Cube S可拓展分布式测重系统

2017-06-23刘哲源王丞博林沐阳林祖增

物联网技术 2017年6期

刘哲源+王丞博+林沐阳+林祖增

摘要：文中设计了一款Cube S可扩展分布式测重系统，可减少称重时的不便并降低成本。该系统采用物联网技术，使称重系统模块化，轻量化，不仅安装便捷，损坏也可及时维修，具有较广阔的市场前景。

关键词：Cube S；可扩展；物联网

1 作品简介

CubeS是一个可拓展的分布式测重系统，为减少称重时的不便和降低成本而设计。而我们则考虑如何让称重变得更灵活、系统的成本更低，即可升级、可拓展、多功能复用。为此，我们采用了物联网技术，让称重系统模块化、轻量化，并通过3D打印技术制造了快速原型来验证我们的想法。CubeS就此诞生。

我们通过ZigBee和蓝牙将模块与手机连在一起。同时，还可以提供嵌入式或者PC接口，以实现更强大的联网和数据分析功能。我们努力将该系统模块化，将传感应变片、支撑结构、数据采集和数据上传部分做了统一设计。借助模块化设计降低开发难度，减少开发生产成本，提高系统可靠性。为用户带来更好的体验与更实惠的价格。轻量化系统能更便捷的安装调试，即使损坏也能够及时维修。实物如图1所示。

2 工作原理

2.1 综述

CubeS是我们设计的旨在提供快速、灵活、方便称重的分布式重量传感系统。系统分为多个无线连接的称重单元，由一个网关统一管理，因此可实现多种称重方案与多种应用。文中采用模块化设计，便于拓展生产线。

2.2 系统架构

2.2.1 网络拓扑

为了实现拓展性，系统采用网关设计。网关上电后创建ZigBee网络，子模块检测到网络后自动加入。网络拓扑图如图2所示。

2.2.2 称重模块

称重模块采用模块化快速原型设计：AVR单片机、HX711采样模块、ZigBee通讯模块、电源模块。PCB电路如图3所示，电路连接图如图4所示。

2.2.3 网关

网关包括一个ZigBee通讯模块、一个蓝牙模块和一个USB转串口的连接线。ZigBee通讯模块的串口信息将直接传输到蓝牙模块和USB转串口。

3 差动全桥

3.1 全桥原理

我们采用应变片，两边固定中间悬空，上面压板受力输出电压信号，满量程输出电压=激励电压x灵敏度1.0 mV/V。

3.2 电路

电子人体秤中，4个应变传感器串联，每个传感器均使用双联片，相当于2个应变计组成了半橋电路，所以是3根线，其中一根线（红线）是2个应变计的公共出线，在4个传感器组成的人体秤系统中，4个传感器的黑线串接，白线串接。这样4个半桥组成了一个全桥电路，每个传感器中公共的红线将作为整个全桥电路的供电和输出线。

3.3 支撑结构

支撑结构如图5所示。

4 HX711采样

4.1 模块电路

HX711是一款专为高精度称重传感器设计的24位A/D转换器芯片。与同类型芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机性能和可靠性。该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。输入选择开关可任意选取通道A或B，与其内部的低噪声可编程放大器相连。通道A的可编程增益为128或64，对应的满额度差分输入信号幅值为±20 mV或±40 mV。通道B则为固定的32增益，用于系统参数检测。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D转换器提供电源，系统板上无需另外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器无需任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。HX711内部电路如图6所示。

4.2 模块操作

串口通讯线由管脚PD_SCK和DOUT组成，用以输出数据，选择输入通道和增益。当数据输出管脚DOUT为高电平时，表明A/D转换器还未准备好输出数据，此时串口时钟输入信号PD_SCK应为低电平。当DOUT从高电平变为低电平后，PD_SCK应输入25至27个不等的时钟脉冲。其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出输出24位数据的最高位（MSB），直至第24个时钟脉冲完成，24位输出数据从最高位至最低位逐位输出完成。第25至27个时钟脉冲用来选择下一次A/D转换的输入通道和增益。

5 创新点

CubeS化整为零，创造性的采用了独立的称重模块。而每一个模块都配备了ZigBee通信模块，实现了自组网、可拓展。

称重单元采用模块化设计，可使用不同的量程和精度。而模块化设计的统一硬件、软件接口能够满足降低开发生产成本的需求，同时也能够多平台兼容，降低了消费者成本。

通讯网络采用ZigBee通信，称重单元能够自由增减。

上位机既可满足手机端的应用，也可以采用嵌入式和PC端，实现一套平台多种应用。尤其是手机端可以进行各类应用开发。

由于采用分体式的设计，本品有诸多优点。针对一些较大或重心难以平衡的物体，增加传感器的数量就能够实现增大量程和稳定称量的作用。小模块也使得储存和运送变得方便。无线系统使得数据的读取、分析和储存变得更加容易。

6 市场前景

6.1 家庭用户

（1）可将该系统作为最简单的体重秤使用。只需三个模块和一块板，配合手机App即可完成称重、记录与分享。

（2）该系统还可作为厨房电子称使用。一只碗和一个特别调整过的小量程产品搭配即可完成称重。

（3）作为新颖的称重设备，能够创意的使用本产品，即将传感器放置在凳子的四个脚下，或者床的四个脚下，便得到了一张能够称重的椅子或者床。

（4）该产品为便携式的称。