Cube S可拓展分布式測重系統

劉哲源+王丞博+林沐陽+林祖增

摘 要：文中設計了一款Cube S可擴展分布式測重系統，可減少稱重時的不便并降低成本。該系統采用物聯網技術，使稱重系統模塊化，輕量化，不僅安裝便捷，損壞也可及時維修，具有較廣闊的市場前景。

關鍵詞：Cube S；可擴展；物聯網

1 作品簡介

CubeS是一個可拓展的分布式測重系統，為減少稱重時的不便和降低成本而設計。而我們則考慮如何讓稱重變得更靈活、系統的成本更低，即可升級、可拓展、多功能復用。為此，我們采用了物聯網技術，讓稱重系統模塊化、輕量化，并通過3D打印技術制造了快速原型來驗證我們的想法。CubeS就此誕生。

我們通過ZigBee和藍牙將模塊與手機連在一起。同時，還可以提供嵌入式或者PC接口，以實現更強大的聯網和數據分析功能。我們努力將該系統模塊化，將傳感應變片、支撐結構、數據采集和數據上傳部分做了統一設計。借助模塊化設計降低開發難度，減少開發生產成本，提高系統可靠性。為用戶帶來更好的體驗與更實惠的價格。輕量化系統能更便捷的安裝調試，即使損壞也能夠及時維修。實物如圖1所示。

2 工作原理

2.1 綜述

CubeS是我們設計的旨在提供快速、靈活、方便稱重的分布式重量傳感系統。系統分為多個無線連接的稱重單元，由一個網關統一管理，因此可實現多種稱重方案與多種應用。文中采用模塊化設計，便于拓展生產線。

2.2 系統架構

2.2.1 網絡拓撲

為了實現拓展性，系統采用網關設計。網關上電后創建ZigBee網絡，子模塊檢測到網絡后自動加入。網絡拓撲圖如圖2所示。

2.2.2 稱重模塊

稱重模塊采用模塊化快速原型設計：AVR單片機、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 網關

網關包括一個ZigBee通訊模塊、一個藍牙模塊和一個USB轉串口的連接線。ZigBee通訊模塊的串口信息將直接傳輸到藍牙模塊和USB轉串口。

3 差動全橋

3.1 全橋原理

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

3.2 電路

電子人體秤中，4個應變傳感器串聯，每個傳感器均使用雙聯片，相當于2個應變計組成了半橋電路，所以是3根線，其中一根線（紅線）是2個應變計的公共出線，在4個傳感器組成的人體秤系統中，4個傳感器的黑線串接，白線串接。這樣4個半橋組成了一個全橋電路，每個傳感器中公共的紅線將作為整個全橋電路的供電和輸出線。

3.3 支撐結構

支撐結構如圖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計的24位A/D轉換器芯片。與同類型芯片相比，該芯片集成了包括穩壓電源、片內時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、響應速度快、抗干擾性強等優點。降低了電子秤的整機成本，提高了整機性能和可靠性。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅動，無需對芯片內部的寄存器編程。輸入選擇開關可任意選取通道A或B，與其內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，對應的滿額度差分輸入信號幅值為±20 mV或±40 mV。通道B則為固定的32增益，用于系統參數檢測。芯片內提供的穩壓電源可以直接向外部傳感器和芯片內的A/D轉換器提供電源，系統板上無需另外的模擬電源。芯片內的時鐘振蕩器無需任何外接器件。上電自動復位功能簡化了開機的初始化過程。HX711內部電路如圖6所示。

4.2 模塊操作

串口通訊線由管腳PD_SCK和DOUT組成，用以輸出數據，選擇輸入通道和增益。當數據輸出管腳DOUT為高電平時，表明A/D轉換器還未準備好輸出數據，此時串口時鐘輸入信號PD_SCK應為低電平。當DOUT從高電平變為低電平后，PD_SCK應輸入25至27個不等的時鐘脈沖。其中第一個時鐘脈沖的上升沿將讀出輸出24位數據的最高位（MSB），直至第24個時鐘脈沖完成，24位輸出數據從最高位至最低位逐位輸出完成。第25至27個時鐘脈沖用來選擇下一次A/D轉換的輸入通道和增益。

5 創新點

CubeS化整為零，創造性的采用了獨立的稱重模塊。而每一個模塊都配備了ZigBee通信模塊，實現了自組網、可拓展。

稱重單元采用模塊化設計，可使用不同的量程和精度。而模塊化設計的統一硬件、軟件接口能夠滿足降低開發生產成本的需求，同時也能夠多平臺兼容，降低了消費者成本。

通訊網絡采用ZigBee通信，稱重單元能夠自由增減。

上位機既可滿足手機端的應用，也可以采用嵌入式和PC端，實現一套平臺多種應用。尤其是手機端可以進行各類應用開發。

由于采用分體式的設計，本品有諸多優點。針對一些較大或重心難以平衡的物體，增加傳感器的數量就能夠實現增大量程和穩定稱量的作用。小模塊也使得儲存和運送變得方便。無線系統使得數據的讀取、分析和儲存變得更加容易。

6 市場前景

6.1 家庭用戶

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

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

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

（4）該產品為便攜式的稱。

6.2 工業用戶

（1）通過軟件和開放接口將系統嵌入到物流體系中，實現數據的一體化管理。

（2）通過增加子模塊增加系統的量程，減少系統升級的成本。

（3）便于維修和維護，能夠及時更換損毀的模塊，減少系統維護的成本。

6.3 成本

（1）主芯片CC2530 報價最低為16.073元；

（2）HX711報價為1.8元；

（3）稱重傳感器約需20元，每個子模塊可以控制在50元以內。