陳萬疆

（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇鹽城，224000）

0 引言

本文在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上初步明確了基于重量檢測技術(shù)、云技術(shù)的貨架稱重系統(tǒng)設(shè)計方案，同時，對系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)體系等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了科學(xué)合理地規(guī)劃與設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

在一般的貨架上嵌入并應(yīng)用單片機重量計算程序，即可使其功能得到明顯拓展，演變?yōu)槟軌蛑悄軝z測并統(tǒng)計物流數(shù)據(jù)的貨架稱重系統(tǒng)。在完成對數(shù)據(jù)信息的提取和檢測后，將其整合為數(shù)據(jù)包，利用其中的無線模塊，使得數(shù)據(jù)包精準(zhǔn)快速地傳輸至基站，在信號增強之后，將其進(jìn)一步傳輸至云端。

關(guān)于本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，根據(jù)此圖能夠比較粗略地了解到拖盤與云端間的通信過程。簡單來講，托盤利用其內(nèi)置的智能模塊完成對各類重要信息的實時精準(zhǔn)采集，在無線模塊的支持下，基站和云平臺之間保持著持續(xù)可靠的通訊關(guān)系。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

智能模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，利用此模塊完成對托盤上貨物信息的精準(zhǔn)檢測和實時傳輸。根據(jù)此圖能夠清晰直觀地了解到，MCU在運行過程中，利用托盤下方的稱重傳感器共同構(gòu)成一個規(guī)范可靠、科學(xué)合理的電橋，借助應(yīng)變稱重法實時精準(zhǔn)地檢測和提取重量數(shù)據(jù)，利用溫度傳感器完成對貨物溫度的精準(zhǔn)檢測，接下來，通過無線模塊將提取到的各類數(shù)據(jù)信息精準(zhǔn)無誤地傳輸至云端。

圖2 智能模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 貨架稱重檢測硬件系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)上文初步確定的總體方案，科學(xué)合理地設(shè)計硬件范疇的數(shù)據(jù)采集模塊。其核心功能有兩個：一是實時精準(zhǔn)地檢測貨物重量數(shù)據(jù)；二是對貨物溫度進(jìn)行精準(zhǔn)快速地檢測，而這即意味著需要對上述兩種功能電路進(jìn)行逐一規(guī)劃。

2.1 重量檢測電路設(shè)計

為實現(xiàn)對貨物的精準(zhǔn)稱重，本文在綜合考慮各方面因素之后決定采用HX711稱重模塊，關(guān)于其電路結(jié)構(gòu)設(shè)計情況如圖3所示，根據(jù)此圖能夠了解到，將此電路與傳感器電橋相連接，由此實現(xiàn)對目標(biāo)貨物的精準(zhǔn)化、實時化檢測。

圖3 重量檢測模塊原理圖

HX711在實際應(yīng)用中，可利用程控合理調(diào)整信號放大倍數(shù)，不僅如此，模塊還能夠為電橋保持穩(wěn)定可靠的運行狀提供持續(xù)的電能。本文在系統(tǒng)左側(cè)位置設(shè)置了一個電橋電路接口，利用此接口實現(xiàn)傳感器電橋與稱重檢測電路的有效連接，以此完成對重量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)檢測和實時提取。

2.2 溫度傳感器選型及電路設(shè)計

本系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，溫度檢測區(qū)間是-40～60oC，需要對貨架周緣環(huán)境的溫度進(jìn)行精準(zhǔn)持續(xù)地檢測，在綜合考慮各方面因素之后，本文決定采用DS18B20型非接觸式數(shù)字溫度傳感器，通過MCU的I/O引腳就能夠使得溫度傳感器與主芯片之間保持持續(xù)可靠的通信關(guān)系。關(guān)于DS18B20的電路設(shè)計見下圖4。

圖4 溫度傳感器的電路原理圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件設(shè)計主要包含下述四個部分。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

（1）重量數(shù)據(jù)采集

稱重模塊利用SPI總線MCU完成數(shù)據(jù)交互，在進(jìn)行通信時，既不會產(chǎn)生較高的功耗，也難以受到外界因素的影響，并且數(shù)據(jù)傳輸效果等。本系統(tǒng)利用軟件時序模擬的方法進(jìn)行SPI總線通信，不僅能夠?qū)Ω黝愊嚓P(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實時精準(zhǔn)地提取，也能夠合理調(diào)整工作模式，其通訊流程見下圖5。

圖5 稱重模塊和MCU通信流程圖

（2）重量采集數(shù)據(jù)處理

利用軟件編程的方式對采集到的各類數(shù)據(jù)信息展開嚴(yán)格規(guī)范地濾波處理，盡可能地降低數(shù)據(jù)偏差，促進(jìn)檢測系統(tǒng)安全可靠地運行。貨架稱重系統(tǒng)在實際應(yīng)用中難免會受到外部因素的干擾，并且產(chǎn)生一定誤差，導(dǎo)致檢測結(jié)果的精準(zhǔn)性變差，其數(shù)據(jù)信息的濾波處理流程見下圖6。

圖6 軟件濾波流程圖

利用當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的中位值平均濾波法減弱并消除隨機誤差，不間斷地檢測并提取50組數(shù)據(jù)，在未產(chǎn)生以上誤差的情況下，分別剔除3個最大值、最小值，基于此求解出上述數(shù)據(jù)的均值，從而有效消除周期性誤差。

3.2 狀態(tài)判斷與信息提示模塊設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計尤為重要，對于狀態(tài)判斷模塊來講，其主要任務(wù)是對下述幾中狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)快速地判斷，一是物流變動狀態(tài)的判斷，貨架上放入或者拿走重量不低于0.1kg的貨物前后，可利用稱重模塊檢測前后重量，根據(jù)獲得的數(shù)值差來對此貨架貨物的變化情況進(jìn)行相應(yīng)判斷，如果差值超過0.1kg，則意味著貨架出現(xiàn)了物流信息變動，系統(tǒng)記錄狀態(tài)碼為01。二是貨架超重狀態(tài)的判斷，利用稱重模塊進(jìn)行快速精準(zhǔn)地檢測，如果計算出來的重量數(shù)值超過200千克，即意味著貨架當(dāng)前處于超重狀態(tài)，記錄狀態(tài)碼為02。三是電源電量檢測，利用智能模塊實現(xiàn)對電源電量的精準(zhǔn)化、高效化、動態(tài)化檢測，從而在電量過低的情況下提醒倉管各更換電池，由此保證貨架穩(wěn)定持續(xù)地運行。ARM單片機是當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的一款設(shè)備，它的突出特色是能夠利用內(nèi)置芯片精準(zhǔn)高效地測其電源電壓。本文將其參照電壓設(shè)置為1.224V，與AD的第17個通道進(jìn)行連接，以此實現(xiàn)對電源的動態(tài)化檢測，檢測值為Val_AD，可直接利用下式推導(dǎo)出電源電壓具體值。

查閱手冊后了解到，ARM單片機、測溫傳感器和無線模塊的工作電壓大約為1.8～3.6V，HX711的工作電壓大約為2.6～5.5V，由此可判定，電源電量至少達(dá)到2.6V。對AD第17通道進(jìn)行動態(tài)化、實時化檢測，如果計算出來的電源電壓未達(dá)到2.6V，即可初步判定系統(tǒng)目前面臨著電源電量匱乏的情況，記錄狀態(tài)碼為03。系統(tǒng)保持穩(wěn)定可靠的運行狀態(tài)時，狀態(tài)碼為01。

3.3 低功耗控制模塊設(shè)計

鑒于本系統(tǒng)需滿足低功耗之設(shè)計要求，所以本文將系統(tǒng)運行調(diào)整為種模式，即運行、休眠模式。系統(tǒng)可通過轉(zhuǎn)入休眠模式的方式減少耗電量，其流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)節(jié)能工作模式軟件流程圖

MCU一般在休眠模式上運行，通過定時器中斷喚醒運行。休眠模式對系統(tǒng)的運行流程進(jìn)行了科學(xué)合理地改善，在系統(tǒng)處于非工作狀態(tài)時，盡可能地降低功耗，譬如，延長數(shù)據(jù)發(fā)送間隔時間，由此延長系統(tǒng)供電時間。

3.4 通信模塊設(shè)計

（1）MCU串口通信設(shè)計

串口通訊的應(yīng)用功能主要有兩個，一是系統(tǒng)測試，二是數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)置了2個USART接口，其中，USART1的主要功能是打印系統(tǒng)測試結(jié)果；USART2的主要功能是查詢無線模塊的ID號及其數(shù)據(jù)交互情況，模塊ID支持云平臺對數(shù)據(jù)接收通道進(jìn)行科學(xué)合理地設(shè)定，之后，MCU能夠利用無線模塊實時高效地傳輸數(shù)據(jù)包。其串口通信程序流程如圖8所示。

圖8 串口通信程序流程圖

（2）云平臺查詢命令設(shè)計

命令幀主要指的是云平臺為貨架下達(dá)的一系列控制指令，云平臺在實際應(yīng)用過程中，會利用命令幀完成對托盤上的各類物流數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)化、實時化查詢，接下來，通過智能模塊規(guī)范合理地地解析命令幀，由此實現(xiàn)特定功能，同時，為云平臺傳輸含有查詢結(jié)果的響應(yīng)幀。鑒于無線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸特征，本文決定將命令幀、響應(yīng)幀的字節(jié)統(tǒng)一設(shè)定為ASCII字符。

4 貨架稱重系統(tǒng)運行試驗

將稱重系統(tǒng)規(guī)范合理地配置于貨架上，創(chuàng)建無線通信基站，結(jié)合實際情況合理修正貨架的偏載誤差，同時，對系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)范地稱重和清晰準(zhǔn)確地標(biāo)定，在此環(huán)節(jié)，通過稱重精度為10mg的電子秤來對精度為0.1kg的稱重系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，其具體標(biāo)定結(jié)果如圖9所示。

圖9 貨架稱重系統(tǒng)的重量計算函數(shù)標(biāo)定曲線

接下來需要進(jìn)行系統(tǒng)的功能測試，在貨架上輕輕地置放于已稱重的物體，開啟并運行系統(tǒng)，軟件自動去皮。再將物體置放于托盤稱重，而后檢查軟件能否精準(zhǔn)識別物體取放兩次重量變化情況。

獲得的檢測結(jié)果清晰直觀地展示于云端，在云平臺準(zhǔn)確規(guī)范地輸入貨架的ID號并合理設(shè)置查詢上行數(shù)據(jù)，以此完成對相關(guān)托盤貨物信息的快速化、精準(zhǔn)化查詢。根據(jù)結(jié)果可知，系統(tǒng)達(dá)到了稱重精度0.1kg的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)物流變動提示碼完成了對0.1kg的物流變化的準(zhǔn)確判斷。

5 結(jié)束語

本文在綜合考慮貨架稱重系統(tǒng)實際應(yīng)用需求及框架體系等相關(guān)因素的基礎(chǔ)上分別對軟件、硬件進(jìn)行了科學(xué)合理地設(shè)計。其中，硬件部分主要對通信模塊、主控模塊等進(jìn)行設(shè)計；軟件方面則通過當(dāng)前應(yīng)用比較普遍的C語言完成編程工作，以此保證系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)纫幌盗斜匾δ埽硗?，針對上位機云平臺靈活合理地設(shè)置了物流狀態(tài)查詢指令格式，通過預(yù)留接口的方式令系統(tǒng)與云平臺之間穩(wěn)定可靠地連接，由此使得兩者之間實現(xiàn)真正意義上的雙向通信。不僅如此，本文在系統(tǒng)配置結(jié)束之后，完成現(xiàn)場標(biāo)定數(shù)據(jù)的采集等相關(guān)工作，以此保證貨架對各類貨物重量的檢測精度在0.1kg以內(nèi)。最后，本文對系統(tǒng)功能和性能進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)范地測試，以此確保此次設(shè)計的系統(tǒng)在正式投入使用后穩(wěn)定可靠地運行。