基于ARM精確實(shí)時(shí)獲取活禽交易信息的智能電子秤設(shè)計(jì)

唐榮芳

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西貴港，537100）

0 引言

隨著人們基本生活需求的不斷提高，對(duì)于飲食的要求也呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢(shì)[1]。禽類作為一種飲食結(jié)構(gòu)中普遍存在的類型，其交易量極為龐大[2]。且與其他農(nóng)作物類的交易相比，為了確保質(zhì)量，一般是以活禽交易的方式進(jìn)行的，因此在稱重計(jì)量階段，難度相對(duì)較大。為此，本文借助ARM處理器的優(yōu)勢(shì)，提出基于ARM精確實(shí)時(shí)獲取活禽交易信息的智能電子秤設(shè)計(jì)研究，并開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析了設(shè)計(jì)電子秤的實(shí)際應(yīng)用效果。通過(guò)本文的研究，也希望可以為市場(chǎng)活禽交易提供幫助。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件裝置基本結(jié)構(gòu)

ARM精確實(shí)時(shí)獲取活禽交易信息的智能電子秤硬件設(shè)計(jì)，主要由ARM處理器、稱重傳感裝置、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸裝置組成。ARM處理器主要用于中控系統(tǒng)與RISC處理器之間的數(shù)據(jù)存取，具有穩(wěn)定中控系統(tǒng)運(yùn)行和提高操作能力的作用。稱重傳感裝置用于獲取活禽交易信息，可以有效避免誤差數(shù)據(jù)信息，確保稱量結(jié)果的精確度，為智能電子秤實(shí)際應(yīng)用提供保障。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸裝置用于傳遞稱量數(shù)據(jù)信息，將采集到的活禽交易信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，能夠提高信息數(shù)據(jù)采集、存取效率。智能電子秤硬件裝置基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 硬件裝置基本結(jié)構(gòu)

1.2 ARM處理器

為了確保設(shè)計(jì)的電子秤可以實(shí)現(xiàn)對(duì)活禽交易數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，本文采用ARM公司生產(chǎn)的作為電子秤的處理器，其攜帶了ARM的原裝正版開(kāi)發(fā)工具，編譯環(huán)境和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)使得用戶可根據(jù)自身的需求，實(shí)現(xiàn)從Armv4.0至Armv8.0的CoreSight跟蹤[5]。在遠(yuǎn)程控制方面，借助3.0USB和千兆以太網(wǎng)的支持，指令代碼的最快傳播速度為12.0MB，同時(shí)自帶JTAG時(shí)鐘，效率為120MHz，可以滿足電子秤的軟件開(kāi)發(fā)需求[6～7]。在標(biāo)準(zhǔn)單端信號(hào)的調(diào)試模式下，DSTREAM-DS5借助32個(gè)引腳的支撐，可以實(shí)現(xiàn)125MHz的串行調(diào)試。不僅如此，DSTREAM-DS5還包含8GB的內(nèi)存空間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)。在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，DSTREAM-DS5的交互電壓范圍為1.20～3.30V，表現(xiàn)出低功耗的特征。為了適應(yīng)不同功能開(kāi)發(fā)環(huán)境的需求，DSTREAM-DS5支持ARM和Thumb 兩種指令集合，對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度分別為 16 位和32 位。在此基礎(chǔ)上，DSTREAM-DS5還提供了非常豐富的片上外設(shè)資源，滿足不同環(huán)境的編程的需求，具體如圖2所示。

圖2 DSTREAM-DS5處理器

在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，DSTREAM-DS5包含具有用戶模式和系統(tǒng)模式兩種狀態(tài)，通過(guò)軟件設(shè)置，實(shí)現(xiàn)不同模式之間的快速轉(zhuǎn)換，利用ICE-RT 邏輯和嵌入式跟蹤宏核，使得DSTREAM-DS5在調(diào)試階段不會(huì)受到高集成度的影響而出現(xiàn)延遲。DSTREAM-DS5內(nèi)部設(shè)置的37個(gè)寄存器（30個(gè)通用寄存器，7個(gè)狀態(tài)寄存器）也為指令的執(zhí)行速度提供了良好保障。除此之外，DSTREAMDS5采用的體系構(gòu)架為32 位精簡(jiǎn)指令集（RISC）處理器架構(gòu)，通過(guò)構(gòu)建實(shí)體暫存器與內(nèi)存和協(xié)處理器之間的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，縮短數(shù)據(jù)存取的時(shí)間開(kāi)銷。

1.3 稱重傳感裝置

要實(shí)現(xiàn)對(duì)活禽交易信息的準(zhǔn)確獲取，其基礎(chǔ)是電子秤準(zhǔn)確對(duì)活禽的重量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量。為此，本文設(shè)計(jì)了以電磁力式傳感器為基礎(chǔ)的稱重傳感裝置。其不僅在具體的工作原理上表現(xiàn)出較高先進(jìn)性，同時(shí)也在稱量精度上表現(xiàn)出較高的可靠性。考慮到活禽本身的溫度和濕度狀態(tài)會(huì)對(duì)電子秤的工作環(huán)境造成一定的影響，利用電磁力式傳感器也可以將該部分影響最小化。從安裝應(yīng)用角度分析，電磁力式傳感器結(jié)構(gòu)雖然與現(xiàn)階段應(yīng)用廣泛的電阻應(yīng)變片式傳感器相比更加復(fù)雜，但是其避免了活禽在稱重過(guò)程中對(duì)彈性敏感元件應(yīng)力造成的電阻應(yīng)變計(jì)動(dòng)態(tài)波動(dòng)，降低了稱重的時(shí)間成本，整體性價(jià)比更高。本文應(yīng)用的電磁力式傳感器示意圖如圖3 所示。

圖3 電磁力式傳感器

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，按照稱量活禽的重量范圍對(duì)電磁力式傳感器的型號(hào)進(jìn)行選擇，確保傳感器的量程與載荷匹配，這也是決定稱量準(zhǔn)確度的重要環(huán)節(jié)之一。考慮到秤體的自重、皮重因素，綜合電子秤的可靠性和使用壽命需求，本文設(shè)計(jì)磁力式傳感器的量程為 0～20.0kg，以此確保在進(jìn)行活禽稱重階段不會(huì)出現(xiàn)“爆表”的情況，同時(shí)最大限度提高稱重結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.4 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸裝置

選擇無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、便捷的優(yōu)勢(shì)，可以達(dá)成無(wú)線通信設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹o(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸裝置支持通信協(xié)議，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將采集到的活禽交易信息數(shù)據(jù)精準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，提升信息數(shù)據(jù)采集、存取效率。通用筆記本電腦具有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)功能，可以直接利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信功能完成智能電子秤設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。臺(tái)式電腦需要通過(guò)配置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)適配器的方式，實(shí)現(xiàn)活禽交易信息數(shù)據(jù)精準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

精準(zhǔn)實(shí)時(shí)獲取活禽交易信息的智能電子秤軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編寫，模塊化設(shè)計(jì)。首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到重物時(shí)，通過(guò)電磁力式傳感器采集數(shù)據(jù)，然后對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后再顯示，判斷是否超重，如果超重，則進(jìn)行報(bào)警處理并重新對(duì)系統(tǒng)初始化，如果不超重，則計(jì)算商品金額并將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，最后結(jié)束。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

2.2 稱重?cái)?shù)據(jù)過(guò)濾

利用電磁力式傳感器對(duì)活禽的質(zhì)量進(jìn)行稱重時(shí)，由于稱量過(guò)程中活體的不穩(wěn)定性，要求DSTREAM-DS5處理器對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)做出快速穩(wěn)定地識(shí)別過(guò)濾。為此，當(dāng)DSTREAMDS5接收到電磁力式傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息后，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的前期濾波處理。考慮到稱重的靈敏度以及實(shí)時(shí)性，本文將濾波數(shù)組的長(zhǎng)度設(shè)定為采集數(shù)據(jù)大小的3.0%。此時(shí)的濾波操作可以表示為：

其中，x'表示濾波操作后的稱重?cái)?shù)據(jù)，x表示DSTRE AM-DS5接收到的電磁力式傳感器稱重?cái)?shù)據(jù)，?表示濾波操作。通過(guò)式（1）的濾波處理后，將得到的稱重結(jié)果輸入到DSTREAM-DS5的數(shù)據(jù)穩(wěn)定識(shí)別隊(duì)列當(dāng)中。在此基礎(chǔ)上，設(shè)定一個(gè)用于判斷數(shù)據(jù)穩(wěn)定的閾值參數(shù)。本文取電磁力式傳感器對(duì)任意商品初次瞬時(shí)稱重的值為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)數(shù)列中的數(shù)據(jù)逐項(xiàng)做差，將差值80%的聚類范圍作為閾值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，其可以表示為：

其中，Δ表示任意商品初次瞬時(shí)稱重值與數(shù)列中的數(shù)據(jù)逐項(xiàng)的差值，x0表示任意商品初次瞬時(shí)稱重值，當(dāng)Δ>0.8max(x0-x')或Δ<0.8min(x0-x')時(shí)，則判斷當(dāng)前的數(shù)據(jù)為不穩(wěn)定狀態(tài)下的稱重結(jié)果，對(duì)該部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾處理。

2.3 稱重?cái)?shù)據(jù)分析

在完成對(duì)數(shù)據(jù)快速穩(wěn)定識(shí)別過(guò)濾后，為了提高稱重結(jié)果的可靠性，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。一般情況下，活禽的交易是按照一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，本文設(shè)計(jì)的電子秤為了實(shí)現(xiàn)對(duì)交易商品質(zhì)量的智能判斷，在DSTREAM-DS5處理器中設(shè)置了報(bào)警機(jī)制，結(jié)合交易的要求對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，并做出相應(yīng)的反饋。

首先，利用DSTREAM-DS5的RISC在電子秤內(nèi)輸入交易的重量標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)應(yīng)交易中對(duì)商品質(zhì)量規(guī)范的最大值和最小值。經(jīng)2.1處理后的數(shù)據(jù)，計(jì)算其均值作為電子秤的稱重結(jié)果，分別與之進(jìn)行比較，當(dāng)滿足式（3）時(shí)，則認(rèn)為x對(duì)應(yīng)的交易商品滿足交易要求。

其中，由于采表示過(guò)濾后稱重?cái)?shù)據(jù)的均值，max a和min a分別表示交易中對(duì)商品質(zhì)量規(guī)范的最大值和最小值。當(dāng)不滿足式（3）時(shí)，則認(rèn)為x對(duì)應(yīng)的交易商品不滿足交易要求，做出報(bào)警處理。

3 應(yīng)用測(cè)試

在上述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將設(shè)計(jì)的電子秤應(yīng)用到實(shí)際的交易環(huán)境中，測(cè)試其性能。

3.1 測(cè)試電子秤裝置

本文所設(shè)計(jì)的電子秤具有防水、堅(jiān)固、可移動(dòng)、稱量數(shù)據(jù)誤差少等特點(diǎn)，可以零售稱量一只活禽，也可以批發(fā)稱量多只活禽。測(cè)試稱量所用的電子秤裝置如圖5所示。

圖5 電子秤裝置

3.2 測(cè)試環(huán)境概況

以某商品雞養(yǎng)殖基地的交易活動(dòng)為測(cè)試環(huán)境，交易數(shù)量預(yù)計(jì)為1200只，單支重量要求不低于1.75kg，不高于2.35kg，采用本文設(shè)計(jì)的電子秤對(duì)其進(jìn)行稱量，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)稱量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取分析，對(duì)交易商品雞進(jìn)行質(zhì)量把控。在此基礎(chǔ)上，隨機(jī)選擇7只進(jìn)行標(biāo)記，對(duì)其重量進(jìn)行校驗(yàn)，測(cè)試電子秤測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 測(cè)試結(jié)果

采用電子秤對(duì)1200只交易商品雞的重量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中，未達(dá)到交易重量的數(shù)量為12只，超出交易重量的數(shù)量為5只，經(jīng)過(guò)對(duì)上述17只活禽重量進(jìn)行復(fù)檢，驗(yàn)證了電子秤的稱重結(jié)果無(wú)異常。在此基礎(chǔ)上，對(duì)標(biāo)記的7只商品雞的重量進(jìn)行校驗(yàn)，其結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)記商品雞重量校驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

從表1中可以看出，本文設(shè)計(jì)的電子秤的稱重結(jié)果與校驗(yàn)結(jié)果之間的誤差不超過(guò)5.0g，考慮到在兩次稱重過(guò)程中可能會(huì)出面羽毛脫落、排便等情況，因此5g以內(nèi)的計(jì)量誤差可以忽略不計(jì)。表明本文設(shè)計(jì)的電子秤可以實(shí)現(xiàn)對(duì)活禽交易信息的準(zhǔn)確獲取的分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

與其他類型的質(zhì)量稱重相比，活禽稱重的難度更大，在稱重過(guò)程中，禽類的移動(dòng)和其自身的屬性差異都會(huì)對(duì)稱重結(jié)果造成影響。本文提出基于ARM精確實(shí)時(shí)獲取活禽交易信息的智能電子秤設(shè)計(jì)研究方案，利用ARM處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)的快速處理，借助電磁力式傳感器的穩(wěn)定性對(duì)干擾影響進(jìn)行有效規(guī)避，實(shí)現(xiàn)了對(duì)活禽質(zhì)量的準(zhǔn)確獲取和分析。通過(guò)本文的設(shè)計(jì)研究，以期為相關(guān)交易工作的開(kāi)展帶去有價(jià)值的幫助。