基于STM32 的設(shè)施農(nóng)業(yè)果蔬運(yùn)輸車稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

年 賀，肖志剛，索雪松，滕桂法

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 河北 保定 071001）

在實(shí)際生產(chǎn)中，設(shè)施農(nóng)業(yè)種植作物多為果蔬，收獲時(shí)間較為集中，果蔬易于腐爛變質(zhì)［1-2］。目前棚種果蔬采摘后先運(yùn)輸?shù)脚锿?，利用地秤稱重后售賣給菜商，數(shù)據(jù)記錄在紙質(zhì)賬薄上，工作過程比較繁瑣且工作效率低［3-6］。通過在運(yùn)輸車上加裝稱重系統(tǒng)不僅可以省卻一次搬運(yùn)過程，提高勞動(dòng)效率，還可以將果蔬的產(chǎn)量信息發(fā)送給云平臺，為智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的建立提供有力的數(shù)據(jù)支持［7-9］。為此本文設(shè)計(jì)了1 種基于STM32 的設(shè)施農(nóng)業(yè)果蔬運(yùn)輸車稱重系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

稱重系統(tǒng)搭載在電動(dòng)運(yùn)輸車上，通過加裝稱重傳感器的方式改裝車體載物臺，使原本只具有運(yùn)輸功能的運(yùn)輸車兼具稱重功能。系統(tǒng)主要由STM32、人機(jī)交互模塊、稱重模塊、GPRS 模塊等組成，并由軟件編程實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。人機(jī)交互模塊用于顯示所稱量果蔬重量以及對果蔬種類和大棚號的選擇；稱重模塊完成對果蔬重量的稱量，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32 中；GPRS 模塊將設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò),傳輸果蔬信息至云服務(wù)器。系統(tǒng)的框圖如圖 1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路連接圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件連接圖Fig.2 System hardware connection diagram

硬件部分主要包括供電模塊、STM32 主控制器模塊、GPRS 模塊、稱重模塊、人機(jī)交互模塊。

供電電源采用運(yùn)輸車24 V 動(dòng)力電源，通過LM2596S 型降壓模塊降壓至5 V，直接與人機(jī)交互模塊、稱重模塊、GPRS 模塊電源端連接供電，與STM32 主控制器模塊5 V 電源輸入端連接，通過開發(fā)板內(nèi)置AMS1117-3.3 型線性穩(wěn)壓芯片將5 V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V 供電［10］。

主控制器模塊采用ALIENTEK MiniSTM32 開發(fā)板，板載芯片為STM32F103RTC6 型。

GPRS 模塊采用Air800 模塊，通過串口方式進(jìn)行通信，將Air800 模塊的TXD、RXD 引腳分別接到STM32 的PA3、PA2 引腳。

稱重模塊采用YCD-100 kg 壓阻應(yīng)變式壓力傳感器與HX711 型24 位A/D 轉(zhuǎn)換芯片。

壓力傳感器的電阻應(yīng)變片將被測件上的應(yīng)變信息轉(zhuǎn)換為電信號， A/D 轉(zhuǎn)換芯片接受電信號并將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)字信號傳輸給STM32 主控制 器［11-13］。YCD-100 kg 壓力傳感器主要技術(shù)參數(shù)：綜合誤差0.02% F.S；安全過載范圍150%；使用溫度范圍 -20 ℃～ +80 ℃。

稱重傳感器個(gè)數(shù)根據(jù)稱重系統(tǒng)用途、秤體需要的支撐點(diǎn)數(shù)確定，秤體的支撐點(diǎn)與傳感器應(yīng)具有一一對應(yīng)關(guān)系［14］。對本系統(tǒng)中的長方形載物臺，考慮載物臺機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)4 個(gè)支撐點(diǎn)，采用4 個(gè)稱重傳感器，按中心對稱和軸對稱原則安裝在稱重臺面下方實(shí)現(xiàn)稱重［15］，傳感器擺放位置如圖 3 所示。

圖3 傳感器安裝位置Fig.3 Sensor installation location

將4 片HX711 的SCK 引腳分別接在單片機(jī)的PB1、PB13、PB5、PB7 引腳，DOUT 分別接在PB2、PB14、PB6、PB8 引腳。

人機(jī)交互模塊使用5 寸基本型USART HMI 智能串口屏。該屏為800×480 像素4 線精密電阻式觸摸屏，并添加了GB312 型字庫以及相應(yīng)背景圖片與各種組態(tài)控件，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面。利用STM32 的USART1 實(shí)現(xiàn)串口屏與主控模塊的信息交互，將串口屏的TXD、RXD 引腳分別接到STM32 的PA9、PA10 引腳完成硬件連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括主控芯片STM32 嵌入式的軟件設(shè)計(jì)和人機(jī)交互模塊USART HMI串口屏的軟件設(shè)計(jì)。串口屏軟件設(shè)計(jì)在USART HMI 開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示與信息輸入等人機(jī)交互功能。STM32軟件設(shè)計(jì)采用C 語言在keil5 集成環(huán)境下進(jìn)行基于標(biāo)準(zhǔn)庫的開發(fā)，通過移植FreeRTOS 操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)控制任務(wù)。

3.1 數(shù)字濾波算法

稱重系統(tǒng)使用壓阻應(yīng)變式壓力傳感器，對所稱量物品的重量值進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。采集過程是先將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，再將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號［16］。在信號轉(zhuǎn)換過程中由于硬件電路本身或多或少存在不可避免的電磁干擾［17］，以及隨機(jī)噪聲的存在都會影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。使用數(shù)字濾波算法排除噪聲信號的干擾不但能降低設(shè)備的硬件成本［18］，而且只要適當(dāng)改變?yōu)V波算法的參數(shù)就能改變?yōu)V波特性［19］。

本系統(tǒng)采用防脈沖干擾平均濾波法。此方法是連續(xù)采集H個(gè)數(shù)據(jù)，將這H個(gè)數(shù)據(jù)按大小排序，取其中間段h個(gè)值進(jìn)行算數(shù)平均，把得到的算數(shù)平均值作為本次采集到的數(shù)據(jù)值。既可以剔除噪聲信號,又可以對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑加工［20-21］。原理表示如下：

3.2 稱重模塊程序設(shè)計(jì)

主控芯片采集4 片HX711 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)據(jù)，對所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件數(shù)字濾波與計(jì)算得到稱重傳感器初始值。進(jìn)入程序循環(huán)，再次采集稱重傳感器數(shù)據(jù)，利用軟件進(jìn)行數(shù)字濾波與計(jì)算，本次計(jì)算值減去初始值即為當(dāng)前所稱量物品重量值。

3.3 串口屏模塊功能介紹

串口屏模塊實(shí)現(xiàn)的功能：設(shè)備上電，時(shí)間欄顯示當(dāng)前時(shí)間表示串口屏初始化完成。點(diǎn)擊屏幕中棚號區(qū)域出現(xiàn)數(shù)字鍵盤輸入當(dāng)前棚號，種類選擇區(qū)用點(diǎn)選按鈕來選擇果蔬種類。重量顯示區(qū)顯示所稱量果蔬重量，當(dāng)重量超出本系統(tǒng)準(zhǔn)確量程（75 kg）時(shí)，系統(tǒng)將調(diào)出超重頁面提示用戶。產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)界面用來顯示當(dāng)日所稱量每種果蔬的統(tǒng)計(jì)值。點(diǎn)擊“確定”按鈕將本次稱重結(jié)果累加至統(tǒng)計(jì)值中，同時(shí)給STM32 主控芯片發(fā)送數(shù)據(jù)上傳命令。

3.4 GPRS 模塊程序設(shè)計(jì)

使用Air800 模塊自帶的TCP 協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)連接，GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)定位。數(shù)據(jù)傳輸報(bào)文格式為：標(biāo)識 4 字節(jié)；車ID 3 字節(jié)；棚ID 2 字節(jié)；品種 3 字節(jié)；重量 5 字節(jié)；時(shí)間 14 字節(jié)；地理坐標(biāo) 13 字節(jié)，其中標(biāo)識：000 1 開機(jī) 、000 2 果蔬信息傳輸。

傳輸過程為：

①終端登錄向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，除標(biāo)識、車ID、時(shí)間，地理坐標(biāo)其他字段均填默認(rèn)值。服務(wù)端返回登錄確認(rèn)信息“888”。

②確認(rèn)收到重量，服務(wù)端向終端返回“999”。

③當(dāng)用戶點(diǎn)擊屏幕上確定鍵，確定記錄此次稱重?cái)?shù)據(jù)時(shí)STM32 主控芯片通過調(diào)用Air800 模塊將此數(shù)據(jù)傳送至云平臺。

4 系統(tǒng)功能測試

4.1 壓力傳感器特性測定

通過對每個(gè)壓力傳感器分別施加不同的重量值讀取HX711 芯片A/D 轉(zhuǎn)換后的輸出值，分析所施加重量值與輸出值之間的關(guān)系得出每個(gè)壓力傳感器的特性。本稱重系統(tǒng)量程設(shè)定為75 kg，稱重臺面將所稱量物品的重量分散到各個(gè)傳感器，重量值從0 kg開始每隔1 kg 逐次累加至50 kg。為避免硬件可能產(chǎn)生的噪聲信號或?qū)嶒?yàn)過程中其他偶然因素產(chǎn)生的噪聲信號影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對每個(gè)重量值的輸出信號采樣60 次，用防脈沖干擾平均濾波法處理采樣值后確定HX711 芯片A/D 轉(zhuǎn)換后的輸出值。利用實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)擬合出傳感器的輸出特性，各個(gè)傳感器所承載重量值與輸出值為線性關(guān)系如圖4 所示，得出由傳感器輸出值轉(zhuǎn)換為重量值的計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

表1 擬合參數(shù)Table.1 Fitting parameters

圖4 擬合曲線Fig.4 Fitted curve

4.2 濾波流程分析

由于本稱重系統(tǒng)是由4 個(gè)壓力傳感器共同完成重量信號的采集，每個(gè)傳感器的輸入輸出特性均為線性，由原始數(shù)據(jù)獲取重量值的方式可有2 種。方式一，先濾波后線性變換。各傳感器分別使用濾波算法處理所采集到的原始數(shù)據(jù)，將濾波后所得數(shù)據(jù)值代入各傳感器的特性方程進(jìn)行線性變換，然后將各傳感器所獲取的重量值相加得到本次稱量物品的重量值。方式二，先線性變換后濾波。將各傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)代入各傳感器的特性方程進(jìn)行線性變換，然后相加進(jìn)行數(shù)字濾波，最后得出本次稱量物品的重量值。此法只進(jìn)行了一次總的數(shù)字濾波，較方式一中每個(gè)傳感器都進(jìn)行一次數(shù)字濾波節(jié)約了3 次濾波時(shí)間，又由下式（1）可知各線性變換公式中的常數(shù)b，合并為1 個(gè)總的常數(shù)B。在線性變換時(shí)暫時(shí)略去常數(shù)b，只對采集到的原始數(shù)值進(jìn)行乘系數(shù)的線性變換，將此過程稱之為擬線性變換。待到濾波結(jié)束后，再在濾波所得結(jié)果上加總常數(shù)B 得到本次稱量物品的重量值，這樣又節(jié)約3 次加常數(shù)的時(shí)間。

主控芯片STM32 為單線程控制器，順序查詢接收A/D 轉(zhuǎn)換器芯片HX711 傳輸?shù)臄?shù)字信號。采樣過程為輪詢4 片HX711 A/D 轉(zhuǎn)換芯片H次（即定義的采樣次數(shù)），將每次輪詢結(jié)果均存入4 行H列的二維數(shù)組中（4 片A/D 轉(zhuǎn)換芯片H次輪詢）。對于濾波流程方式一（先濾波后線性變換），先將二維數(shù)組的每個(gè)行向量數(shù)值排序、取h個(gè)中間值（即剔除噪聲信號后剩下的采樣值）的算數(shù)平均值，再對每個(gè)行向量所得算數(shù)平均值進(jìn)行線性變換，然后將4 個(gè)經(jīng)線性變換的算數(shù)平均值相加得重量值。在實(shí)際稱量物品時(shí)4 個(gè)壓力傳感器共同承載重物，但并不能保證重量均分到每個(gè)壓力傳感器，并且可能存在所稱量物品輕微晃動(dòng)的情況。這樣在1 個(gè)行向量中存在的最大值或最小值并不是噪聲信號，而方式一的濾波流程會將這樣的采樣值剔除出去，從而降低了測量值的真實(shí)性。濾波流程方式二（先線性變換后濾波），將行向量中數(shù)據(jù)根據(jù)每個(gè)傳感器的特性先做擬線性變換，然后將二維數(shù)組中擬線性變換后的列向量數(shù)值對應(yīng)相加。對每次輪詢結(jié)果求和后再進(jìn)行數(shù)字濾波，可彌補(bǔ)方式一中可能剔除有效數(shù)據(jù)的缺陷，因此本系統(tǒng)采用方式二濾波流程。濾波流程圖如圖5 所示。

圖5 濾波流程圖Fig.5 Filter flow chart

4.3 整體功能測試

稱重范圍是0 ～75 kg,精度為0.05 kg，車體如圖6 所示。將采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)定為30，濾波后剩余采樣點(diǎn)設(shè)定為10。在實(shí)際應(yīng)用場景中進(jìn)行測試并與標(biāo)準(zhǔn)秤進(jìn)行對比，測試結(jié)果如表2 所示，最大絕對誤差為 0.04 kg，滿足精度要求。

圖6 運(yùn)輸車Fig.6 Carrier vehicle

表2 稱重模塊測試Table 2 Weighing module test

人機(jī)交互模塊能夠?qū)崿F(xiàn)與STM32 主控模塊的通訊功能，完成交互任務(wù)。人機(jī)交互模塊測試結(jié)果如圖7 所示。 打開服務(wù)器數(shù)據(jù)接收軟件監(jiān)聽端口，通過Air800 模塊將本系統(tǒng)與服務(wù)器連接，在本系統(tǒng)與服務(wù)器達(dá)成握手協(xié)議后進(jìn)行通訊測試，數(shù)據(jù)成功傳輸至服務(wù)器，數(shù)據(jù)接收軟件監(jiān)聽端口接收結(jié)果如圖8 所示。

圖7 人機(jī)交互界面Fig.7 Interactive interface

圖8 網(wǎng)絡(luò)上傳測試Fig.8 Network upload test

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了1 套與運(yùn)輸車相結(jié)合的果蔬稱重系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32 控制器為核心，以24 位A /D轉(zhuǎn)換芯片采集稱重傳感信號。根據(jù)傳感元件的線性特性確定濾波流程，采用防脈沖干擾平均濾波算法進(jìn)行數(shù)字濾波。該稱重系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)果蔬重量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與數(shù)據(jù)上傳至云平臺等功能。通過在設(shè)施溫室大棚現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)安全可靠，滿足實(shí)際精度需求?？稍谠O(shè)施農(nóng)業(yè)中進(jìn)行推廣應(yīng)用。