韓元真 齊子昂 吳真昱 陳鈺

摘 要：近年來，智能家居行業(yè)蓬勃發(fā)展，針對當(dāng)前人們生活節(jié)奏快，時(shí)間成本高的現(xiàn)狀，使得高效便捷成為智能家居改進(jìn)的方向?；诖耍疚难芯吭O(shè)計(jì)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(yàn)，整個(gè)存鞋與取鞋過程由鞋柜自動(dòng)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(diào)試結(jié)果表明，該鞋柜操作簡便且高效，可自動(dòng)化完成鞋的存取，可為用戶節(jié)省不必要的時(shí)間。

關(guān)鍵詞：智能鞋柜;串口通信多軸聯(lián)動(dòng)

引言

普通鞋柜大多由木材打制，且人們在存儲(chǔ)鞋子時(shí)通常都隨手一放，久而久之，鞋柜容量到達(dá)極限，且擺放不整齊，影響美觀，另外，人們在選擇鞋子時(shí)，由于鞋子的擺放毫無規(guī)律，增加了挑選鞋的時(shí)間，影響人們的心情。并且，當(dāng)前市面上智能鞋柜并非實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化存取鞋的功能。因此，設(shè)計(jì)一款智能化、自動(dòng)化的鞋柜可有效解決上述不足。本設(shè)計(jì)旨在利用科學(xué)技術(shù)解決當(dāng)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(yàn)感。

1.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

1.1存放傳輸機(jī)構(gòu)

存放傳輸結(jié)構(gòu)由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和滑軌組成，用于存取時(shí)傳輸鞋子。用戶存鞋時(shí)，將鞋子放在存放傳輸機(jī)構(gòu)的滑塊上，取鞋時(shí)，鞋子會(huì)通過存放傳輸機(jī)構(gòu)傳輸出來。

1.2擺放拿取機(jī)構(gòu)

擺放拿取機(jī)構(gòu)包含X、Y、Z、yaw四個(gè)軸，由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)角度舵機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過對電機(jī)位置的精準(zhǔn)控制，可以利用柵欄型機(jī)構(gòu)中間的空隙實(shí)現(xiàn)交叉對齊的方式對鞋子進(jìn)行取放。存鞋時(shí)，將鞋放到第一存取鞋放置臺(tái)上，依次通過存放傳輸機(jī)構(gòu)和鞋轉(zhuǎn)運(yùn)傳送帶機(jī)構(gòu)將鞋移動(dòng)至第二存取鞋放置臺(tái)上，由鞋轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)將第二存取鞋放置臺(tái)上的鞋取下并轉(zhuǎn)移到分配好的鞋存放格間內(nèi);當(dāng)需要取鞋時(shí)，由鞋轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)將鞋存放格間內(nèi)的鞋移至第二存取鞋放置臺(tái)上，再依次由取鞋推送機(jī)構(gòu)和鞋轉(zhuǎn)運(yùn)傳送帶機(jī)構(gòu)將鞋推至第一存取鞋放置臺(tái)上。

1.3圖像采集模塊

圖像采集模塊是通過相機(jī)，對存放的鞋進(jìn)行圖像采集，用于取鞋時(shí)選鞋。像與存鞋位置自動(dòng)化匹配，在存鞋過程中，通過攝像頭對鞋子進(jìn)行圖像提取，并將提取的鞋子圖像與存放位置進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)通過圖像對匹配位置的鞋子精準(zhǔn)定位和快速提取，避免了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別鞋子的方法，使取鞋準(zhǔn)確率大大提高。

2.電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1步進(jìn)電機(jī)的多軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)

多軸聯(lián)動(dòng)控制是針對較復(fù)雜運(yùn)動(dòng)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(shí)間，即縮短電機(jī)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，采用多軸聯(lián)動(dòng)的方式對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，控制三個(gè)電機(jī)同時(shí)運(yùn)作，同時(shí)朝著目標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)，并且把該機(jī)構(gòu)是否會(huì)與其他機(jī)構(gòu)發(fā)生碰撞的因素考慮在內(nèi)。在此系統(tǒng)中，單片機(jī)同時(shí)發(fā)出多個(gè)獨(dú)立的脈沖信號(hào)，以達(dá)到聯(lián)動(dòng)的目的，之后單片機(jī)通過記錄脈沖數(shù)計(jì)算出各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的當(dāng)前位置，再通過數(shù)據(jù)的拆分進(jìn)行串口發(fā)送，上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和還原來實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的可視化以及控制指令的發(fā)送，使得用戶的操作更加便捷。在設(shè)定完目標(biāo)位置后，通過Floyd算法進(jìn)行最短路徑的計(jì)算，從而規(guī)劃出最優(yōu)路徑，朝著目標(biāo)方向移動(dòng)。

2.2串口傳輸?shù)挠|摸屏數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

觸摸屏要依靠上位機(jī)即電腦軟件的作用才能實(shí)現(xiàn)通信，而串口通信是單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通信的最常用方式，上位機(jī)通過調(diào)用計(jì)算機(jī)串口與單片機(jī)進(jìn)行串口通信，接收或發(fā)送相關(guān)指令。

2.2.1觸摸屏與單片機(jī)的串口通信

該系統(tǒng)采用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，采用三線制連接串口，當(dāng)單片機(jī)發(fā)送信息時(shí)，TTL電平從單片機(jī)的TXD端發(fā)出，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換到達(dá)計(jì)算機(jī)的RXD端從而完成數(shù)據(jù)傳輸，計(jì)算機(jī)發(fā)送信息時(shí)則是相反的路徑。之后根據(jù)硬件連接進(jìn)行串口設(shè)置，實(shí)現(xiàn)通信，單純的串口通信在發(fā)送信息量較大的情況下會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的情況，需要不斷優(yōu)化其通信方式，篩選出錯(cuò)誤信息加以排除，可采用計(jì)算法得出CRC校驗(yàn)碼，以確保串口通信的準(zhǔn)確性。

2.2.2上位機(jī)的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)使用軟件Visual Studio來創(chuàng)建使用Windows窗體的應(yīng)用程序和用戶界面。首先利用Visual Studio創(chuàng)建窗體應(yīng)用工程，將窗體設(shè)計(jì)為合適的形狀，之后根據(jù)個(gè)人的偏好設(shè)置窗體屬性，例如：窗口大小，窗體的位置，按鈕設(shè)置等等。接下來是向窗體中增加控件，將數(shù)據(jù)顯示在窗體上，以實(shí)現(xiàn)窗體的各項(xiàng)具體功能。

使用Texbox控件（即文本框控件）設(shè)定相應(yīng)的屬性，Label控件可以在文本框中插入一個(gè)標(biāo)簽，用以標(biāo)識(shí)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(fā)中必不可少的一個(gè)控件，供用戶單擊，用戶和程序可以得到及時(shí)交互響應(yīng)，每個(gè)按鈕都有一個(gè)唯一的ID，通過消息處理函數(shù)，可以設(shè)定相應(yīng)的操作指令，如選擇鞋子、存取等。而SerialPort控件在整個(gè)系統(tǒng)中的作用極為重要，通信功能的實(shí)現(xiàn)以該控件為基礎(chǔ)，通過該控件設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)類屬性、控制類屬性、狀態(tài)數(shù)據(jù)類屬性及事件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)串口通信的功能。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)針對智能鞋柜尚未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化存取鞋的不足之處，研發(fā)了一款智能化、自動(dòng)化存取鞋、操作便捷的智能鞋柜，該鞋柜將圖像處理技術(shù)、機(jī)械、電機(jī)控制、觸摸屏、單片機(jī)和串口通信等技術(shù)綜合，實(shí)現(xiàn)鞋子智能快捷的存取，能給人們帶來更加人性化的服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張旭輝.基于PC的步進(jìn)電機(jī)多軸運(yùn)動(dòng)控制策略研究[J].機(jī)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?shù)挠|摸屏數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代電信科技，2020（02）：45，47.

*基金項(xiàng)目：本文是桂林電子科技大學(xué)2020年自治區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目“一種基于視覺匹配的智能鞋柜”的項(xiàng)目成果，項(xiàng)目編號(hào)：202010595077

（1.桂林電子科技大學(xué)商學(xué)院 廣西 桂林541004;2.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 廣西 桂林 541004）