沈周鋒

（漳州職業(yè)技術學院 電子工程學院，福建 漳州 363000）

近幾年來，物聯(lián)網(wǎng)技術深入人心，各種設備紛紛升級物聯(lián)網(wǎng)功能. 對于普通民眾，各種家電加入物聯(lián)網(wǎng)，極大的方便了人們的生活. 同時，促進了家用電器的更新?lián)Q代，成為了我國的主要的經(jīng)濟增長點之一. 2020年初，受新冠疫情的影響，人們減少了不必要的出行和聚集，使物聯(lián)網(wǎng)進一步融入人們生活的需求更加迫切.

以傳統(tǒng)的生活品銷售模式，人們需要經(jīng)常關注家中大米的庫存量，自己預測是否需要采購，并進入銷售門店采購. 此銷售模式，既要求人們關注庫存量，又增加了不必要的出行，增加了人員聚集的可能性. 網(wǎng)絡時代的今天，物聯(lián)網(wǎng)技術手段已經(jīng)非常成熟，且成本非常低廉［1］. 筆者旨在設計一種智能米桶，用于存儲大米的同時，每次開啟桶蓋時［2-3］自動檢測大米重量. 通過一種預測算法，根據(jù)大米消耗的速度，預測下次購買大米的時間. 在庫存少于設定量時，通過WiFi模組連入互聯(lián)網(wǎng)，通知供應商特定時間點送貨上門. 設計一套電源的線路，智能的喚醒和休眠，達到極低功耗運行［4］.

1 基本原理

采用STM8S103F3芯片作為核心，控制整機的運行. 該芯片具有16個IO口，具有UART串口，I2C接口，SPI接口，AD轉換端口和定時器等單元. 該芯片價格低廉且功能強大，足以滿足智能米桶的控制需求. 整機電路框圖如圖1所示. 稱重傳感器采用應變片，受到庫存大米的重力壓迫時產(chǎn)生微弱形變，導致電阻值發(fā)生變化. Hx711單元檢測稱重傳感器信號變化，模數(shù)轉換后得到24 bit數(shù)字信號，輸入到單片機中. 單片機將AD值換算為實際重量，驅動墨水屏顯示電路顯示重量值. 該屏幕具有耗電極低的優(yōu)點，滿足智能米桶的應用需求［5］. 通電時段，單片機刷新墨水屏顯示數(shù)值后，即可斷電. 該屏幕將繼續(xù)顯示讀數(shù)，直到下一次上電刷新操作，極大的提高了整機電池的續(xù)航. 單片機內部集成了EEPROM存儲器，具有斷電保存功能. 每次采集到的重量值后，將數(shù)據(jù)存入片內的EEPROM，當數(shù)據(jù)量超過一定個數(shù)后，單片機即可預測下一次購買大米的時間. 當大米存量少于閾值時，通過ESP8266模塊，連接家庭WiFi從而接入互聯(lián)網(wǎng)，將購買大米的需求發(fā)送給供應商.

圖1 電路結構示意圖

智能米桶屬于按鍵少、顯示屏幕小的家用電器，直接設置WiFi ID和密碼需要非常繁瑣的操作. ESP8266模塊提供一鍵配網(wǎng)功能，利用手機端在近端設置模塊的WiFi ID和密碼，極大方便了用戶［6］.

本設計采用3節(jié)AA干電池供電，電源電路的設計極大的影響了電池的續(xù)航. 采用霍爾傳感器安裝于米桶蓋上，用戶掀開桶蓋時，霍爾傳感器控制電源電路接通，檢測庫存重量，刷新顯示屏，連接互聯(lián)網(wǎng)后，單片機控制電源電路關機，大大減少了電池電量的消耗.

2 電路設計

電源電路采用TPS62203 DC-DC芯片作為核心產(chǎn)生3. 3 V直流電壓，以HAL248霍爾傳感器控制電源電路啟動. TPS62203芯片是一款高效率的同步降壓型直流轉換器，允許輸入電壓范圍2. 5～6. 0 V，最大負載電流300 mA. 智能米桶接入互聯(lián)網(wǎng)時，峰值電流200 mA左右，該電源芯片滿足負載電流需求. 如圖2所示，BT為3節(jié)AA電池，為U1供電. U1采用雙極型的開關型霍爾傳感器HAL248. 當磁鐵接近傳感器時，VO端子輸出低電平；反之，輸出高電平. 由于該傳感器雙極型，安裝時無需區(qū)分磁鐵南北極，方便生產(chǎn)調試. 打開桶蓋時，桶蓋上的磁鐵靠近U1，VO端子輸出低電平，通過電容C1將Q2的基極電平拉低，三極管導通. U2上電后，生成3. 3 V電源，使單片機開機. 開機后，拉高PowerHold節(jié)點電平，保證Q2持續(xù)導通. 單片機開機完成既定任務后，拉低該節(jié)點電平，使Q2截止即可關機. C1和R3起到緩沖作用，使PowerHold節(jié)點對電源的控制優(yōu)先權高于U1. 例如，假設用戶開啟桶蓋后忘了關閉，VO端子保持低電平. 此時單片機拉低PowerHold節(jié)點電平，Q1截止，BT正極通過R5，R4，R3對C1充電約0.2 s后，Q2截止整機斷電. 此時，用戶關閉桶蓋時C1放電，經(jīng)過0.2 s后再次開啟桶蓋，仍然能夠正常開機. R6，R7，C2對BT進行分壓，模擬電壓送入單片機進行AD轉換，判斷電池電量，提示用戶及時更換電池. U2，C3，C4，C5，L1，R8，R9組成DC-DC同步穩(wěn)壓電路，生成3.3 V直流電源. L1電感作為儲能元件，須采用功率電感，布線時緊靠U2.

圖2 電源電路

采用Hx711芯片為核心設計的一種重量檢測電路. 該電路芯片采用了海芯科技的集成電路專利技術，是一款帶低噪聲穩(wěn)壓功能，信號放大功能，24位AD轉換功能的稱重專用芯片. 該芯片采用3. 3 V供電，C9為去耦電容，通過PD_SCK和DOUT引腳與單片機普通IO口連接，輸出AD值. Q3在BASE引腳控制下實現(xiàn)導通和關閉，為應變片電橋和ADVDD供電. R10和R12組成分壓電路，送入VFB引腳. U3內部的CPU檢測VFB引腳電壓. 當VFB電壓大于1. 25 V時，BASE引腳高電平，Q3關斷；反之，BASE引腳低電平，Q3導通. 此閉環(huán)回路，可得到2.5 V的電源. 應變片電橋R17在無形變狀態(tài)下處于平衡狀態(tài)，Hx711的PIN7和PIN8差分放大后AD輸出為0. 當承受重物，應變片發(fā)生形變時，阻值發(fā)生變化，電橋輸出一個與重量成正比的微電壓，送入Hx711做放大和AD轉換. 根據(jù)大米包裝和米桶體積，將量程設置為0. 01～12 kg，讀數(shù)分辨力為0. 01 kg.

圖3 重量檢測電路

顯示屏采用微雪電子的1. 02英寸墨水屏模塊，電路連接如圖4所示. 該模組顯示區(qū)域32. 6 mm×18. 6 mm，支持3. 3 V工作電壓，分辨率128×80，完全滿足智能米桶顯示重量、電池電量的需求. 該模塊缺點是刷新速度較慢，局部刷新需要0. 3 s，全局刷新需要2 s，對于智能米桶這類屏幕讀數(shù)更新不頻繁的電器而言，無任何影響. 刷新時工作電流典型值8 mA，待機電流典型值5. 2 uA，極大的增加了電池續(xù)航能力. 該模組具有8個引腳. 其中CLK引腳連接單片機SPI單元的CLK腳，DIN引腳連接單片機SPI單元的MOSI引腳，實現(xiàn)SPI單向通信. DC引腳連接單片機普通IO口，單片機控制該腳的數(shù)字電平切換命令/數(shù)據(jù)傳送狀態(tài). BUSY引腳為墨水屏模塊的輸出腳，低電平表示模塊處于忙狀態(tài)，高電平時單片機可發(fā)送命令或者數(shù)據(jù).

圖4 墨水屏電路

WiFi模塊選用ESP8266-01S模塊，電路如圖5所示. 該模塊支持3. 3 V供電，采用UART串口與單片機連接，單片機即可使用AT命令集執(zhí)行模塊復位、WiFi連接、數(shù)據(jù)發(fā)送接收等動作. 該模塊具有AirKiss或者SmartConfig功能，用戶可以利用手機端給模塊設置待連接的WiFi ID和密碼. 用戶可以很方便的使智能米桶連接到家中的寬帶網(wǎng)絡中. 該模塊CH_PD引腳為使能腳，連接單片機IO口. 該引腳低電平時模塊進入低功耗模式，需要接入互聯(lián)網(wǎng)時單片機將該點置位高電平進入正常模式.

圖5 ESP8266-01S模塊電路

3 軟件設計

軟件流程如圖6所示. 米桶桶蓋打開時，霍爾傳感器使能整機電源電路. 單片機上電后，內部單元初始化，然后拉高PowerHold節(jié)點電平使電源持續(xù)導通. 進入程序主循環(huán)，檢測電池電量和庫存大米重量. 多次檢測大米重量，對比判斷是否為取米后的值. 如果否，則返回繼續(xù)主循環(huán)；如果是，則將墨水屏刷新，并將重量值存入EEPROM中. 單片機根據(jù)多次取米的數(shù)據(jù)，預測下次訂購大米時間. 單片機通過WiFi模塊連接互聯(lián)網(wǎng)，查詢當前北京時間. 按照時間區(qū)分早餐、午餐和晚餐，遍歷歷史數(shù)據(jù)，推測出一日三餐的大米消耗量，達到預測大米訂購時間的效果. 當庫存量低于閾值時，連接互聯(lián)網(wǎng)，將下一次大米送貨上門時間傳輸給供應商. 當開機超過3 min或者完成既定任務后，單片機拉低PowerHold節(jié)點關機.

圖6 軟件流程圖

用戶須將家中的WiFi ID和密碼存入米桶電路中，才能接入互聯(lián)網(wǎng). 傳統(tǒng)的做法是設計一個設置界面和若干按鈕，用戶經(jīng)過繁瑣的操作，將兩串英文和數(shù)字存入電路中. 該做法缺點很多，一方面操作繁瑣，另一方面增加了智能米桶的制造成本，不適合按鍵和屏幕資源少的電器使用. 采用ESP8266-01S模塊的AIRKISS功能，可以解決此問題. 長按米桶按鍵后，單片機發(fā)送AT命令迫使ESP8266模塊進入AIRKISS模式. 此時，打開手機微信端，登陸支持微信配網(wǎng)的公眾號（如“安信可科技公眾號”），即可將ID和密碼通過特定信道發(fā)送給米桶［7］. 每當ESP8266模塊上電使能時，會自動連接該WiFi信號. 此功能采用單片機的中斷接口來完成，流程圖如圖7所示.

圖7 一鍵配網(wǎng)程序流程

4 測試與小結

對整機進行了長時間測試，其中部分數(shù)據(jù)如表1所示. 對連續(xù)十天的數(shù)據(jù)進行分析推測，推測出一日三餐大米消耗量大約為：0. 25 kg，0. 46 kg，0. 49 kg，并成功在6月8日8點03分發(fā)送數(shù)據(jù)到服務器，要求6月8日下午購進大米，與實際情況相符. 最小的檢測量為0. 01 kg.

以單片機為核心，設計的這款智能米桶，利用霍爾傳感器、稱重傳感器適時檢測大米庫存，墨水屏顯示讀數(shù)，達到極低平均功耗的效果.根據(jù)大米消耗情況預測補充庫存時間，利用WiFi模組接入互聯(lián)網(wǎng)并通知供應商. 驗證試驗表明，米桶性能穩(wěn)定，能有效的預測進貨時間，給用戶帶來方便快捷的使用體驗.

表1 稱重數(shù)據(jù)記錄