基于STM32的货架称重系统的设计与实现

陈万疆

（盐城生物工程高等职业技术学校，江苏盐城，224000）

0 引言

本文在借鉴前人研究成果的基础上初步明确了基于重量检测技术、云技术的货架称重系统设计方案，同时，对系统功能、结构体系等相关内容进行了科学合理地规划与设计。

1 系统总体方案设计

在一般的货架上嵌入并应用单片机重量计算程序，即可使其功能得到明显拓展，演变为能够智能检测并统计物流数据的货架称重系统。在完成对数据信息的提取和检测后，将其整合为数据包，利用其中的无线模块，使得数据包精准快速地传输至基站，在信号增强之后，将其进一步传输至云端。

关于本系统的结构框架如图1所示，根据此图能够比较粗略地了解到拖盘与云端间的通信过程。简单来讲，托盘利用其内置的智能模块完成对各类重要信息的实时精准采集，在无线模块的支持下，基站和云平台之间保持着持续可靠的通讯关系。

图1 系统整体结构框图

智能模块内部结构如图2所示，利用此模块完成对托盘上货物信息的精准检测和实时传输。根据此图能够清晰直观地了解到，MCU在运行过程中，利用托盘下方的称重传感器共同构成一个规范可靠、科学合理的电桥，借助应变称重法实时精准地检测和提取重量数据，利用温度传感器完成对货物温度的精准检测，接下来，通过无线模块将提取到的各类数据信息精准无误地传输至云端。

图2 智能模块内部结构

2 货架称重检测硬件系统设计

根据上文初步确定的总体方案，科学合理地设计硬件范畴的数据采集模块。其核心功能有两个：一是实时精准地检测货物重量数据；二是对货物温度进行精准快速地检测，而这即意味着需要对上述两种功能电路进行逐一规划。

2.1 重量检测电路设计

为实现对货物的精准称重，本文在综合考虑各方面因素之后决定采用HX711称重模块，关于其电路结构设计情况如图3所示，根据此图能够了解到，将此电路与传感器电桥相连接，由此实现对目标货物的精准化、实时化检测。

图3 重量检测模块原理图

HX711在实际应用中，可利用程控合理调整信号放大倍数，不仅如此，模块还能够为电桥保持稳定可靠的运行状提供持续的电能。本文在系统左侧位置设置了一个电桥电路接口，利用此接口实现传感器电桥与称重检测电路的有效连接，以此完成对重量数据精准检测和实时提取。

2.2 温度传感器选型及电路设计

本系统在实际应用中，温度检测区间是-40～60oC，需要对货架周缘环境的温度进行精准持续地检测，在综合考虑各方面因素之后，本文决定采用DS18B20型非接触式数字温度传感器，通过MCU的I/O引脚就能够使得温度传感器与主芯片之间保持持续可靠的通信关系。关于DS18B20的电路设计见下图4。

图4 温度传感器的电路原理图

3 软件系统设计

软件设计主要包含下述四个部分。

3.1 数据采集模块设计

（1）重量数据采集

称重模块利用SPI总线MCU完成数据交互，在进行通信时，既不会产生较高的功耗，也难以受到外界因素的影响，并且数据传输效果等。本系统利用软件时序模拟的方法进行SPI总线通信，不仅能够对各类相关数据信息进行实时精准地提取，也能够合理调整工作模式，其通讯流程见下图5。

图5 称重模块和MCU通信流程图

（2）重量采集数据处理

利用软件编程的方式对采集到的各类数据信息展开严格规范地滤波处理，尽可能地降低数据偏差，促进检测系统安全可靠地运行。货架称重系统在实际应用中难免会受到外部因素的干扰，并且产生一定误差，导致检测结果的精准性变差，其数据信息的滤波处理流程见下图6。

图6 软件滤波流程图

利用当前应用比较广泛的中位值平均滤波法减弱并消除随机误差，不间断地检测并提取50组数据，在未产生以上误差的情况下，分别剔除3个最大值、最小值，基于此求解出上述数据的均值，从而有效消除周期性误差。

3.2 状态判断与信息提示模块设计

本系统软件设计尤为重要，对于状态判断模块来讲，其主要任务是对下述几中状态进行精准快速地判断，一是物流变动状态的判断，货架上放入或者拿走重量不低于0.1kg的货物前后，可利用称重模块检测前后重量，根据获得的数值差来对此货架货物的变化情况进行相应判断，如果差值超过0.1kg，则意味着货架出现了物流信息变动，系统记录状态码为01。二是货架超重状态的判断，利用称重模块进行快速精准地检测，如果计算出来的重量数值超过200千克，即意味着货架当前处于超重状态，记录状态码为02。三是电源电量检测，利用智能模块实现对电源电量的精准化、高效化、动态化检测，从而在电量过低的情况下提醒仓管各更换电池，由此保证货架稳定持续地运行。ARM单片机是当前应用比较广泛的一款设备，它的突出特色是能够利用内置芯片精准高效地测其电源电压。本文将其参照电压设置为1.224V，与AD的第17个通道进行连接，以此实现对电源的动态化检测，检测值为Val_AD，可直接利用下式推导出电源电压具体值。

查阅手册后了解到，ARM单片机、测温传感器和无线模块的工作电压大约为1.8～3.6V，HX711的工作电压大约为2.6～5.5V，由此可判定，电源电量至少达到2.6V。对AD第17通道进行动态化、实时化检测，如果计算出来的电源电压未达到2.6V，即可初步判定系统目前面临着电源电量匮乏的情况，记录状态码为03。系统保持稳定可靠的运行状态时，状态码为01。

3.3 低功耗控制模块设计

鉴于本系统需满足低功耗之设计要求，所以本文将系统运行调整为种模式，即运行、休眠模式。系统可通过转入休眠模式的方式减少耗电量，其流程如图7所示。

图7 系统节能工作模式软件流程图

MCU一般在休眠模式上运行，通过定时器中断唤醒运行。休眠模式对系统的运行流程进行了科学合理地改善，在系统处于非工作状态时，尽可能地降低功耗，譬如，延长数据发送间隔时间，由此延长系统供电时间。

3.4 通信模块设计

（1）MCU串口通信设计

串口通讯的应用功能主要有两个，一是系统测试，二是数据传输，设置了2个USART接口，其中，USART1的主要功能是打印系统测试结果；USART2的主要功能是查询无线模块的ID号及其数据交互情况，模块ID支持云平台对数据接收通道进行科学合理地设定，之后，MCU能够利用无线模块实时高效地传输数据包。其串口通信程序流程如图8所示。

图8 串口通信程序流程图

（2）云平台查询命令设计

命令帧主要指的是云平台为货架下达的一系列控制指令，云平台在实际应用过程中，会利用命令帧完成对托盘上的各类物流数据的精准化、实时化查询，接下来，通过智能模块规范合理地地解析命令帧，由此实现特定功能，同时，为云平台传输含有查询结果的响应帧。鉴于无线通信系统数据传输特征，本文决定将命令帧、响应帧的字节统一设定为ASCII字符。

4 货架称重系统运行试验

将称重系统规范合理地配置于货架上，创建无线通信基站，结合实际情况合理修正货架的偏载误差，同时，对系统进行严格规范地称重和清晰准确地标定，在此环节，通过称重精度为10mg的电子秤来对精度为0.1kg的称重系统进行标定，其具体标定结果如图9所示。

图9 货架称重系统的重量计算函数标定曲线

接下来需要进行系统的功能测试，在货架上轻轻地置放于已称重的物体，开启并运行系统，软件自动去皮。再将物体置放于托盘称重，而后检查软件能否精准识别物体取放两次重量变化情况。

获得的检测结果清晰直观地展示于云端，在云平台准确规范地输入货架的ID号并合理设置查询上行数据，以此完成对相关托盘货物信息的快速化、精准化查询。根据结果可知，系统达到了称重精度0.1kg的标准，根据物流变动提示码完成了对0.1kg的物流变化的准确判断。

5 结束语

本文在综合考虑货架称重系统实际应用需求及框架体系等相关因素的基础上分别对软件、硬件进行了科学合理地设计。其中，硬件部分主要对通信模块、主控模块等进行设计；软件方面则通过当前应用比较普遍的C语言完成编程工作，以此保证系统具有数据提取、数据自动传输等一系列必要功能，另外，针对上位机云平台灵活合理地设置了物流状态查询指令格式，通过预留接口的方式令系统与云平台之间稳定可靠地连接，由此使得两者之间实现真正意义上的双向通信。不仅如此，本文在系统配置结束之后，完成现场标定数据的采集等相关工作，以此保证货架对各类货物重量的检测精度在0.1kg以内。最后，本文对系统功能和性能进行了严格规范地测试，以此确保此次设计的系统在正式投入使用后稳定可靠地运行。