基于ESP32的電子秤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李嘉明　馮建　廖明華　徐操喜

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于ESP32的電子秤系統(tǒng)，通過HX711模塊對(duì)稱重傳感器輸出的重量信號(hào)進(jìn)行高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)供主控芯片ESP32處理，ESP32將稱重?cái)?shù)據(jù)輸出到OLED屏上顯示，同時(shí)上傳至OneNet云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)每次稱重?cái)?shù)據(jù)的自動(dòng)記錄，在需要統(tǒng)計(jì)物料出庫情況的應(yīng)用領(lǐng)域，具有一定的實(shí)用及推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電子秤;ESP32;OLED;OneNet;物料出庫

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）12-0216-04

1 背景

電子秤以嵌入式芯片作為主控系統(tǒng)，具有測(cè)量精度高、測(cè)量速度快、可靠性強(qiáng)、應(yīng)用面廣等一系列優(yōu)點(diǎn)[1-2]，逐漸取代了傳統(tǒng)的桿秤，廣泛應(yīng)用于各種商貿(mào)活動(dòng)中[3-5]。然而，目前市面上常用的電子秤不具備自動(dòng)記錄稱重?cái)?shù)據(jù)的功能，無法自動(dòng)保存從倉庫領(lǐng)取物料的多少，只能通過人工手動(dòng)記錄稱重后顯示的數(shù)值。相對(duì)于電子秤自動(dòng)保存測(cè)量稱重?cái)?shù)值，人工記錄的方式比較容易出錯(cuò)，并且不符合智能化的要求。

針對(duì)上述問題，結(jié)合傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、信息通信技術(shù)、云技術(shù)，采用MicroPython編寫主控程序，設(shè)計(jì)一款基于ESP32的電子秤系統(tǒng)。通過對(duì)稱重物重量的測(cè)量、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)上傳，完成每次稱重?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)接入中國移動(dòng)的OneNet物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，包括所稱物料的重量以及出庫時(shí)間，相關(guān)的倉庫管理人員可以登錄OneNet云平臺(tái)查看每次上傳的稱重?cái)?shù)據(jù)，非常直觀便捷地掌握某物料的領(lǐng)用情況，整個(gè)過程無需人工進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。本系統(tǒng)對(duì)于現(xiàn)有的電子秤產(chǎn)品的改進(jìn)具有一定的參考價(jià)值。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于ESP32的電子秤系統(tǒng)主要包括稱重傳感器、HX711模塊、按鍵模塊、ESP32主控模塊、OLED顯示屏模塊，系統(tǒng)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)上電后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)連接模式，根據(jù)預(yù)設(shè)的WiFi賬號(hào)和密碼，接入本地的無線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)連接成功后進(jìn)入稱重模式。在稱重模式下，稱重傳感器檢測(cè)所稱物料的重量，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出至HX711模塊，主控芯片ESP32不斷讀取由HX711模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)經(jīng)過ESP32解析后顯示在OLED屏上，所顯示的值便是所稱物料的重量。得到所稱物料的重量后，操作人員按下按鍵模塊中的“S2”按鍵持續(xù)2秒，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)上傳模式，在該模式下，ESP32通過http協(xié)議上傳當(dāng)前稱重?cái)?shù)據(jù)，同時(shí)鎖定當(dāng)前的稱重?cái)?shù)據(jù)，不再解析HX711發(fā)送過來的數(shù)字信號(hào)，直至接收到OneNet云平臺(tái)確認(rèn)成功接入數(shù)據(jù)的響應(yīng)信息，系統(tǒng)回到稱重模式。若接收到的是上傳出錯(cuò)的響應(yīng)信息，則系統(tǒng)不會(huì)切換回稱重模式，同時(shí)ESP32會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作，發(fā)出警報(bào)聲提醒操作人員數(shù)據(jù)上傳失敗，此時(shí)操作人員再次按下按鍵模塊的按鍵“S2”2秒，重新上傳稱重?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)上傳成功后，蜂鳴器停止報(bào)警。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 ESP32主控模塊

ESP32可作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)用程序，也可作為主機(jī)MCU的從設(shè)備，通過SPI/SDIO或I2C/UART接口提供WiFi和藍(lán)牙功能，其引腳電路圖如圖2所示。ESP32性能穩(wěn)定，工作溫度范圍達(dá)到-40℃到+125℃，內(nèi)部集成了自校準(zhǔn)電路，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整電壓，并且適應(yīng)外部條件的變化。本系統(tǒng)選用ESP32作為系統(tǒng)的主控芯片和通信芯片，完成本地?cái)?shù)據(jù)的分析處理，同時(shí)通過WiFi上傳稱重?cái)?shù)據(jù)至云平臺(tái)。

3.2 稱重傳感器

稱重傳感器如圖3所示，屬于電阻應(yīng)變式壓力傳感器。力敏型彈性元件上粘貼上應(yīng)變片，當(dāng)彈性元件因受力產(chǎn)生形變時(shí)，導(dǎo)致應(yīng)變片發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成電阻的變化，最后引起內(nèi)部測(cè)量電路輸出電壓的變化。

3.3 HX711模塊

HX711模塊是專為高精度電子秤而設(shè)計(jì)的，電路圖如圖4所示。主芯片HX711是一款24位高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，工作電壓2.6V至5.5V，具有兩路模擬通道輸入，輸出端的時(shí)鐘線PD_SCK和數(shù)據(jù)線DOUT與主控芯片ESP32相連，用于輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的稱重?cái)?shù)據(jù)。

3.4 OLED顯示模塊

OLED顯示模塊通過I2C接口與主控ESP32芯片連接，接收并顯示ESP32發(fā)送的信息，主要有當(dāng)前的稱重?cái)?shù)據(jù)、連接WiFi的狀態(tài)，用戶可以從OLED屏上顯示的數(shù)據(jù)獲知當(dāng)前稱重?cái)?shù)據(jù)以及系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。

3.5 按鍵模塊

按鍵模塊用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，其電路圖如圖6所示。當(dāng)需要上傳稱重?cái)?shù)據(jù)時(shí)，按下按鍵“S2”超過2秒，ESP32的GPIO0引腳檢測(cè)到持續(xù)2秒的低電平，系統(tǒng)進(jìn)入上傳數(shù)據(jù)模式，此時(shí)會(huì)鎖定當(dāng)前的稱重?cái)?shù)據(jù)，直至接收到云平臺(tái)返回接入成功的響應(yīng)信息。當(dāng)需要切換物料種類時(shí)，短按按鍵“S2”，即按鍵“S2”按下的持續(xù)時(shí)間小于2秒，OLED屏顯示切換后的物料名稱，稱重?cái)?shù)據(jù)也會(huì)上傳到切換后的物料所對(duì)應(yīng)的云平臺(tái)數(shù)據(jù)流中。當(dāng)遇到運(yùn)行故障或是網(wǎng)絡(luò)連接失敗時(shí)，按下按鍵“S1”，系統(tǒng)將會(huì)重啟。

3.6 蜂鳴器模塊

蜂鳴器模塊用于聲音報(bào)警，提醒操作人員當(dāng)前稱重?cái)?shù)據(jù)上傳失敗，其電路圖如圖7所示。圖中的蜂鳴器屬于有源蜂鳴器，使用直流信號(hào)即可令其鳴叫。ESP32的輸出引腳連接限流電阻R5后接入三極管Q1的基級(jí)，當(dāng)該輸出引腳為低電平時(shí)，三極管截止，蜂鳴器不發(fā)出聲響，反之，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器持續(xù)發(fā)出聲響。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Mu作為開發(fā)軟件，代碼用MicroPython編寫，程序流程圖如圖8所示。系統(tǒng)上電并初始化后，ESP32開始連接WiFi網(wǎng)絡(luò)。若WiFi連接失敗，則在10秒內(nèi)進(jìn)行重連，10秒后如果還是連接不成功，OLED屏上顯示“WiFi連接失敗，請(qǐng)重啟系統(tǒng)”，并結(jié)束程序運(yùn)行。

WiFi連接成功后，ESP32接收并解析HX711傳遞過來的稱重?cái)?shù)據(jù)，并將其顯示在OLED顯示屏上，單位是kg（千克），接著ESP32檢測(cè)按鍵“S2”有無被按下，若沒有檢測(cè)到按鍵“S2”被按下，則采集并解析新的稱重值，若檢測(cè)到按鍵“S2”有被按下，則根據(jù)被按下的時(shí)長(zhǎng)，即相應(yīng)輸入引腳檢測(cè)到的低電平持續(xù)時(shí)間是否大于2秒，來判斷是進(jìn)入上傳數(shù)據(jù)的模式還是切換物料的模式，超過2秒進(jìn)入數(shù)據(jù)上傳模式，低于2秒則進(jìn)入物料切換模式。

數(shù)據(jù)上傳模式下，ESP32會(huì)將當(dāng)前稱重?cái)?shù)據(jù)鎖定，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送OneNet云平臺(tái)，接入?yún)f(xié)議是http，直至接收到云平臺(tái)返回的成功接收的應(yīng)答信息，ESP32才會(huì)解開鎖定的稱重?cái)?shù)據(jù)，重新獲取新的稱重值，否則將會(huì)判定本次數(shù)據(jù)上傳失敗，并驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，蜂鳴器響起后須重新進(jìn)行上傳操作，成功本次稱重?cái)?shù)據(jù)后蜂鳴器停止報(bào)警。物料切換模式下，OLED顯示當(dāng)前所選的物料名稱，仍然是通過按下按鍵“S2”來觸發(fā)物料的切換。

5 系統(tǒng)測(cè)試

OneNet是由中國移動(dòng)打造的PaaS（平臺(tái)即服務(wù)）物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)，提供數(shù)據(jù)接入、分析和可視化功能，為企業(yè)提供成熟、穩(wěn)定的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，幫助開發(fā)者輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接，快速完成產(chǎn)品開發(fā)及部署，提供完善的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。本系統(tǒng)采用OneNet4.0作為云端接入，接入?yún)f(xié)議為HTTP，云平臺(tái)的配置部署流程如圖9所示。

打開瀏覽器訪問OneNet官網(wǎng)“https：//open.iot.10086.cn/”，首先注冊(cè)并登錄賬號(hào)，然后進(jìn)入控制臺(tái)，選擇“切換至舊版”，點(diǎn)擊“多協(xié)議接入”，在“HTTP”選項(xiàng)欄下添加產(chǎn)品，填寫產(chǎn)品相關(guān)信息。產(chǎn)品創(chuàng)建成功后，點(diǎn)擊進(jìn)入該產(chǎn)品，左側(cè)欄點(diǎn)擊“設(shè)備列表”，點(diǎn)擊“添加設(shè)備”，填寫設(shè)備相關(guān)信息。設(shè)備創(chuàng)建成功后，點(diǎn)擊該設(shè)備對(duì)應(yīng)的“詳情”，在設(shè)備詳情頁面中點(diǎn)擊“添加APIKey”，云平臺(tái)會(huì)根據(jù)用戶輸入的表單信息生成一串加密字符串，如圖10所示，由圖可知該設(shè)備的設(shè)備ID和APIKey這兩個(gè)關(guān)鍵信息，通過設(shè)備ID和APIKey，可以唯一地識(shí)別云平臺(tái)上所創(chuàng)建的設(shè)備。接著點(diǎn)擊左側(cè)欄的“數(shù)據(jù)流模板”，添加兩個(gè)數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流名稱分別為“matterA”、“matterB”，單位名稱均為“千克”，單位符號(hào)均為“kg”。最后，點(diǎn)擊左側(cè)欄的“應(yīng)用管理”添加應(yīng)用，在應(yīng)用編輯器里完成控件與設(shè)備數(shù)據(jù)流之間的關(guān)聯(lián)，完成后保存并發(fā)布該應(yīng)用。

完成云平臺(tái)的配置后，保存設(shè)備ID和APIKey對(duì)應(yīng)的值，上傳稱重?cái)?shù)據(jù)時(shí)需要使用上述兩個(gè)值，否則不能完成數(shù)據(jù)上傳操作。ESP32實(shí)現(xiàn)HTTP數(shù)據(jù)上傳需要導(dǎo)入urequest依賴包，通過HTTP的post請(qǐng)求上傳數(shù)據(jù)至云平臺(tái)的核心代碼如下：

headersData = { "api-key"："1ekLTm7pTjmInZ=7QLOgvtmfamU=" }

jsonData = {"datastreams"： [{"id"： "matterA"，"datapoints"： [{"value"： weight}]}]}

response = urequests.post（'http：//api.heclouds.com/devices/678335201/datapoints'，

json =jsonData，headers = headersData）

云平臺(tái)的APIKey值賦值給字典類型變量headersData的api-key字段，設(shè)備ID的值則替換掉post方法中第一個(gè)參數(shù)url中的數(shù)字部分，字典類型jsonData中包含了數(shù)據(jù)流名稱和實(shí)際稱重?cái)?shù)據(jù)，其中，“id”字段對(duì)應(yīng)的是數(shù)據(jù)流名稱，“value”字段對(duì)應(yīng)的是實(shí)際稱重?cái)?shù)據(jù)，實(shí)際測(cè)得的稱重?cái)?shù)據(jù)保存在變量weight中。數(shù)據(jù)上傳成功后，ESP32將會(huì)接收到如下的響應(yīng)信息：

{

"errno"： 0，

"error"： "succ"

}

系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳測(cè)試效果如圖11所示，更改稱重傳感器上的物體重量，分別對(duì)“matterA”和“matterB”測(cè)試10次。由圖可知，所有測(cè)試均成功上傳至云平臺(tái)，并無數(shù)據(jù)在上傳過程中丟失，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于ESP32的電子秤系統(tǒng)，能夠檢測(cè)物體的重量，ESP32經(jīng)過換算之后的實(shí)際重量顯示在OLED屏上，并通過ESP32自動(dòng)上傳當(dāng)前稱重?cái)?shù)據(jù)至OneNet云平臺(tái)，用戶可登錄OneNet云平臺(tái)查看每次稱重的重量以及時(shí)間。采用本系統(tǒng)進(jìn)行稱重，無需人工手動(dòng)記錄稱重?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至云平臺(tái)存儲(chǔ)。在需要統(tǒng)計(jì)物料領(lǐng)用情況的工廠、餐廳等應(yīng)用領(lǐng)域，相關(guān)管理人員可通過查詢?cè)破脚_(tái)的數(shù)據(jù)，非常便利地來了解到出庫物料的領(lǐng)用情況，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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