Cube S可拓展分布式測重系統(tǒng)

劉哲源+王丞博+林沐陽+林祖增

摘 要：文中設(shè)計(jì)了一款Cube S可擴(kuò)展分布式測重系統(tǒng)，可減少稱重時(shí)的不便并降低成本。該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使稱重系統(tǒng)模塊化，輕量化，不僅安裝便捷，損壞也可及時(shí)維修，具有較廣闊的市場前景。

關(guān)鍵詞：Cube S；可擴(kuò)展；物聯(lián)網(wǎng)

1 作品簡介

CubeS是一個(gè)可拓展的分布式測重系統(tǒng)，為減少稱重時(shí)的不便和降低成本而設(shè)計(jì)。而我們則考慮如何讓稱重變得更靈活、系統(tǒng)的成本更低，即可升級(jí)、可拓展、多功能復(fù)用。為此，我們采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，讓稱重系統(tǒng)模塊化、輕量化，并通過3D打印技術(shù)制造了快速原型來驗(yàn)證我們的想法。CubeS就此誕生。

我們通過ZigBee和藍(lán)牙將模塊與手機(jī)連在一起。同時(shí)，還可以提供嵌入式或者PC接口，以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)分析功能。我們努力將該系統(tǒng)模塊化，將傳感應(yīng)變片、支撐結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)上傳部分做了統(tǒng)一設(shè)計(jì)。借助模塊化設(shè)計(jì)降低開發(fā)難度，減少開發(fā)生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)可靠性。為用戶帶來更好的體驗(yàn)與更實(shí)惠的價(jià)格。輕量化系統(tǒng)能更便捷的安裝調(diào)試，即使損壞也能夠及時(shí)維修。實(shí)物如圖1所示。

2 工作原理

2.1 綜述

CubeS是我們設(shè)計(jì)的旨在提供快速、靈活、方便稱重的分布式重量傳感系統(tǒng)。系統(tǒng)分為多個(gè)無線連接的稱重單元，由一個(gè)網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一管理，因此可實(shí)現(xiàn)多種稱重方案與多種應(yīng)用。文中采用模塊化設(shè)計(jì)，便于拓展生產(chǎn)線。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

為了實(shí)現(xiàn)拓展性，系統(tǒng)采用網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)。網(wǎng)關(guān)上電后創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，子模塊檢測到網(wǎng)絡(luò)后自動(dòng)加入。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。

2.2.2 稱重模塊

稱重模塊采用模塊化快速原型設(shè)計(jì)：AVR單片機(jī)、HX711采樣模塊、ZigBee通訊模塊、電源模塊。PCB電路如圖3所示，電路連接圖如圖4所示。

2.2.3 網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)包括一個(gè)ZigBee通訊模塊、一個(gè)藍(lán)牙模塊和一個(gè)USB轉(zhuǎn)串口的連接線。ZigBee通訊模塊的串口信息將直接傳輸?shù)剿{(lán)牙模塊和USB轉(zhuǎn)串口。

3 差動(dòng)全橋

3.1 全橋原理

我們采用應(yīng)變片，兩邊固定中間懸空，上面壓板受力輸出電壓信號(hào)，滿量程輸出電壓=激勵(lì)電壓x靈敏度1.0 mV/V。

3.2 電路

電子人體秤中，4個(gè)應(yīng)變傳感器串聯(lián)，每個(gè)傳感器均使用雙聯(lián)片，相當(dāng)于2個(gè)應(yīng)變計(jì)組成了半橋電路，所以是3根線，其中一根線（紅線）是2個(gè)應(yīng)變計(jì)的公共出線，在4個(gè)傳感器組成的人體秤系統(tǒng)中，4個(gè)傳感器的黑線串接，白線串接。這樣4個(gè)半橋組成了一個(gè)全橋電路，每個(gè)傳感器中公共的紅線將作為整個(gè)全橋電路的供電和輸出線。

3.3 支撐結(jié)構(gòu)

支撐結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4 HX711采樣

4.1 模塊電路

HX711是一款專為高精度稱重傳感器設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)性能和可靠性。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，無需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器編程。輸入選擇開關(guān)可任意選取通道A或B，與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。通道A的可編程增益為128或64，對(duì)應(yīng)的滿額度差分輸入信號(hào)幅值為±20 mV或±40 mV。通道B則為固定的32增益，用于系統(tǒng)參數(shù)檢測。芯片內(nèi)提供的穩(wěn)壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器提供電源，系統(tǒng)板上無需另外的模擬電源。芯片內(nèi)的時(shí)鐘振蕩器無需任何外接器件。上電自動(dòng)復(fù)位功能簡化了開機(jī)的初始化過程。HX711內(nèi)部電路如圖6所示。

4.2 模塊操作

串口通訊線由管腳PD_SCK和DOUT組成，用以輸出數(shù)據(jù)，選擇輸入通道和增益。當(dāng)數(shù)據(jù)輸出管腳DOUT為高電平時(shí)，表明A/D轉(zhuǎn)換器還未準(zhǔn)備好輸出數(shù)據(jù)，此時(shí)串口時(shí)鐘輸入信號(hào)PD_SCK應(yīng)為低電平。當(dāng)DOUT從高電平變?yōu)榈碗娖胶?，PD_SCK應(yīng)輸入25至27個(gè)不等的時(shí)鐘脈沖。其中第一個(gè)時(shí)鐘脈沖的上升沿將讀出輸出24位數(shù)據(jù)的最高位（MSB），直至第24個(gè)時(shí)鐘脈沖完成，24位輸出數(shù)據(jù)從最高位至最低位逐位輸出完成。第25至27個(gè)時(shí)鐘脈沖用來選擇下一次A/D轉(zhuǎn)換的輸入通道和增益。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

CubeS化整為零，創(chuàng)造性的采用了獨(dú)立的稱重模塊。而每一個(gè)模塊都配備了ZigBee通信模塊，實(shí)現(xiàn)了自組網(wǎng)、可拓展。

稱重單元采用模塊化設(shè)計(jì)，可使用不同的量程和精度。而模塊化設(shè)計(jì)的統(tǒng)一硬件、軟件接口能夠滿足降低開發(fā)生產(chǎn)成本的需求，同時(shí)也能夠多平臺(tái)兼容，降低了消費(fèi)者成本。

通訊網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee通信，稱重單元能夠自由增減。

上位機(jī)既可滿足手機(jī)端的應(yīng)用，也可以采用嵌入式和PC端，實(shí)現(xiàn)一套平臺(tái)多種應(yīng)用。尤其是手機(jī)端可以進(jìn)行各類應(yīng)用開發(fā)。

由于采用分體式的設(shè)計(jì)，本品有諸多優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)一些較大或重心難以平衡的物體，增加傳感器的數(shù)量就能夠?qū)崿F(xiàn)增大量程和穩(wěn)定稱量的作用。小模塊也使得儲(chǔ)存和運(yùn)送變得方便。無線系統(tǒng)使得數(shù)據(jù)的讀取、分析和儲(chǔ)存變得更加容易。

6 市場前景

6.1 家庭用戶

（1）可將該系統(tǒng)作為最簡單的體重秤使用。只需三個(gè)模塊和一塊板，配合手機(jī)App即可完成稱重、記錄與分享。

（2）該系統(tǒng)還可作為廚房電子稱使用。一只碗和一個(gè)特別調(diào)整過的小量程產(chǎn)品搭配即可完成稱重。

（3）作為新穎的稱重設(shè)備，能夠創(chuàng)意的使用本產(chǎn)品，即將傳感器放置在凳子的四個(gè)腳下，或者床的四個(gè)腳下，便得到了一張能夠稱重的椅子或者床。

（4）該產(chǎn)品為便攜式的稱。

6.2 工業(yè)用戶

（1）通過軟件和開放接口將系統(tǒng)嵌入到物流體系中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的一體化管理。

（2）通過增加子模塊增加系統(tǒng)的量程，減少系統(tǒng)升級(jí)的成本。

（3）便于維修和維護(hù)，能夠及時(shí)更換損毀的模塊，減少系統(tǒng)維護(hù)的成本。

6.3 成本

（1）主芯片CC2530 報(bào)價(jià)最低為16.073元；

（2）HX711報(bào)價(jià)為1.8元；

（3）稱重傳感器約需20元，每個(gè)子模塊可以控制在50元以內(nèi)。