基于無線通信網絡的食堂菜品動態(tài)稱重系統(tǒng)研究與實現

康瑞浩 朱明遠 李彪

摘 ?要： 在日常生活中，學校和企業(yè)具有嚴格的作息時間。食堂往往存在就餐人數集中擁堵，排隊時間過長等問題，而且還會產生一些不文明的社會現象。為解決傳統(tǒng)食堂點餐就餐的模式，設計了一種無線稱重監(jiān)測食堂菜品剩余量的系統(tǒng)，利用NRF24L01和HX711芯片的特點，將自動稱重控制技術與無線通信技術有機結合起來。通過MySQL制作菜品剩余量的數據庫，并由電腦、顯示器和微信小程序向就餐人員動態(tài)實時的顯示食堂所售菜品的各種信息。該系統(tǒng)的使用能夠減少排隊、等座時間，提高就餐效率，還能選擇自己喜歡的菜品，極大地提高了就餐效率和服務質量。

關鍵詞： 嵌入式系統(tǒng);無線模塊;微信點餐;電子稱重

中圖分類號： TP393.1 ???文獻標識碼： A ???DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.026

【Abstract】： In daily life， schools and enterprises have strict work and rest time. There are many problems in canteen， such as crowded dining population， long queue time， and some uncivilized social phenomena. In order to solve the traditional mode of ordering and dining in canteen， this article designed a wireless weighing system to monitor the leftover quantity of canteen dishes. Using the characteristics of nRF24L01 and hx711 chips， the automatic weighing control technology and wireless communication technology were organically combined. A database was established through mysql to show the leftovers of dishes， and display all kinds of information of the dishes sold in the canteen to the dining staff in real time by computer， display and wechat program. The use of the system can reduce the waiting time， improve the efficiency of dining， but also choose their favorite dishes， which can greatly improve the efficiency of dining and service quality.

【Key words】： Embedded system; Wireless module; Wechat ordering; Electronic weighing

0 ?引言

目前，學校、工廠和企業(yè)的食堂基本都是通過就餐人員直接到食堂查看菜品，然后與售賣人員進行口頭交流，完成點餐和支付過程。這種模式不依賴于互聯(lián)網，無法將菜品信息傳遞給就餐人員，在就餐高峰期造成人員擁堵，傳統(tǒng)人工處理就餐流程效率低下[1]。而且傳統(tǒng)的稱重系統(tǒng)信息傳輸多使用有線通信進行數據傳輸。然而食堂所處環(huán)境復雜，不宜存在過多線路，并且各種元件通過有線方式連接比較麻煩[2]。在無線通信技術高速發(fā)展的今天，隨之應用該技術的計算機系統(tǒng)也與日俱進。針對目前食堂存在的各種問題，本項目設計了一種無線稱重監(jiān)測食堂菜品剩余量的系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有硬件結構簡單，功耗低，軟件使用靈活方

便等優(yōu)點[3]。通過無線通信模塊，將采集到的數據實時傳輸到上位機。通過多次數據的采集，利用MySQL制作菜品剩余量的數據庫[4]，并通過微信小程序進行查看和預定飯菜，就餐人員利用該系統(tǒng)可在線選擇菜品并生成就餐碼和支付信息。也有利于食堂根據菜品剩余數據庫及飯菜預定信息更好的向就餐人員提供服務。

1 ?系統(tǒng)總體結構

無線稱重控制系統(tǒng)主要完成數據采集、數據顯示、數據發(fā)送、數據儲存、信號轉換等功能[5]。無線稱重控制系統(tǒng)主要由食堂前端、主控室和用戶服務平臺三部分構成，食堂前端包括稱重平臺、控制部分、顯示模塊與無線通信模塊。主控室由無線通信模塊和上位機組成。用戶服務平臺即微信小程序前端。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。稱重平臺主要由食堂菜品盤和裝有稱重傳感器兩部分組成。稱重控制器由數模轉換電路、顯示電路和單片機通信電路等組成[2]。無線通信模塊的功能主要是進行數據的轉發(fā)，在稱重控制器與食堂主控室內的計算機之間建立無線通信連接。上位機通過無線通信模塊采集各稱重控制器的數據，同時對采集到的多種菜品剩余重量數據進行集中管理[6]，并將數據傳遞至微信小程序前端，以便客戶對食堂當天情況有所了解。

2 ?系統(tǒng)硬件

2.1 ?稱重控制結構

STC89C52單片機是國產低功耗的8位單片機，其價格便宜、功能完善、資源豐富是系統(tǒng)稱重控制器的理想選擇[7]。重量數據采集主要由傳感器采集輸出連續(xù)變化的電壓值;數模轉換電路由24位A/D轉換器HX711芯片完成將連續(xù)的模擬電壓值轉換成數字量，并交由單片機進行處理。顯示電路主要完成菜品剩余重量的數據顯示。通信電路是將單片機輸出的TTL電平信號經過NRF24L01芯片傳輸，在接收主機端經CH340T芯片實現USB轉串口與PC建立連接進行數據傳輸。

2.2 ?稱重傳感器結構

本系統(tǒng)選用的是目前應用最為廣泛的電阻應變式平行梁傳感器。平行梁傳感器對測量環(huán)境要求不太嚴格，可以在各種惡劣的條件下保持正常地工作，它的體積也一般比較小，非常適合小型化的民用稱重設備。平行梁傳感器構造簡單、穩(wěn)定性較好，精度高、量程大、靈敏度較高、頻率響應特性優(yōu)異[8]。

平行梁傳感器的原理：平行梁會因外力作用發(fā)生彈性形變，而處在平行梁上按規(guī)則分布的電阻應變片也隨這力的作用產生形變[9]。由于應變片形狀內部結構變化會導致應變片阻值發(fā)生變化，電橋電路將不能平衡輸出，產生差動信號。傳感器中阻值、電壓等參數變化微弱，經過放大電路倍增和模擬量到數字量轉換，經單片機內部運算就可以得到待測物的質量[7]。傳感器結構如圖3所示。

本文在使用過程中將該傳感器放置在盛放菜品餐盤的幾何中心處，菜品盛放過過程中盡量保證餐盤內菜品均勻，減少稱重采集數據誤差;其次，在菜品餐盤與傳感器之間采用保溫層隔絕，避免菜品冷熱不同對傳感器靈敏度產生過大影響。

2.3 ?稱重A/D轉換模塊

由于單片機只能識別處理數字信號，但由于傳感器輸出的是模擬信號，單片機無法直接進行數據處理，因此需要通過A/D轉換模塊將模擬信號變成數字信號，同時傳感器電橋輸出電壓非常微弱，如果直接處理會導致信號丟失或失真，則須經過放大電路倍增和模擬量到數字量轉換，最后形成單片機可識別處理的數據量。為提供可靠的信號放大以及數模轉換，因此選用了集成電路HX711模塊[10]。如圖4所示。

數模轉換精度對系統(tǒng)參考電壓要求較高。而單片機內部A/D最高為12位，人為提高精度將影響其參考電壓精度，需要外置A/D芯片。HX711專門應用于精度較高的稱重傳感器的24位數模轉換芯片，該芯片集成度高、響應速度快、抗干擾性強、可靠性較高，能夠降低稱重系統(tǒng)的開發(fā)成本[11]。該芯片已將外圍電路集成，平行梁傳感器和芯片內A/D轉換器均由芯片提供穩(wěn)壓電源，不需要系統(tǒng)單獨提供模擬電源[12]。芯片內制時鐘振蕩器，只需要上電即可自動復位，簡化了開機的初始化過程。而且不需要對芯片內部寄存器編程，控制信號由單片機引腳驅動，極大地簡化了開發(fā)難度，提高了開發(fā)效率。編程時可任意選取通道A或通道B，與內部的低噪聲可編程放大器相連，獲得不同的編程增益。通道選擇參照表1。

2.4 ?稱重顯示結構

目前顯示主要有LED與LCD兩種方式，考慮到本系統(tǒng)要顯示的數據量相對較多，因此決定選用性能更加優(yōu)異的LCD屏。常見的有LCD1602普通屏以及TFT真彩屏，本系統(tǒng)雖然數據量大但對顏色沒有要求也不需要顯示彩色圖像，采用TFT會降低單片機的處理速度，而且LCD1602 模塊成本低，控制簡單能夠滿足現實的要求。因此從成本和實用性來看本系統(tǒng)選擇使用LCD1602作為顯示器件，LCD1602可以最大顯示2行32個字符，液晶接口電路采用并行通信模式實現，可以相對減少單片機的I/O口資源。LCD1602模塊可以和單片機直接連接，電路簡單。硬件電路如圖5所示。

2.5 ?無線通信接口

本系統(tǒng)采用NRF24L01無線射頻收發(fā)模塊，NORDIC公司生產的NRF24L01是一款采用FSK調制的無線通信芯片，內部開發(fā)集成自定的Enhanced Short Burst協(xié)議，可以實現一對多的無線通信[7]。

無線通信速速率可以達到2 bps，能夠實現快速實時的無線信息傳送功能，為小型單片機系統(tǒng)構建無線通信提供了方便快捷的技術支持[13]。NRF24L01無線

3 ?后臺軟件

3.1 ?無線通信模塊軟件系統(tǒng)

本文采用NRF24L01無線模塊進行重量采集端和數據讀取端之間的信息傳輸，數據傳輸地址如表2所示，首先進行模塊初始化，將LED、CE、SCK引腳均拉低，CSN引腳拉高，SPI完成初始設置。根據主從機的信息設置SPI接收、發(fā)送的地址。將工作頻道、數據長度、發(fā)射頻率確定設置。此時模塊進入待機狀態(tài)。然后設置工作模式，根據拉低CE引腳電平變化設置不同模式，并配置SPI讀寫寄存器，完成好工作模式的配置。

3.2 ?后臺軟件系統(tǒng)

通過COM串口將數據上傳收集，將剩余重量數據通過MySQL保存到數據庫中。用戶服務平臺基于微信小程開發(fā)，微信小程序具有跨平臺、即用即走、完善的文檔、高效的開發(fā)框架等優(yōu)點[14]。系統(tǒng)后臺采用微擎框架，使用Sublime編輯器編碼。前端為基于HTML+CSS技術的UI界面。利用PHP語言和數據庫MySQL結合開發(fā)[15]。當用戶通過觀察菜品的價格、名稱、剩余量，確定自己的需求并提交訂單時，將會觸發(fā)后臺事件并調用程序進行處理，生成核銷二維碼并預約成功。服務平臺軟件前后端顯示界面如圖8所示。

4 ?系統(tǒng)功能的實現及應用

本系統(tǒng)的無線模塊是工作在2.4 G～2.5 GHz世界通用的ISM頻段的新型單片射頻收發(fā)器件，在很多條件和因素的影響下傳輸距離可達100 m，完全可以應對食堂環(huán)境相對復雜的環(huán)境。將自動稱重控制技術與無線通信技術有機結合起來，將采集到的數據利用無線通信傳輸到遠程服務器。通過多次數據的采集，利用MySQL制作菜品剩余量的數據庫，并通過微信小程序進行查看和預定飯菜。該系統(tǒng)能實現以下功能：

（1）當前菜品信息顯示。

（2）菜品剩余重量數據實時顯示。

（3）通信狀態(tài)顯示。

（4）歷史數據：歷史數據查看、數據輸出打印。

（5）用戶管理：用戶身份信息、用戶密碼修改、用戶消費。

（6）系統(tǒng)管理：窗口管理、退出系統(tǒng)。

5 ?結語

本文采用STC89C52單片機作為無線電子稱重系統(tǒng)平臺的處理芯片，用NRF24L01芯片組成無線收發(fā)通信模塊，用HX711芯片作為信號處理模塊，通過無線通信的方式對遠程稱量設備的數據進行采集和控制，將自動稱重控制技術與無線通信技術融為一體，通過串口將數據上傳到PC機，將剩余重量數據通過MySQL保存到數據庫中，并通過微信小程序進行控制查看和預定飯菜。本系統(tǒng)為用戶提供了一個移動的校園訂餐平臺，用戶不僅可以查看菜品剩余量，還可以將其作為食堂采購提供可靠的分析數據，能夠減少排隊、等座時間，提高就餐效率，還能選擇自己喜歡的菜品，極大地提高了就餐效率和服務質量。

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