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摘 要：近年来，智能家居行业蓬勃发展，针对当前人们生活节奏快，时间成本高的现状，使得高效便捷成为智能家居改进的方向。基于此，本文研究设计了一种基于串口通信的智能鞋柜，给用户提供智能化存取鞋的体验，整个存鞋与取鞋过程由鞋柜自动完成，用户只需操作智能鞋柜上的触摸屏，即可快速存取鞋。调试结果表明，该鞋柜操作简便且高效，可自动化完成鞋的存取，可为用户节省不必要的时间。
关键词：智能鞋柜;串口通信多轴联动
引言
普通鞋柜大多由木材打制，且人们在存储鞋子时通常都随手一放，久而久之，鞋柜容量到达极限，且摆放不整齐，影响美观，另外，人们在选择鞋子时，由于鞋子的摆放毫无规律，增加了挑选鞋的时间，影响人们的心情。并且，当前市面上智能鞋柜并非实现自动化存取鞋的功能。因此，设计一款智能化、自动化的鞋柜可有效解决上述不足。本设计旨在利用科学技术解决当前鞋柜存在的问题，使得智能家居更加便利人们的生活，获得较好的体验感。
1.机械结构设计
鞋柜整体结构的三维模型已基本确定，主要包含存放传输机构、摆放拿取机构、显示屏模块以及图像采集模块，鞋柜整体结构三维模型如图1所示。
1.1存放传输机构
存放传输结构由一个步进电机和滑轨组成，用于存取时传输鞋子。用户存鞋时，将鞋子放在存放传输机构的滑块上，取鞋时，鞋子会通过存放传输机构传输出来。
1.2摆放拿取机构
摆放拿取机构包含X、Y、Z、yaw四个轴，由三个步进电机和一个角度舵机实现，通过对电机位置的精准控制，可以利用栅栏型机构中间的空隙实现交叉对齐的方式对鞋子进行取放。存鞋时，将鞋放到第一存取鞋放置台上，依次通过存放传输机构和鞋转运传送带机构将鞋移动至第二存取鞋放置台上，由鞋转运机械臂机构将第二存取鞋放置台上的鞋取下并转移到分配好的鞋存放格间内;当需要取鞋时，由鞋转运机械臂机构将鞋存放格间内的鞋移至第二存取鞋放置台上，再依次由取鞋推送机构和鞋转运传送带机构将鞋推至第一存取鞋放置台上。
1.3图像采集模块
图像采集模块是通过相机，对存放的鞋进行图像采集，用于取鞋时选鞋。像与存鞋位置自动化匹配，在存鞋过程中，通过摄像头对鞋子进行图像提取，并将提取的鞋子图像与存放位置进行匹配，实现通过图像对匹配位置的鞋子精准定位和快速提取，避免了采用神经网络识别鞋子的方法，使取鞋准确率大大提高。
2.电控系统设计
2.1步进电机的多轴联动控制系统
多軸联动控制是针对较复杂运动路径或者曲线、曲面的加工路径控制算法[1]。为缩短存取鞋子的时间，即缩短电机运动的时间，采用多轴联动的方式对步进电机进行控制，控制三个电机同时运作，同时朝着目标方向运动，并且把该机构是否会与其他机构发生碰撞的因素考虑在内。在此系统中，单片机同时发出多个独立的脉冲信号，以达到联动的目的，之后单片机通过记录脉冲数计算出各个运动轴的当前位置，再通过数据的拆分进行串口发送，上位机进行数据的接收和还原来实现各种数据的可视化以及控制指令的发送，使得用户的操作更加便捷。在设定完目标位置后，通过Floyd算法进行最短路径的计算，从而规划出最优路径，朝着目标方向移动。
2.2串口传输的触摸屏数据采集与控制系统
触摸屏要依靠上位机即电脑软件的作用才能实现通信，而串口通信是单片机与计算机通信的最常用方式，上位机通过调用计算机串口与单片机进行串口通信，接收或发送相关指令。
2.2.1触摸屏与单片机的串口通信
该系统采用MAX232芯片进行电平转换，采用三线制连接串口，当单片机发送信息时，TTL电平从单片机的TXD端发出，经过电平转换到达计算机的RXD端从而完成数据传输，计算机发送信息时则是相反的路径。之后根据硬件连接进行串口设置，实现通信，单纯的串口通信在发送信息量较大的情况下会出现数据错误的情况，需要不断优化其通信方式，筛选出错误信息加以排除，可采用计算法得出CRC校验码，以确保串口通信的准确性。
2.2.2上位机的设计
该系统使用软件Visual Studio来创建使用Windows窗体的应用程序和用户界面。首先利用Visual Studio创建窗体应用工程，将窗体设计为合适的形状，之后根据个人的偏好设置窗体属性，例如：窗口大小，窗体的位置，按钮设置等等。接下来是向窗体中增加控件，将数据显示在窗体上，以实现窗体的各项具体功能。
使用Texbox控件（即文本框控件）设定相应的属性，Label控件可以在文本框中插入一个标签，用以标识不同的对象，也就是添加文字信息用于说明，提示用户操作流程。Button控件是程序开发中必不可少的一个控件，供用户单击，用户和程序可以得到及时交互响应，每个按钮都有一个唯一的ID，通过消息处理函数，可以设定相应的操作指令，如选择鞋子、存取等。而SerialPort控件在整个系统中的作用极为重要，通信功能的实现以该控件为基础，通过该控件设置相应的参数类属性、控制类属性、状态数据类属性及事件，进而实现串口通信的功能。
结语
本设计针对智能鞋柜尚未实现自动化存取鞋的不足之处，研发了一款智能化、自动化存取鞋、操作便捷的智能鞋柜，该鞋柜将图像处理技术、机械、电机控制、触摸屏、单片机和串口通信等技术综合，实现鞋子智能快捷的存取，能给人们带来更加人性化的服务。
参考文献：
[1] 张旭辉.基于PC的步进电机多轴运动控制策略研究[J].机床与液压，2004（08）：55-56.
[2] 齐子昂，袁嘉惠，黄宇捷，岑国源.基于串口传输的触摸屏数据采集与控制系统的研究[J].现代电信科技，2020（02）：45，47.
*基金项目：本文是桂林电子科技大学2020年自治区级大学生创业训练项目“一种基于视觉匹配的智能鞋柜”的项目成果，项目编号：202010595077
关键词：智能鞋柜;串口通信多轴联动
引言
普通鞋柜大多由木材打制，且人们在存储鞋子时通常都随手一放，久而久之，鞋柜容量到达极限，且摆放不整齐，影响美观，另外，人们在选择鞋子时，由于鞋子的摆放毫无规律，增加了挑选鞋的时间，影响人们的心情。并且，当前市面上智能鞋柜并非实现自动化存取鞋的功能。因此，设计一款智能化、自动化的鞋柜可有效解决上述不足。本设计旨在利用科学技术解决当前鞋柜存在的问题，使得智能家居更加便利人们的生活，获得较好的体验感。
1.机械结构设计
鞋柜整体结构的三维模型已基本确定，主要包含存放传输机构、摆放拿取机构、显示屏模块以及图像采集模块，鞋柜整体结构三维模型如图1所示。
1.1存放传输机构
存放传输结构由一个步进电机和滑轨组成，用于存取时传输鞋子。用户存鞋时，将鞋子放在存放传输机构的滑块上，取鞋时，鞋子会通过存放传输机构传输出来。
1.2摆放拿取机构
摆放拿取机构包含X、Y、Z、yaw四个轴，由三个步进电机和一个角度舵机实现，通过对电机位置的精准控制，可以利用栅栏型机构中间的空隙实现交叉对齐的方式对鞋子进行取放。存鞋时，将鞋放到第一存取鞋放置台上，依次通过存放传输机构和鞋转运传送带机构将鞋移动至第二存取鞋放置台上，由鞋转运机械臂机构将第二存取鞋放置台上的鞋取下并转移到分配好的鞋存放格间内;当需要取鞋时，由鞋转运机械臂机构将鞋存放格间内的鞋移至第二存取鞋放置台上，再依次由取鞋推送机构和鞋转运传送带机构将鞋推至第一存取鞋放置台上。
1.3图像采集模块
图像采集模块是通过相机，对存放的鞋进行图像采集，用于取鞋时选鞋。像与存鞋位置自动化匹配，在存鞋过程中，通过摄像头对鞋子进行图像提取，并将提取的鞋子图像与存放位置进行匹配，实现通过图像对匹配位置的鞋子精准定位和快速提取，避免了采用神经网络识别鞋子的方法，使取鞋准确率大大提高。
2.电控系统设计
2.1步进电机的多轴联动控制系统
多軸联动控制是针对较复杂运动路径或者曲线、曲面的加工路径控制算法[1]。为缩短存取鞋子的时间，即缩短电机运动的时间，采用多轴联动的方式对步进电机进行控制，控制三个电机同时运作，同时朝着目标方向运动，并且把该机构是否会与其他机构发生碰撞的因素考虑在内。在此系统中，单片机同时发出多个独立的脉冲信号，以达到联动的目的，之后单片机通过记录脉冲数计算出各个运动轴的当前位置，再通过数据的拆分进行串口发送，上位机进行数据的接收和还原来实现各种数据的可视化以及控制指令的发送，使得用户的操作更加便捷。在设定完目标位置后，通过Floyd算法进行最短路径的计算，从而规划出最优路径，朝着目标方向移动。
2.2串口传输的触摸屏数据采集与控制系统
触摸屏要依靠上位机即电脑软件的作用才能实现通信，而串口通信是单片机与计算机通信的最常用方式，上位机通过调用计算机串口与单片机进行串口通信，接收或发送相关指令。
2.2.1触摸屏与单片机的串口通信
该系统采用MAX232芯片进行电平转换，采用三线制连接串口，当单片机发送信息时，TTL电平从单片机的TXD端发出，经过电平转换到达计算机的RXD端从而完成数据传输，计算机发送信息时则是相反的路径。之后根据硬件连接进行串口设置，实现通信，单纯的串口通信在发送信息量较大的情况下会出现数据错误的情况，需要不断优化其通信方式，筛选出错误信息加以排除，可采用计算法得出CRC校验码，以确保串口通信的准确性。
2.2.2上位机的设计
该系统使用软件Visual Studio来创建使用Windows窗体的应用程序和用户界面。首先利用Visual Studio创建窗体应用工程，将窗体设计为合适的形状，之后根据个人的偏好设置窗体属性，例如：窗口大小，窗体的位置，按钮设置等等。接下来是向窗体中增加控件，将数据显示在窗体上，以实现窗体的各项具体功能。
使用Texbox控件（即文本框控件）设定相应的属性，Label控件可以在文本框中插入一个标签，用以标识不同的对象，也就是添加文字信息用于说明，提示用户操作流程。Button控件是程序开发中必不可少的一个控件，供用户单击，用户和程序可以得到及时交互响应，每个按钮都有一个唯一的ID，通过消息处理函数，可以设定相应的操作指令，如选择鞋子、存取等。而SerialPort控件在整个系统中的作用极为重要，通信功能的实现以该控件为基础，通过该控件设置相应的参数类属性、控制类属性、状态数据类属性及事件，进而实现串口通信的功能。
结语
本设计针对智能鞋柜尚未实现自动化存取鞋的不足之处，研发了一款智能化、自动化存取鞋、操作便捷的智能鞋柜，该鞋柜将图像处理技术、机械、电机控制、触摸屏、单片机和串口通信等技术综合，实现鞋子智能快捷的存取，能给人们带来更加人性化的服务。
参考文献：
[1] 张旭辉.基于PC的步进电机多轴运动控制策略研究[J].机床与液压，2004（08）：55-56.
[2] 齐子昂，袁嘉惠，黄宇捷，岑国源.基于串口传输的触摸屏数据采集与控制系统的研究[J].现代电信科技，2020（02）：45，47.
*基金项目：本文是桂林电子科技大学2020年自治区级大学生创业训练项目“一种基于视觉匹配的智能鞋柜”的项目成果，项目编号：202010595077