手機WiFi熱點的電子秤自動質(zhì)監(jiān)系統(tǒng)設(shè)計※

王贊森，馬維華

（南京航空航天大學 計算機科學與技術(shù)學院，南京 210016）

引 言

本文設(shè)計了一種以LPC1100為主控制器，使用HLKRM04無線芯片的電子秤質(zhì)監(jiān)模塊，連接到手機WiFi熱點建立的局域網(wǎng)，直接將質(zhì)監(jiān)數(shù)據(jù)發(fā)送至手機，手機還可以與電腦互聯(lián)，對質(zhì)監(jiān)數(shù)據(jù)進行匯總處理，實現(xiàn)自動化質(zhì)監(jiān)。

1 總體設(shè)計

1.1 基本原理

通用電子秤內(nèi)部都會提供標準的RS232接口，通過這個接口，可以獲取電子秤稱重數(shù)據(jù)，這就為自動化質(zhì)監(jiān)提供了可能，設(shè)計一個質(zhì)監(jiān)模塊嵌入電子秤內(nèi)，將電子秤實時數(shù)據(jù)通過無線芯片HLK－RM04發(fā)送至手機中。這個過程需要一個無線局域網(wǎng)，這個無線局域網(wǎng)由用戶手機WiFi熱點建立。質(zhì)監(jiān)模塊在電子秤通電開始工作時自動運行，不斷檢測質(zhì)監(jiān)人員的手機無線網(wǎng)絡，一旦檢測到無線網(wǎng)絡的存在，自動建立TCP連接，與手機建立聯(lián)系，按手機發(fā)送的指令檢測標準砝碼的重量，并將檢測結(jié)果回送至手機中，質(zhì)監(jiān)員就可以隨時高效率方便地同時檢測多臺電子秤，并且質(zhì)監(jiān)員回到質(zhì)監(jiān)局后，可以將手機上記錄的數(shù)據(jù)傳送至電腦，進行匯總處理。質(zhì)監(jiān)系統(tǒng)整體示意圖如圖1所示。

圖1 質(zhì)監(jiān)系統(tǒng)整體示意圖

1.2 質(zhì)監(jiān)模塊組成

整個系統(tǒng)由若干個質(zhì)監(jiān)模塊和一部智能手機組成，共同組成全自動的質(zhì)監(jiān)系統(tǒng)，實現(xiàn)對多臺電子秤同時質(zhì)監(jiān)。質(zhì)監(jiān)模塊由Cortex－M0系列LPC1100主控制器、HLKRM04無線芯片、變壓電路、RS232轉(zhuǎn)化電路、按鍵電路、指示燈等模塊組成，如圖2所示。

圖2 質(zhì)監(jiān)模塊總體方案框圖

上電復位后，主程序開始運行，首先向 HLK－RM04無線芯片發(fā)送信號，使它進入AT＋指令集設(shè)置模式，進行初始化設(shè)置，包括需要連接的無線局域網(wǎng)的名稱和密碼、啟動DHCP、主設(shè)備的IP和建立TCP連接的端口號等，設(shè)置完成后，重啟無線芯片，無線芯片不斷查找指定的局域網(wǎng)，找到后自動連接，而主程序一直監(jiān)聽，如果質(zhì)監(jiān)員要檢測電子秤，就會打開手機WiFi熱點，建立無線局域網(wǎng)，并在電子秤上放置標準砝碼，無線芯片檢測到該網(wǎng)絡會自動連接上，質(zhì)監(jiān)員通過手機質(zhì)監(jiān)程序發(fā)送開始質(zhì)監(jiān)的指令，主程序收到后，會開始與電子秤RS232接口進行通信，將電子秤測出的數(shù)據(jù)發(fā)送至質(zhì)監(jiān)員手機，至此該電子秤的質(zhì)監(jiān)工作完成。

2 硬件設(shè)計

2.1 質(zhì)監(jiān)模塊

質(zhì)監(jiān)模塊MCU從電子秤RS232接口獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后，通過UART串口發(fā)送至模塊上的WiFi芯片，由WiFi芯片將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)發(fā)送至質(zhì)監(jiān)人員的手機。MCU選用基于第二代ARM Cortex－M0內(nèi)核的微控制器LPC1100，它是32位微處理器，具有高性能，低功耗的優(yōu)點。

2.1.1 WiFi控制電路

WiFi控制電路用來連接WiFi芯片和MCU，實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸，以及MCU對WiFi的控制。質(zhì)監(jiān)模塊選用的WiFi芯片是是海凌科電子新推出的低成本嵌入式UARTETH－WiFi（串口－以太網(wǎng)－無線網(wǎng)）模塊 HLK－RM04。HLK－RM04實現(xiàn)了無線網(wǎng)和串口之間的轉(zhuǎn)換，MCU可以通過對串口操作實現(xiàn)WiFi芯片的配置、無線通信的目的。WiFi控制模塊主要是將 MCU的 UART＿TX、UART＿RX與 HLK－RM04的對應的引腳相連，實現(xiàn)兩者之間串行異步通信。SW1與SW2是按鈕開關(guān)，給HLK－RM04提供重新啟動和恢復出廠設(shè)置這兩個信號。WiFi外圍控制電路圖如圖3所示。

圖3 WiFi外圍控制電路圖

2.1.2 電源模塊電路

電子秤的RS232接口采用主動供電式，即電子秤利用RS232中兩根功能性引腳為外設(shè)提供電源，本文中質(zhì)監(jiān)模塊就是利用這兩根引腳供電，使用一個電壓轉(zhuǎn)換電路，把電子秤提供的電壓轉(zhuǎn)化為＋5V和＋3.3V，分別為HLK－RM04和LPC1100供電。

2.2 手機模塊

手機模塊可以直接使用任意一款安卓操作系統(tǒng)，自帶WiFi熱點的手機。直接下載質(zhì)監(jiān)程序就可以作為質(zhì)監(jiān)人員的質(zhì)監(jiān)工具。

正常情況下，能夠穩(wěn)定運行的無線AP一般是無線路由器，但是在本系統(tǒng)中，需要測試的對象可能是全市所有的電子秤，不可能在每個測試地點放置無線路由器，也不能夠隨身攜帶路由器使用。最好的辦法是使用手機充當無線AP，將數(shù)據(jù)采集和無線局域網(wǎng)這兩種功能合二為一，這將帶來極大的便利。但是手機作為便攜式設(shè)備，又是電池供電，能不能長時間穩(wěn)定地充當無線AP呢？本文以HTC one型號手機為例進行可行性分析，用手機建立熱點，即創(chuàng)建無線局域網(wǎng)，在電腦上運行WireLessMon獲取無線網(wǎng)的強度信息，不斷改變手機和電腦的距離，繪制如圖4所示的無線局域網(wǎng)信號強度圖。理論上無線信號強度超過－70dBm就可以建立連接，但是為了更好的通信質(zhì)量，選取在大于－60 dBm時通信，從圖4中可以看出，最佳覆蓋范圍是手機為中心，半徑5m的圓形區(qū)域。

圖4 手機WiFi熱點無線信號強度－距離圖

就一般農(nóng)貿(mào)市場而言，半徑5m可以覆蓋好幾個攤位，完全能夠支持多臺電子秤同時測試。測試過程中，手機滿電狀態(tài)可以連續(xù)開啟WLAN熱點2小時以上，實際使用過程中，在不用的時候可以暫時關(guān)閉熱點，完全能滿足使用的需要。

3 軟件設(shè)計

3.1 質(zhì)監(jiān)模塊

3.1.1 總體流程圖

軟件總體的流程如圖5所示，上電啟動后，首先檢查各部分是否正常工作，主要是看電子秤能否正常通信，還有WiFi模塊是否正常工作，如果出現(xiàn)異常，則對應的指示燈顯示為紅色。然后調(diào)用WiFi子程序?qū)iFi模塊進行配置，初始化完成后重新啟動WiFi芯片，以便配置生效。重啟后，WiFi模塊將不斷搜索手機熱點，如果搜索完畢會自動進行連接，并與手機建立TCP連接，主程序進入監(jiān)聽階段，采用被動應答的方式，循環(huán)監(jiān)聽WiFi收到的指令，并對當前的指令進行解析和回復，同時開啟定時器，如果一段時間沒有收到手機發(fā)送的心跳包，主程序默認測試結(jié)束，重新進入開始階段。

圖5 質(zhì)監(jiān)模塊總體流程圖

3.1.2 WiFi配置子程序

HLK－RM04芯片提供UART接口與 MCU進行通信，通過該接口，MCU既可以對HLK－RM04進行配置也可以收發(fā)無線網(wǎng)的數(shù)據(jù)。MCU采用AT指令集的方式配置HLK－RM04，將配置的參數(shù)數(shù)據(jù)寫成一段固定的配置字符串，主控制器給HLK－RM04發(fā)送一個ES／RST信號使其進入AT指令集模式，MCU可以直接將配置字符串通過UART端口發(fā)送給HLK－RM04。

質(zhì)監(jiān)模塊中，HLK－RM04的功能是尋找質(zhì)監(jiān)人員手機WiFi熱點并連接，與手機建立通信鏈路。這個過程可以分為以下幾部分：

① 質(zhì)監(jiān)模塊的HLK－RM04搜素指定名稱的WiFi網(wǎng)絡，并嘗試連接。

② 連接完成，說明質(zhì)監(jiān)模塊已經(jīng)和質(zhì)監(jiān)人員的手機處于同一個無線局域網(wǎng)內(nèi)。

③ 需要使手機和質(zhì)監(jiān)模塊能夠相互通信，本文中采用建立TCP連接的方式。

④HLK－RM04作為TCP連接的客戶端，主動向手機發(fā)起TCP連接。

⑤ 手機端作為TCP服務端，開啟監(jiān)聽，并采用多線程的方式同時與多個HLK－RM04連接。

由此可見，配置字符串的內(nèi)容主要包括WiFi熱點的用戶名＋密碼、HLK－RM04的IP地址分配、以及TCP連接相關(guān)信息。HLK－RM04的IP地址分配采用動態(tài)分配方式，即啟動DHCP協(xié)議，動態(tài)為每個連接在WiFi網(wǎng)絡中的HLK－RM04動態(tài)分配IP地址，這樣可以避免出現(xiàn)重復IP的情況，更加靈活方便。因為手機WiFi建立的無線網(wǎng)段是192.168.137.0，所以手機的IP地址固定是192.168.137.1，HLK－RM04作為客戶端只要固定設(shè)置 TCP服務器地址為192.168.137.1即可。

配置的子程序略——編者注。

3.1.3 質(zhì)監(jiān)模塊與電子秤通信

質(zhì)監(jiān)模塊通過電子秤提供的RS232接口與電子秤進行通信，質(zhì)監(jiān)模塊發(fā)送請求，電子秤將標簽信息發(fā)送給質(zhì)監(jiān)模塊，標簽信息是在電子秤中預先設(shè)置好的一系列數(shù)據(jù)，比如重量、價格、商家名稱、電子秤號、條形碼等。電子秤在稱重完成后，會打印出本次稱重的標簽信息，所以質(zhì)監(jiān)模塊可以通過獲取電子秤的標簽信息來提取質(zhì)監(jiān)所需的有效數(shù)據(jù)。

3.1.4 質(zhì)監(jiān)模塊與手機通信

通信雙方，無線模塊采用被動應答的方式，被動接收手機發(fā)送的指令，并對指令解析、回復，而手機采用主動發(fā)送指令的方式。手機發(fā)送的指令格式如下：

________IP 地址 指令_________

無線模塊應答指令格式：

__IP 地址 指令 參數(shù)個數(shù) 參數(shù)____

其中IP地址部分采用4字節(jié)，指令采用單字節(jié)，參數(shù)個數(shù)單字節(jié)，每個參數(shù)占用4字節(jié)。指令共包括開始、心跳包、獲取電子秤信息、獲取重量、結(jié)束、保留信息這6種，因為采用了TCP可靠傳輸方式，所以不需要校驗。其中保留信息格式和其余5個信息格式略有不同，指令功能表如表1所列。

02指令是心跳包，手機每隔一段時間會發(fā)送一個心跳包給質(zhì)監(jiān)模塊，使質(zhì)監(jiān)模塊知道手機是否正在進行質(zhì)檢，如果指定時間沒有收到心跳包，無線模塊默認質(zhì)檢已經(jīng)結(jié)束，就會回到主程序開始處重新執(zhí)行，等待新一輪的質(zhì)檢。

表1 通信協(xié)議功能表

03指令是獲取電子秤的商店編號和電子秤號，這個可以用來準確定位每一臺電子秤，因為自動化質(zhì)監(jiān)系統(tǒng)支持同時質(zhì)監(jiān)多臺電子秤，所以要能夠準確方便的定位每一臺連接到熱點的電子秤。

本文中采用商店編號＋電子秤編號的方式來定位電子秤，每個商店都有唯一的編號，并商店中的電子秤都有一個編號，將商店編號和電子秤編號做成一個標簽，貼在電子秤上，并且事先對電子秤設(shè)置好商店號和電子秤號，以供質(zhì)監(jiān)模塊獲取，如圖6所示。

多個電子秤質(zhì)監(jiān)模塊連接到手機時，手機端可以看到當前所有連接至手機WiFi網(wǎng)絡的電子秤列表，并且顯示出每臺電子秤的商店編號＋電子秤編號，與電子秤上的便簽對應，便可方便準確地定位每一個電子秤列表項所對應的電子秤。

圖6 電子秤定位示意圖

該電子秤列表會顯示在手機上，供質(zhì)監(jiān)員選擇，比如質(zhì)監(jiān)員選擇了列表項1（00000012＋01），該項對應編號為00000012的商店中1號電子秤，放置一個標準砝碼在該電子秤上，點擊開始質(zhì)監(jiān)，手機會發(fā)送命令給該電子秤，電子秤嵌入的質(zhì)監(jiān)模塊會讀出當前的數(shù)據(jù)，并通過WiFi發(fā)送至手機，記錄于文件中并顯示給質(zhì)監(jiān)員，表示本次質(zhì)監(jiān)完成。當然質(zhì)監(jiān)員可以對列表中所有電子秤都放上砝碼，同時測試列表中所有電子秤。

06指令是保留信息，這個指令是為了傳輸某些比較復雜或者協(xié)議設(shè)計前沒有考慮到的數(shù)據(jù)，是對前5條指令的擴展，它的格式是IP地址＋指令＋數(shù)據(jù)長度＋數(shù)據(jù)，對于該條指令而言，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是沒有固定格式的，換而言之該指令可以傳輸任何需要的數(shù)據(jù)，而手機接收了之后可以將數(shù)據(jù)作進一步解析。

3.2 手機端及后續(xù)處理程序

質(zhì)監(jiān)時，質(zhì)監(jiān)員在對應的電子秤上放置標準砝碼，用手機接收電子秤質(zhì)監(jiān)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以固定的格式存放于文件中，可以根據(jù)需要多測幾次，至此，現(xiàn)場的質(zhì)監(jiān)工作完成。

回到質(zhì)監(jiān)局，將手機連接到質(zhì)監(jiān)局的無線路由器上，將數(shù)據(jù)文件發(fā)送至電腦端，并對各個質(zhì)監(jiān)員提供的數(shù)據(jù)文件進行匯總，集中處理，并將最終結(jié)果存放于數(shù)據(jù)庫中，同時將匯總后的質(zhì)監(jiān)數(shù)據(jù)備份保存。

結(jié) 語

本文設(shè)計的自動化質(zhì)監(jiān)系統(tǒng)能夠方便高效地協(xié)助質(zhì)監(jiān)人員完成任務，只需要對現(xiàn)在使用的電子秤作改裝，嵌入一個質(zhì)監(jiān)模塊，任何一款支持WiFi熱點的安卓手機都可以充當質(zhì)監(jiān)工具。

手機集質(zhì)監(jiān)無線網(wǎng)的AP和數(shù)據(jù)采集終端兩大功能于一身，充分發(fā)揮了智能手機的能力，實現(xiàn)了質(zhì)監(jiān)系統(tǒng)最簡化，大大降低了硬件的復雜度，把大部分工作量轉(zhuǎn)移到軟件方面，能夠降低成本，更符合實際。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

［1］Jack Shandle.即將來臨的32位浪潮——ARM構(gòu)架在32位微控制器領(lǐng)域的應用［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2004（3）.

［2］俞建峰.物聯(lián)網(wǎng)工程開發(fā)與實踐［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

［3］吳紅舉，沈建華.嵌入式 WiFi技術(shù)研究與通信設(shè)計［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2005（6）：5－7.

［4］寶能國際.WiFi無線技術(shù)在智能家居中的應用［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2012（3）：84－85.

［5］王建，楊曉東，劉志軍.基于Android與互聯(lián)網(wǎng)的手機投票系統(tǒng)設(shè)計［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2013（5）：78－81.