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

第45卷第1期 2022年1月 河北農(nóng)業(yè)大學學報 JOURNAL OF HEBEI AGRICULTURAL UNIVERSITY Vol 45 No 1 Jan 2 0 2 2 在實際生產(chǎn)中 設(shè)施農(nóng)業(yè)種植作物多為果蔬 收獲時間較為集中 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 通過在運輸車上加裝稱重 系統(tǒng)不僅可以省卻一次搬運過程 提高勞動效率 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)計了1 種基于 STM32 的設(shè)施農(nóng)業(yè)果蔬運輸車稱重 系統(tǒng) 基于 STM32 的設(shè)施農(nóng)業(yè)果蔬運輸車稱重系統(tǒng)設(shè)計 年 賀 1 肖志剛 1 索雪松 1 滕桂法 2 1 河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院 河北 保定 071001 2 河北農(nóng)業(yè)大學 信息科學與技術(shù)學院 河北 保定 071001 摘 要 針對設(shè)施農(nóng)業(yè)農(nóng)產(chǎn)品采摘運輸過程費時費力且產(chǎn)量信息收集不準確不全面易丟失的問題 采用 STM32 單 片機 電阻應變式壓力傳感器 HX711 A D 轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)建了果蔬運輸車的稱重系統(tǒng) 并利用防脈沖干擾平均濾 波算法實現(xiàn)數(shù)字濾波 使用 USART HMI 智能串口屏設(shè)計了人機接口 通過 GPRS 模塊上傳數(shù)據(jù) 該系統(tǒng)實現(xiàn) 了運輸稱重一體化 準確全面收集農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量信息的功能 關(guān) 鍵 詞 稱重系統(tǒng) STM32 數(shù)字濾波 人機交互 GPRS 通信 中圖分類號 S229 TP274 開放科學 資源服務(wù) 標識碼 OSID 文獻標志碼 A Design of weighing system of fruit and vegetable transporter for facility agriculture based on STM32 NIAN He 1 XIAO Zhigang 1 SUO Xuesong 1 TENG Gu ifa 2 1 College of Mechanical and Electrical Engineering Hebei Agricultural University Baoding 071000 China 2 College of Information Science and Technology Hebei Agricultural University Baoding 071000 China Abstract The picking and transporting process of agricultural products is laborious and time consuming in facility agriculture during which the yield information is incomplete and volatile Thus a weighing system for the fruit and vegetable truck was constructed using STM32 single chip microcomputer resistance strain pressure sensor and HX711 A D conversion chip The anti pulse interference average filtering algorithm realized digital filtering The man machine interface was designed using the USART HMI smart serial screen and the data was uploaded through the GPRS module The system integrated weighing with transportation to collecte product output information accurately and comprehensively Keywords weighing system STM32 digital filtering human computer interaction GPRS communication 收稿日期 2021 01 11 基金項目 河北省重點研發(fā)計劃項目 20327213D 第一作者 年 賀 1993 男 河北保定人 碩士研究生 從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動化研究 E mail 1305387197 通信作者 肖志剛 1970 男 河北保定人 副教授 從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動化研究 E mail xzgie 本刊網(wǎng)址 http hauxb hebau edu cn 文章編號 1000 1573 2022 01 0121 06 DOI 10 13320 ki jauh 2022 0017 122 第 45 卷 河北農(nóng)業(yè)大學學報 1 系統(tǒng)總體設(shè)計 稱重系統(tǒng)搭載在電動運輸車上 通過加裝稱重 傳感器的方式改裝車體載物臺 使原本只具有運輸 功能的運輸車兼具稱重功能 系統(tǒng)主要由 STM32 人機交互模塊 稱重模塊 GPRS 模塊等組成 并 由軟件編程實現(xiàn)預期功能 人機交互模塊用于顯示 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)?STM32 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 稱重 模塊 STM32 人機交 互模塊 GPRS 模塊 云服 務(wù)器 圖 1 系統(tǒng)框圖 Fig 1 System block diagram 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件電路連接圖如圖 2 所示 三號 5 V 5 V 5 V 5 V 5 V 5 V 一號 二號 四號 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 人機交互模塊 供電電源采用運輸車24 V 動力電源 通過 LM2596S 型降壓模塊降壓至5 V 直接與人機交互 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 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變片將被測件上的應變 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 稱重傳感器個數(shù)根據(jù)稱重系統(tǒng)用途 秤體需要 的支撐點數(shù)確定 秤體的支撐點與傳感器應具有 一一對應關(guān)系 14 對本系統(tǒng)中的長方形載物臺 考慮載物臺機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 設(shè)計4 個支撐點 采用4 個稱重傳感器 按中心對稱和軸對稱原則安 裝在稱重臺面下方實現(xiàn)稱重 15 傳感器擺放位置 如圖 3 所示 1 號 3 號 2 號 4 號 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 的 PB1 PB13 PB5 PB7 引腳 DOUT 分別接在 PB2 PB14 PB6 PB8 引腳 人機交互模塊使用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 型字庫以及相應背景圖片與 各種組態(tài)控件 設(shè)計人機交互界面 利用 STM32 的 USART1 實現(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 123 第1期 年 賀 等 基于 STM32 的設(shè)施農(nóng)業(yè)果蔬運輸車稱重系統(tǒng)設(shè)計 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件設(shè)計包括主控芯片 STM32 嵌入式的軟件設(shè) 計和人機交互模塊USART HMI串口屏的軟件設(shè)計 串口屏軟件設(shè)計在 USART HMI 開發(fā)環(huán)境中進行 實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示與信息輸入等人機交互功能 STM32 軟件設(shè)計采用 C 語言在 keil5 集成環(huán)境下進行基于 標準庫的開發(fā) 通過移植 FreeRTOS 操作系統(tǒng)實現(xiàn) 實時數(shù)據(jù)處理和實時控制任務(wù) 3 1 數(shù)字濾波算法 稱重系統(tǒng)使用壓阻應變式壓力傳感器 對所稱 量物品的重量值進行數(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 以及隨機噪聲 的存在都會影響測量結(jié)果的準確性 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 個數(shù)據(jù) 將這 H 個數(shù)據(jù)按大小排序 取 其中間段 h 個值進行算數(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)進行平滑加工 20 21 原理表示 如下 采集數(shù)據(jù) X 1 X 2 X 3 X H 數(shù)據(jù)排序 X 1 X 2 X 3 X H 求均值 Y 1 h X i 其中 i H h 2 i H h 2 i N 3 2 稱重模塊程序設(shè)計 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)進行軟件數(shù)字濾波與計算得到稱重傳 感器初始值 進入程序循環(huán) 再次采集稱重傳感器 數(shù)據(jù) 利用軟件進行數(shù)字濾波與計算 本次計算值 減去初始值即為當前所稱量物品重量值 3 3 串口屏模塊功能介紹 串口屏模塊實現(xiàn)的功能 設(shè)備上電 時間欄顯 示當前時間表示串口屏初始化完成 點擊屏幕中棚 號區(qū)域出現(xiàn)數(shù)字鍵盤輸入當前棚號 種類選擇區(qū)用 點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 當重量超出本系統(tǒng)準確量程 75 kg 時 系統(tǒng)將調(diào)出超重頁面提示用戶 產(chǎn)量統(tǒng)計界面 用來顯示當日所稱量每種果蔬的統(tǒng)計值 點擊 確 定 按鈕將本次稱重結(jié)果累加至統(tǒng)計值中 同時給 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 使用 Air800 模塊自帶的 TCP 協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)連接 GPS 導航系統(tǒng)進行坐標定位 數(shù)據(jù)傳輸報文格式為 標識 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) 時間 14 字節(jié) 地理坐標 13 字節(jié) 其 中標識 000 1 開機 000 2 果蔬信息傳輸 傳輸過程為 終端登錄向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)報文 除標識 車 ID 時間 地理坐標其他字段均填默認值 服務(wù) 端返回登錄確認信息 888 確認收到重量 服務(wù)端向終端返回 999 當用戶點擊屏幕上確定鍵 確定記錄此次稱 重數(shù)據(jù)時 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)嶒炦^程中其他偶然因素產(chǎn)生的噪 聲信號影響實驗結(jié)果 對每個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 利用實驗所得 數(shù)據(jù)擬合出傳感器的輸出特性 各個傳感器所承載 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)換為重量值的計算參數(shù)如表1 所示 124 第 45 卷 河北農(nóng)業(yè)大學學報 輸出值 10 6 數(shù)值 Output 輸出值 10 6 數(shù)值 Output 號傳感器 號傳感器 號傳感器 號傳感器 重量值 kg weight 重量值 kg weight 重量值 kg weight 重量值 kg weight 輸出值 10 6 數(shù)值 Output 輸出值 10 6 數(shù)值 Output 50 40 30 20 10 0 50 40 30 20 10 0 50 40 30 20 10 0 50 40 30 20 10 0 8 4 8 6 8 8 9 0 9 2 9 4 9 6 9 8 8 4 8 6 8 8 9 0 9 2 9 4 9 6 8 4 8 6 8 8 9 0 9 2 9 4 9 6 8 4 8 6 8 8 9 0 9 2 9 4 9 6 圖 4 擬合曲線 Fig 4 Fitted curve 表 1 擬合參數(shù) Table 1 Fitting parameters 傳感器 Sensor 一號 No 1 二號 No 2 三號 No 3 四號 No 4 線性模型 f x p1 x p2 f x p1 x p2 f x p1 x p2 f x p1 x p2 系數(shù) p1 5 249 10 5 4 898 10 5 4 207 10 5 4 749 10 5 95 置信區(qū)間 5 238 10 5 5 259 10 5 4 894 10 5 4 902 10 5 4 203 10 5 4 211 10 5 4 745 10 5 4 753 10 5 系數(shù) p2 444 8 413 9 357 4 401 3 95 置信區(qū)間 445 7 443 8 414 2 413 5 357 7 357 401 7 401 和方差 0 566 60 0 082 81 0 101 10 0 093 01 確定系數(shù) 0 999 9 1 000 0 1 000 0 1 000 0 調(diào)整 R 2 0 999 9 1 000 0 1 000 0 1 000 0 擬合標準差 0 107 50 0 041 11 0 045 41 0 043 57 4 2 濾波流程分析 由于本稱重系統(tǒng)是由4 個壓力傳感器共同完成 重量信號的采集 每個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行線 性變換 然后相加進行數(shù)字濾波 最后得出本次稱 量物品的重量值 此法只進行了一次總的數(shù)字濾波 較方式一中每個傳感器都進行一次數(shù)字濾波節(jié)約了 3 次濾波時間 又由下式 1 可知各線性變換公式 中的常數(shù) b 合并為1 個總的常數(shù) B 在線性變換 時暫時略去常數(shù) b 只對采集到的原始數(shù)值進行乘 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) 的時間 y 1 a 1 x 1 b 1 y 2 a 2 x 2 b 2 y 3 a 3 x 3 b 3 y 4 a 4 x 4 b 4 1 Y y 1 y 2 y 3 y 4 Y a 1 x 1 a 2 x 2 a 3 x 3 a 4 x 4 B B b 1 b 2 b 3 b 4 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 125 第1期 年 賀 等 基于 STM32 的設(shè)施農(nóng)業(yè)果蔬運輸車稱重系統(tǒng)設(shè)計 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)組的每個行向量數(shù)值排序 取 h 個中間值 即 剔除噪聲信號后剩下的采樣值 的算數(shù)平均值 再 對每個行向量所得算數(shù)平均值進行線性變換 然后 將 4 個經(jīng)線性變換的算數(shù)平均值相加得重量值 在 實際稱量物品時4 個壓力傳感器共同承載重物 但 并不能保證重量均分到每個壓力傳感器 并且可能 存在所稱量物品輕微晃動的情況 這樣在1 個行向 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)值對應相加 對每次輪詢結(jié)果求和 后再進行數(shù)字濾波 可彌補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 方式一 方式二 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 圖 6 運輸車 Fig 6 Carrier vehicle 將采樣點數(shù)設(shè)定為30 濾波后剩余采樣點設(shè) 定為10 在實際應用場景中進行測試并與標準秤 進行對比 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 表 2 稱重模塊測試 Table 2 Weighing module test 實際重量 kg Actual weight 測量重量 kg Measure weight 絕對誤差 kg Absolute error 百分誤差 Percent error 5 45 5 44 0 01 0 18 8 62 8 65 0 03 0 35 12 33 12 31 0 02 0 16 17 58 17 62 0 04 0 23 20 45 20 43 0 02 0 10 24 78 24 80 0 02 0 08 人機交互模塊能夠?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)器達成握手協(xié)議后進行通訊測試 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 kg 圖 7 人機交互界面 Fig 7 Interactive interface 126 第 45 卷 河北農(nóng)業(yè)大學學報 圖 8 網(wǎng)絡(luò)上傳測試 Fig 8 Network upload test 5 結(jié)論 本文設(shè)計了1 套與運輸車相結(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 進行數(shù)字濾波 該稱重系統(tǒng)可實現(xiàn)果蔬重量數(shù)據(jù)的 實時顯示與數(shù)據(jù)上傳至云平臺等功能 通過在設(shè)施 溫室大棚現(xiàn)場試驗驗證 所設(shè)計的系統(tǒng)安全可靠 滿足實際精度需求 可在設(shè)施農(nóng)業(yè)中進行推廣應用 參考文獻 1 駱飛 徐海斌 左志宇 等 我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 存在不足及對策 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學 2020 48 10 57 62 2 隋斌 張慶東 張正堯 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