基于ZigBee的智能称重计价果蔬篮控制系统设计*

朱晓君，高嘉怿，黄作耀，刘述民，李 权

(1.江西理工大学软件工程学院，江西 南昌 330013;2.江西理工大学能源与机械工程学院，江西 南昌 330013)

随着智能领域的发展，多功能、智能电子秤的优化设计成为当前一大研究热点.某些优化设计[1-3]虽采用质量传感器、A/D转换、单片机和显示屏等，但仍需将称重物品放在托盘上，手动输入物品单价再经过人工确认后，电子秤才会显示并打印物品总价.显然，这种人工计价方式存在称重效率低、人力成本较高且易出错等不足之处.因此，笔者拟基于ZigBee技术设计一套自动识别物品并智能称重计价的果蔬篮控制系统.该系统通过ZigBee无线通信技术实现多点分布式质量采集，采用CC2530芯片保障ZigBee网络的建立、通信与维护，将质量上传至上位机，上位机智能生成并输出物品信息.

1 系统整体设计

智能称重计价果蔬篮控制系统由多个质量节点、协调器、上位机、键盘扫描和微型打印机等组成.协调器与质量节点通过ZigBee无线网络互联，协调器与上位机通过串口互联，上位机与键盘扫描和微型打印机连接.系统主要实现步骤如下：

(ⅰ)每个果蔬篮内盛放不同的物品，根据物品对每个质量节点编号，形成编号信息，并将其储存至上位机数据库内.

(ⅱ)每个质量节点监测果蔬篮内物品质量的变化，并生成数据包经ZigBee无线通信传输至协调器，该数据包包括当前质量节点编号和物品质量.

图1 智能称重计价果蔬篮控制系统的整体设计Fig. 1 Design Diagram of Fruit and Vegetable Basket Control System Featured with Intelligent Weighing and Pricing

(ⅲ)协调器接收质量节点的数据包，经串口输出至上位机.

(ⅳ)上位机读取当前质量节点编号和物品质量，获取当前质量节点的编号信息，并根据编号信息和物品质量生成物品信息.其中，编号信息包括物品的名称和单价，物品信息包括物品的名称、质量、单价、总价、条形码和二维码.

智能称重计价果蔬篮控制系统的整体设计如图1所示.

2 系统硬件设计

2.1 质量节点的硬件设计

质量节点硬件(图2)包括CC2530芯片、无线模块、A/D模块、质量传感器、串口模块和电源模块等.CC2530芯片是一种ZigBee片上解决方案芯片，内含高性能低功耗的8051微控制内核、系统内可编程闪存和A/D采样通道等，可以接收并处理模拟和数字信号.它结合了2.4 GHz的RF收发器和德州仪器的ZigBee协议栈，能保证多个质量节点与协调器之间的无线通信[4].ZigBee是建立在IEEE802.15.4标准基础上的无线网络，具有低成本、低功耗、近距离、自组网、低数据传输率和低复杂度等特点[5].

图2 质量节点硬件构成Fig. 2 Hardware Composition of Weight Node

质量传感器将感应到的质量转化为可测量的电信号输出.电信号是与质量数值成正比的模拟信号，输出至A/D转换模块.质量传感器按转换方法分为电容式、光电式、磁极变形式、振动式和电阻应变式等，其中电阻应变式计量准确度高、结构简单且可靠性强，故系统采用电阻应变式传感器.

HX711芯片是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换模块，片内集成低噪声可编程放大器、稳压电路和时钟振荡器，具有集成度高、响应快和抗干扰能力强等优点[6].因为质量传感器输出的模拟信号很微弱，所以需要HX711芯片先将微弱的模拟信号放大，再进行A/D转换.

串口模块选用PL2303芯片，该芯片作为USB/RS232双向转换器，能解决PC上只用USB没有串口的问题.采用PL2303芯片，用户可以通过PC对质量节点设置程序参数.电源模块需提供+3.3 V或+5 V电源，可选用干电池、锂电池或纽扣电池等小型电池，便于内嵌于果蔬篮底部.

2.2 协调器的硬件设计

协调器硬件(图3)包括CC2530芯片、无线模块、串口模块和电源模块，与质量节点的硬件结构基本一致.协调器与多个质量节点通过ZigBee进行无线传输通信，故协调器对于CC2530芯片的闪存要求高于质量节点，因此系统采用CC2530F256芯片.协调器采用电源适配器将AC220V的交流市电转换为其所需的直流电源.

图3 协调器硬件构成Fig. 3 Hardware Composition of Coordinator

2.3 微型打印机和键盘扫描的硬件设计

系统采用微型热敏打印机，它具有打印的速度快、字迹清晰，且噪声小、不需要色带等优点，不仅可以打印英文、汉字，还可以打印条形码和二维码等[7].微型热敏打印机与上位机通过USB或蓝牙连接.键盘扫描采用计算机薄膜键盘，与上位机通过USB或无线连接，利用键盘可以将中英文、数字和标点符号等输入上位机，从而向上位机输入数据和发出命令.

3 系统软件设计

3.1 质量节点的软件设计

商家将不同的物品盛于不同的果蔬篮中，质量节点内嵌于果蔬篮底部并逐一编号.该编号与质量节点中的无线模块的发送节点地址一一对应，即发送节点地址为质量节点编号.质量节点程序流程(图4)如下：

(ⅰ)质量节点进行系统初始化后请求加入ZigBee网络.

(ⅱ)质量节点成功加入ZigBee网络后判断是否获取到物品质量.获取到则激活质量节点，并发送包含物品质量和质量节点编号的数据包至协调器；否则，设置质量节点为休眠模式.休眠模式可以降低设备功耗，延长设备使用寿命.

Zigbee网络的组建过程为：协调器确定网络的基本参数后发起网络组建，终端节点请求加入，当终端节点的参数与协调器一致时，两者相互通信.其中，网络参数包括无线射频通信信道、个域网ID和发送/接收地址匹配等.

质量节点获取买家所挑选物品的质量的过程为：质量传感器将感应到的质量转化为电信号输出，通过A/D转换为微控制器可识别和处理的数字信号，微控制器根据一定时间内数字信号的变化来获取物品质量.微控制器获取物品质量可分为如下3个步骤(图5)：

(ⅰ)质量节点记录果蔬篮内物品质量G，令G0=G，n=0.

(ⅱ)经过定时器时间t(t为时间参数)后，再次读取果蔬篮内物品质量G1，且令n=n+1.判断G1和G0的差值的绝对值是否大于等于δ1(δ1为大于0的参数)，若大于等于δ1，则认为买家此时正在挑选物品，设置G0=G1，n=0，并循环至定时器t，否则转入步骤3.

(ⅲ)判断持续的时间nt是否小于T(T为时间参数)，若是则循环至步骤2，否则输出物品质量ΔG=|G1-G|.

图4 质量节点程序流程Fig. 4 Program Flow Chart of Weight Node

图5 获取选中物品质量流程线路Fig. 5 Process of Obtaining the Mass of the Selected Item

3.2 协调器的软件设计

协调器是整个ZigBee网络的核心部分.在ZigBee网络的组建过程中，必须由协调器发起网络组建，确定网络的基本参数后等待终端节点的加入，并在随后的工作中负责维护网络.协调器与终端节点建立ZigBee网络后，接收终端节点发送的数据包，并通过串口转发给上位机.协调器程序流程如图6所示.

图6 协调器程序流程Fig. 6 Program Flow Chart of Coordinator

3.3 上位机的软件设计

上位机采用C#开发设计的图形化界面软件，辅助以Access数据库[8]，实现采集数据存储、接收串口数据包和生成并显示打印物品信息等功能.上位机程序流程如图7所示.其中，采集数据存储的具体过程为：通过键盘扫描采集质量节点编号和对应的编号信息，将其存储于Access数据库并生成列表文件.如图8所示，质量节点编号为0x1998a，对应的物品名称为苹果，单价为6.5元.

上位机接收到协调器发送的数据包后，根据质量节点编号检索数据库列表文件，读取对应的编号信息，再生成物品信息，并将物品信息显示并打印出来.例如，上位机收到的数据包包括物品质量2 kg和质量节点编号0x1998a，检索图8所示的列表文件，读取到物品名称为苹果，单价为6.5元，进而计算出总价为13元并生成对应的条形码和二维码(图9).买家可自行获取打印贴纸，贴在购物袋上，便于商家查看、扫码和结算.

图7 上位机程序流程Fig. 7 Program Flow Chart of Host Computer

图8 采集编号对应信息Fig. 8 Numbered Information Collection

图9 生成物品信息Fig. 9 Item Information Generation

4 结语

当前的称重计价设备采用人工输入货品名称匹配单价以计算总价的方式，该方式称重效率低、人力成本较高且易出错.针对这个问题，笔者设计了一套基于ZigBee技术的智能称重计价果蔬篮控制系统.该系统可以智能获取买家挑选的物品的质量和质量节点编号，通过检索质量节点编号读取物品的名称和单价，最终生成包括物品的名称、质量、单价、总价、条形码和二维码的物品信息，并显示打印出来.在整个称重计价过程中，系统无需人工操作，从而提升了物品称重效率，降低了商家人力成本的投入，在智能称重领域具有较高的实用价值.