摸屏數據采集與控制系統的研究[J].現代電信科技，2020（02）：45，47.

*基金項目：本文是桂林電子科技大學2020年自治區級大學生創業訓練項目“一種基于視覺匹配的智能鞋柜”的項目成果，項目編號：202010595077