基于STM32F103VE的智能信箱系统的设计与实现

 引言

为了解决传统信箱容易发生的锁孔堵塞、钥匙丢失、信件丢失、浪费空间、垃圾广告等问题，保护信件的安全、有效，我们设计了一个智能信箱系统。它采用封闭式管理和细化空间、动态分配的存储理念，增加了安全性，提高了用户数量。它还具有身份验证、来信提示、网络查询等功能，可以广泛应用于小区、学校、医院、企业等。

一、 整体构架

智能信箱的系统构架主要有两部分，即控制系统与机械设备。控制系统用于保存和管理用户与信件的信息，下达“存”或“取”的命令给机械设备，它包括主控芯片模块、存储器、触摸屏、网络接口、实时时钟、电磁继电器、步进电机驱动器等；机械设备则负责执行控制系统下达的命令，完成信件的存取过程，它包括带步进电机的线性十字滑轨以及用于存放信件的存储阵列等。

二、 存/取信件的具体实现

存/取信件是系统的主要职能。用户执行存信或取信操作时，系统会进入存储器中查询相关的用户信息和存储信息，根据一系列算法，算出十字滑轨上滑台的运动轨迹，用电机驱动滑台按照轨迹执行存/取信任务，完成任务后，系统自动更新存储器中的信息，保持与存储阵列内的情况一致。

2.1 线性十字滑轨

线性十字滑轨是信箱系统当中实施机械动作的部分，为了保证系统的精确性，我们采用了滚珠丝杠十字滑轨。它由两副正交安装的滚珠丝杠副和滑台组成，水平滚珠丝杠副安装在竖直滚珠丝杠副上，形成一个平面直角坐标系，信件就被存储在这个坐标系里。每副滚珠丝杠副都由一个步进电机来驱动，通过控制输出脉冲个数来控制角位移量，再通过滚珠丝杠副将角位移转换为线性位移，达到准确定位的目的。

2.2 脉冲数控制算法

在脉冲输出上，我们采用了PWM（Pulse Width Modulation）脉冲输出。当系统进入存/取信件任务时，系统读出目标单元格在存储阵列中的横纵坐标值，计算出两幅滑轨的运行距离，从而确定每个步骤必须输出的脉冲数量。脉冲数的计算公式：

其中P为脉冲数，C为当前步骤操作的坐标值，D为单位坐标值的实际距离，S为滚珠丝杠的导程，α为步进电机的步进角，一般为1.9°，n为步进电机驱动器的细分数。

在编程实现上，我们使用了两个定时器，其中TIM2作为脉冲计数器，TIM3作为PWM发生器，工作原理阐述如下：①将TIM3设置成PWM输出模式，不断地输出PWM脉冲序列；②将TIM2设置成外部触发模式，用作脉冲计数器；③将TIM3的PWM输出连接到TIM2的脉冲输入上，使能TIM3，就可开始记数；④将TIM2的溢出值设定为步进电机所需的脉冲数P，一旦计得所需脉冲数，立即进入中断，关闭TIM3的使能，停止脉冲输出，这个过程远快于PWM的输出频率，可以实现精确控制输出脉冲数。

2.3 空间管理方法

传统信箱采用的是一人一格的平均分配方式，但每人信件数量往往不同，且当今网络高速发展，信件数量大幅减少，传统信箱的分配方式无疑造成了空间上的浪费。我们采用细化空间、动态分配的管理方式，将每一格尺寸缩小，以每日每户平均来信数量为准，如有超过，则另行开辟空闲单元继续存放，同时，自动记录所存信件的用户信息；因此信箱整体规模缩小的同时，支持更多用户的使用，便于信件的集中管理，解决传统信箱分散、难管理的问题。

2.4 存储阵列设计

系统用存储阵列来存储信件，当中按行列分布了多个存储单元，每个单元由两部分空间组成，一部分存放信件，称为存储板，另一部分作为行运送轨道的一部分，排列在存储板的正上方。图1是系统的模型示意图，根据它可以进一步说明如何实现信件的存储。

存储板和滑台的形状是相互耦合的，它们即能够托载信件又能相互通过来实现信件的抬起和放下。这里以存储信件为例，说明其具体过程，过程分为5步：①信件被放置在存/取信口的滑台上，竖直滑轨带动水平滑轨和滑台通过运送通道向下移动到目标行；②水平滑轨带动滑台通过行运输轨道来到目标存储板上方；③确保到位后，竖直滑轨再次下移，滑台穿过存储板，将信件放置到了存储板上；④滑轨带动滑台回到存/取信口。这样，经过两组滑轨的轮流操作，就完成了一次存信操作，并开始等待下一次操作。同理可知，取出信件的过程正好为该过程的逆操作，这里不再赘述。

三、 控制系统

3.1 硬件构成

本系统的主控芯片为STM32F103VE单片机，内置IIC、SPI总线接口和512K闪存等，属于ARM v7-M里的Cortex-M3系列。硬件部分还包括触摸屏模块、实时时钟模块、存储器模块、电机配置模块、电源模块、网络接口等。触摸屏采用7寸TFT电阻式触摸屏，通过SPI1接口与单片机连接，由恒流源芯片PT4101为触摸屏提供LCD背光源。

实时时钟模块采用DS1302芯片，通过IIC2接口接入单片机，为系统提供时间参考，实现定时提醒功能。存储器采用SST25VF016B 2M FLASH，用于存放信件存储信息和用户账号信息等。电机配置模块主要由步进电机驱动器、继电器和三极管组成，用于片选不同的电机驱动器，并对其控制端口进行配置，以实现对电机的控制。

网络接口用于接入网络，将信箱内的信息实上传到网络上，供用户查看是否有信、修改密码等，也方便管理员管理和修改信息。

3.2 μC/OS-II

μC/OS-II的任务主要包括两部分，时钟管理与任务调度。操作系统会以定时中断服务程序的型式调用时钟节拍函数，实现对系统时钟的管理。当新的时钟节拍到来时，系统判断各任务的优先级，并按照优先级高低将任务排入就绪队列中。若当前最高优先级任务满足执行条件，则直接运行，直到需要某种临界资源时，任务会主动请求挂起，这时系统会调度就绪队列中下一优先级的任务，使其获得执行权。

3.3 账号管理

所有使用者都有账号和密码，作为操作权限的唯一凭据。账号数量可以根据用户数目自由添加或删减，分配灵活。账号的类型有三种，即用户账号、管理员账号和投递账号，它们具有不同的操作权限。当输入密码错误时，系统不会响应任何要求，因此可以有效杜绝信件丢失和垃圾广告进入信箱占用空间等现象。

3.4 提醒功能

当系统收到来信时，系统会自动向网络更新信息，主显示屏会滚动显示收到来信的用户账号。邮递员将信件放入信箱时，系统会读取当前日期，并计算出一个提醒日期，作为该信件的信息存储在存储器中。同时，系统会定期检查当前日期是否超过所存信件的提醒日期，若超过，会发送信息至网络和显示屏，要求用户及时取走信件，若用户仍长期没有取信，系统会通知管理员与用户联系。

四、 总结

该方案是针对目前信箱结构上的一系列问题，提出的一种智能化、自动化解决方案，旨在提高资源利用率、保障信件安全和实时等。但由于缺乏实际使用中的统计数据，因此仍可能存在一些问题，需要进一步研究。

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