基于STM32F103VE的智能信箱系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

引言

為了解決傳統(tǒng)信箱容易發(fā)生的鎖孔堵塞、鑰匙丟失、信件丟失、浪費空間、垃圾廣告等問題，保護信件的安全、有效，我們設(shè)計了一個智能信箱系統(tǒng)。它采用封閉式管理和細化空間、動態(tài)分配的存儲理念，增加了安全性，提高了用戶數(shù)量。它還具有身份驗證、來信提示、網(wǎng)絡(luò)查詢等功能，可以廣泛應(yīng)用于小區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院、企業(yè)等。

一、 整體構(gòu)架

智能信箱的系統(tǒng)構(gòu)架主要有兩部分，即控制系統(tǒng)與機械設(shè)備。控制系統(tǒng)用于保存和管理用戶與信件的信息，下達“存”或“取”的命令給機械設(shè)備，它包括主控芯片模塊、存儲器、觸摸屏、網(wǎng)絡(luò)接口、實時時鐘、電磁繼電器、步進電機驅(qū)動器等；機械設(shè)備則負責執(zhí)行控制系統(tǒng)下達的命令，完成信件的存取過程，它包括帶步進電機的線性十字滑軌以及用于存放信件的存儲陣列等。

二、 存/取信件的具體實現(xiàn)

存/取信件是系統(tǒng)的主要職能。用戶執(zhí)行存信或取信操作時，系統(tǒng)會進入存儲器中查詢相關(guān)的用戶信息和存儲信息，根據(jù)一系列算法，算出十字滑軌上滑臺的運動軌跡，用電機驅(qū)動滑臺按照軌跡執(zhí)行存/取信任務(wù)，完成任務(wù)后，系統(tǒng)自動更新存儲器中的信息，保持與存儲陣列內(nèi)的情況一致。

2.1 線性十字滑軌

線性十字滑軌是信箱系統(tǒng)當中實施機械動作的部分，為了保證系統(tǒng)的精確性，我們采用了滾珠絲杠十字滑軌。它由兩副正交安裝的滾珠絲杠副和滑臺組成，水平滾珠絲杠副安裝在豎直滾珠絲杠副上，形成一個平面直角坐標系，信件就被存儲在這個坐標系里。每副滾珠絲杠副都由一個步進電機來驅(qū)動，通過控制輸出脈沖個數(shù)來控制角位移量，再通過滾珠絲杠副將角位移轉(zhuǎn)換為線性位移，達到準確定位的目的。

2.2 脈沖數(shù)控制算法

在脈沖輸出上，我們采用了PWM（Pulse Width Modulation）脈沖輸出。當系統(tǒng)進入存/取信件任務(wù)時，系統(tǒng)讀出目標單元格在存儲陣列中的橫縱坐標值，計算出兩幅滑軌的運行距離，從而確定每個步驟必須輸出的脈沖數(shù)量。脈沖數(shù)的計算公式：

其中P為脈沖數(shù)，C為當前步驟操作的坐標值，D為單位坐標值的實際距離，S為滾珠絲杠的導(dǎo)程，α為步進電機的步進角，一般為1.9°，n為步進電機驅(qū)動器的細分數(shù)。

在編程實現(xiàn)上，我們使用了兩個定時器，其中TIM2作為脈沖計數(shù)器，TIM3作為PWM發(fā)生器，工作原理闡述如下：①將TIM3設(shè)置成PWM輸出模式，不斷地輸出PWM脈沖序列；②將TIM2設(shè)置成外部觸發(fā)模式，用作脈沖計數(shù)器；③將TIM3的PWM輸出連接到TIM2的脈沖輸入上，使能TIM3，就可開始記數(shù)；④將TIM2的溢出值設(shè)定為步進電機所需的脈沖數(shù)P，一旦計得所需脈沖數(shù)，立即進入中斷，關(guān)閉TIM3的使能，停止脈沖輸出，這個過程遠快于PWM的輸出頻率，可以實現(xiàn)精確控制輸出脈沖數(shù)。

2.3 空間管理方法

傳統(tǒng)信箱采用的是一人一格的平均分配方式，但每人信件數(shù)量往往不同，且當今網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展，信件數(shù)量大幅減少，傳統(tǒng)信箱的分配方式無疑造成了空間上的浪費。我們采用細化空間、動態(tài)分配的管理方式，將每一格尺寸縮小，以每日每戶平均來信數(shù)量為準，如有超過，則另行開辟空閑單元繼續(xù)存放，同時，自動記錄所存信件的用戶信息；因此信箱整體規(guī)?？s小的同時，支持更多用戶的使用，便于信件的集中管理，解決傳統(tǒng)信箱分散、難管理的問題。[!--empirenews.page--]

2.4 存儲陣列設(shè)計

系統(tǒng)用存儲陣列來存儲信件，當中按行列分布了多個存儲單元，每個單元由兩部分空間組成，一部分存放信件，稱為存儲板，另一部分作為行運送軌道的一部分，排列在存儲板的正上方。圖1是系統(tǒng)的模型示意圖，根據(jù)它可以進一步說明如何實現(xiàn)信件的存儲。

存儲板和滑臺的形狀是相互耦合的，它們即能夠托載信件又能相互通過來實現(xiàn)信件的抬起和放下。這里以存儲信件為例，說明其具體過程，過程分為5步：①信件被放置在存/取信口的滑臺上，豎直滑軌帶動水平滑軌和滑臺通過運送通道向下移動到目標行；②水平滑軌帶動滑臺通過行運輸軌道來到目標存儲板上方；③確保到位后，豎直滑軌再次下移，滑臺穿過存儲板，將信件放置到了存儲板上；④滑軌帶動滑臺回到存/取信口。這樣，經(jīng)過兩組滑軌的輪流操作，就完成了一次存信操作，并開始等待下一次操作。同理可知，取出信件的過程正好為該過程的逆操作，這里不再贅述。

三、 控制系統(tǒng)

3.1 硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)的主控芯片為STM32F103VE單片機，內(nèi)置IIC、SPI總線接口和512K閃存等，屬于ARM v7-M里的Cortex-M3系列。硬件部分還包括觸摸屏模塊、實時時鐘模塊、存儲器模塊、電機配置模塊、電源模塊、網(wǎng)絡(luò)接口等。觸摸屏采用7寸TFT電阻式觸摸屏，通過SPI1接口與單片機連接，由恒流源芯片PT4101為觸摸屏提供LCD背光源。

實時時鐘模塊采用DS1302芯片，通過IIC2接口接入單片機，為系統(tǒng)提供時間參考，實現(xiàn)定時提醒功能。存儲器采用SST25VF016B 2M FLASH，用于存放信件存儲信息和用戶賬號信息等。電機配置模塊主要由步進電機驅(qū)動器、繼電器和三極管組成，用于片選不同的電機驅(qū)動器，并對其控制端口進行配置，以實現(xiàn)對電機的控制。

網(wǎng)絡(luò)接口用于接入網(wǎng)絡(luò)，將信箱內(nèi)的信息實上傳到網(wǎng)絡(luò)上，供用戶查看是否有信、修改密碼等，也方便管理員管理和修改信息。

3.2 μC/OS-II

μC/OS-II的任務(wù)主要包括兩部分，時鐘管理與任務(wù)調(diào)度。操作系統(tǒng)會以定時中斷服務(wù)程序的型式調(diào)用時鐘節(jié)拍函數(shù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)時鐘的管理。當新的時鐘節(jié)拍到來時，系統(tǒng)判斷各任務(wù)的優(yōu)先級，并按照優(yōu)先級高低將任務(wù)排入就緒隊列中。若當前最高優(yōu)先級任務(wù)滿足執(zhí)行條件，則直接運行，直到需要某種臨界資源時，任務(wù)會主動請求掛起，這時系統(tǒng)會調(diào)度就緒隊列中下一優(yōu)先級的任務(wù)，使其獲得執(zhí)行權(quán)。

3.3 賬號管理

所有使用者都有賬號和密碼，作為操作權(quán)限的唯一憑據(jù)。賬號數(shù)量可以根據(jù)用戶數(shù)目自由添加或刪減，分配靈活。賬號的類型有三種，即用戶賬號、管理員賬號和投遞賬號，它們具有不同的操作權(quán)限。當輸入密碼錯誤時，系統(tǒng)不會響應(yīng)任何要求，因此可以有效杜絕信件丟失和垃圾廣告進入信箱占用空間等現(xiàn)象。

3.4 提醒功能

當系統(tǒng)收到來信時，系統(tǒng)會自動向網(wǎng)絡(luò)更新信息，主顯示屏?xí)L動顯示收到來信的用戶賬號。郵遞員將信件放入信箱時，系統(tǒng)會讀取當前日期，并計算出一個提醒日期，作為該信件的信息存儲在存儲器中。同時，系統(tǒng)會定期檢查當前日期是否超過所存信件的提醒日期，若超過，會發(fā)送信息至網(wǎng)絡(luò)和顯示屏，要求用戶及時取走信件，若用戶仍長期沒有取信，系統(tǒng)會通知管理員與用戶聯(lián)系。

四、 總結(jié)

該方案是針對目前信箱結(jié)構(gòu)上的一系列問題，提出的一種智能化、自動化解決方案，旨在提高資源利用率、保障信件安全和實時等。但由于缺乏實際使用中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，因此仍可能存在一些問題，需要進一步研究。