基于物联网的智能米桶的设计

沈周锋

（漳州职业技术学院 电子工程学院，福建 漳州 363000）

近几年来，物联网技术深入人心，各种设备纷纷升级物联网功能. 对于普通民众，各种家电加入物联网，极大的方便了人们的生活. 同时，促进了家用电器的更新换代，成为了我国的主要的经济增长点之一. 2020年初，受新冠疫情的影响，人们减少了不必要的出行和聚集，使物联网进一步融入人们生活的需求更加迫切.

以传统的生活品销售模式，人们需要经常关注家中大米的库存量，自己预测是否需要采购，并进入销售门店采购. 此销售模式，既要求人们关注库存量，又增加了不必要的出行，增加了人员聚集的可能性. 网络时代的今天，物联网技术手段已经非常成熟，且成本非常低廉［1］. 笔者旨在设计一种智能米桶，用于存储大米的同时，每次开启桶盖时［2-3］自动检测大米重量. 通过一种预测算法，根据大米消耗的速度，预测下次购买大米的时间. 在库存少于设定量时，通过WiFi模组连入互联网，通知供应商特定时间点送货上门. 设计一套电源的线路，智能的唤醒和休眠，达到极低功耗运行［4］.

1 基本原理

采用STM8S103F3芯片作为核心，控制整机的运行. 该芯片具有16个IO口，具有UART串口，I2C接口，SPI接口，AD转换端口和定时器等单元. 该芯片价格低廉且功能强大，足以满足智能米桶的控制需求. 整机电路框图如图1所示. 称重传感器采用应变片，受到库存大米的重力压迫时产生微弱形变，导致电阻值发生变化. Hx711单元检测称重传感器信号变化，模数转换后得到24 bit数字信号，输入到单片机中. 单片机将AD值换算为实际重量，驱动墨水屏显示电路显示重量值. 该屏幕具有耗电极低的优点，满足智能米桶的应用需求［5］. 通电时段，单片机刷新墨水屏显示数值后，即可断电. 该屏幕将继续显示读数，直到下一次上电刷新操作，极大的提高了整机电池的续航. 单片机内部集成了EEPROM存储器，具有断电保存功能. 每次采集到的重量值后，将数据存入片内的EEPROM，当数据量超过一定个数后，单片机即可预测下一次购买大米的时间. 当大米存量少于阈值时，通过ESP8266模块，连接家庭WiFi从而接入互联网，将购买大米的需求发送给供应商.

图1 电路结构示意图

智能米桶属于按键少、显示屏幕小的家用电器，直接设置WiFi ID和密码需要非常繁琐的操作. ESP8266模块提供一键配网功能，利用手机端在近端设置模块的WiFi ID和密码，极大方便了用户［6］.

本设计采用3节AA干电池供电，电源电路的设计极大的影响了电池的续航. 采用霍尔传感器安装于米桶盖上，用户掀开桶盖时，霍尔传感器控制电源电路接通，检测库存重量，刷新显示屏，连接互联网后，单片机控制电源电路关机，大大减少了电池电量的消耗.

2 电路设计

电源电路采用TPS62203 DC-DC芯片作为核心产生3. 3 V直流电压，以HAL248霍尔传感器控制电源电路启动. TPS62203芯片是一款高效率的同步降压型直流转换器，允许输入电压范围2. 5～6. 0 V，最大负载电流300 mA. 智能米桶接入互联网时，峰值电流200 mA左右，该电源芯片满足负载电流需求. 如图2所示，BT为3节AA电池，为U1供电. U1采用双极型的开关型霍尔传感器HAL248. 当磁铁接近传感器时，VO端子输出低电平；反之，输出高电平. 由于该传感器双极型，安装时无需区分磁铁南北极，方便生产调试. 打开桶盖时，桶盖上的磁铁靠近U1，VO端子输出低电平，通过电容C1将Q2的基极电平拉低，三极管导通. U2上电后，生成3. 3 V电源，使单片机开机. 开机后，拉高PowerHold节点电平，保证Q2持续导通. 单片机开机完成既定任务后，拉低该节点电平，使Q2截止即可关机. C1和R3起到缓冲作用，使PowerHold节点对电源的控制优先权高于U1. 例如，假设用户开启桶盖后忘了关闭，VO端子保持低电平. 此时单片机拉低PowerHold节点电平，Q1截止，BT正极通过R5，R4，R3对C1充电约0.2 s后，Q2截止整机断电. 此时，用户关闭桶盖时C1放电，经过0.2 s后再次开启桶盖，仍然能够正常开机. R6，R7，C2对BT进行分压，模拟电压送入单片机进行AD转换，判断电池电量，提示用户及时更换电池. U2，C3，C4，C5，L1，R8，R9组成DC-DC同步稳压电路，生成3.3 V直流电源. L1电感作为储能元件，须采用功率电感，布线时紧靠U2.

图2 电源电路

采用Hx711芯片为核心设计的一种重量检测电路. 该电路芯片采用了海芯科技的集成电路专利技术，是一款带低噪声稳压功能，信号放大功能，24位AD转换功能的称重专用芯片. 该芯片采用3. 3 V供电，C9为去耦电容，通过PD_SCK和DOUT引脚与单片机普通IO口连接，输出AD值. Q3在BASE引脚控制下实现导通和关闭，为应变片电桥和ADVDD供电. R10和R12组成分压电路，送入VFB引脚. U3内部的CPU检测VFB引脚电压. 当VFB电压大于1. 25 V时，BASE引脚高电平，Q3关断；反之，BASE引脚低电平，Q3导通. 此闭环回路，可得到2.5 V的电源. 应变片电桥R17在无形变状态下处于平衡状态，Hx711的PIN7和PIN8差分放大后AD输出为0. 当承受重物，应变片发生形变时，阻值发生变化，电桥输出一个与重量成正比的微电压，送入Hx711做放大和AD转换. 根据大米包装和米桶体积，将量程设置为0. 01～12 kg，读数分辨力为0. 01 kg.

图3 重量检测电路

显示屏采用微雪电子的1. 02英寸墨水屏模块，电路连接如图4所示. 该模组显示区域32. 6 mm×18. 6 mm，支持3. 3 V工作电压，分辨率128×80，完全满足智能米桶显示重量、电池电量的需求. 该模块缺点是刷新速度较慢，局部刷新需要0. 3 s，全局刷新需要2 s，对于智能米桶这类屏幕读数更新不频繁的电器而言，无任何影响. 刷新时工作电流典型值8 mA，待机电流典型值5. 2 uA，极大的增加了电池续航能力. 该模组具有8个引脚. 其中CLK引脚连接单片机SPI单元的CLK脚，DIN引脚连接单片机SPI单元的MOSI引脚，实现SPI单向通信. DC引脚连接单片机普通IO口，单片机控制该脚的数字电平切换命令/数据传送状态. BUSY引脚为墨水屏模块的输出脚，低电平表示模块处于忙状态，高电平时单片机可发送命令或者数据.

图4 墨水屏电路

WiFi模块选用ESP8266-01S模块，电路如图5所示. 该模块支持3. 3 V供电，采用UART串口与单片机连接，单片机即可使用AT命令集执行模块复位、WiFi连接、数据发送接收等动作. 该模块具有AirKiss或者SmartConfig功能，用户可以利用手机端给模块设置待连接的WiFi ID和密码. 用户可以很方便的使智能米桶连接到家中的宽带网络中. 该模块CH_PD引脚为使能脚，连接单片机IO口. 该引脚低电平时模块进入低功耗模式，需要接入互联网时单片机将该点置位高电平进入正常模式.

图5 ESP8266-01S模块电路

3 软件设计

软件流程如图6所示. 米桶桶盖打开时，霍尔传感器使能整机电源电路. 单片机上电后，内部单元初始化，然后拉高PowerHold节点电平使电源持续导通. 进入程序主循环，检测电池电量和库存大米重量. 多次检测大米重量，对比判断是否为取米后的值. 如果否，则返回继续主循环；如果是，则将墨水屏刷新，并将重量值存入EEPROM中. 单片机根据多次取米的数据，预测下次订购大米时间. 单片机通过WiFi模块连接互联网，查询当前北京时间. 按照时间区分早餐、午餐和晚餐，遍历历史数据，推测出一日三餐的大米消耗量，达到预测大米订购时间的效果. 当库存量低于阈值时，连接互联网，将下一次大米送货上门时间传输给供应商. 当开机超过3 min或者完成既定任务后，单片机拉低PowerHold节点关机.

图6 软件流程图

用户须将家中的WiFi ID和密码存入米桶电路中，才能接入互联网. 传统的做法是设计一个设置界面和若干按钮，用户经过繁琐的操作，将两串英文和数字存入电路中. 该做法缺点很多，一方面操作繁琐，另一方面增加了智能米桶的制造成本，不适合按键和屏幕资源少的电器使用. 采用ESP8266-01S模块的AIRKISS功能，可以解决此问题. 长按米桶按键后，单片机发送AT命令迫使ESP8266模块进入AIRKISS模式. 此时，打开手机微信端，登陆支持微信配网的公众号（如“安信可科技公众号”），即可将ID和密码通过特定信道发送给米桶［7］. 每当ESP8266模块上电使能时，会自动连接该WiFi信号. 此功能采用单片机的中断接口来完成，流程图如图7所示.

图7 一键配网程序流程

4 测试与小结

对整机进行了长时间测试，其中部分数据如表1所示. 对连续十天的数据进行分析推测，推测出一日三餐大米消耗量大约为：0. 25 kg，0. 46 kg，0. 49 kg，并成功在6月8日8点03分发送数据到服务器，要求6月8日下午购进大米，与实际情况相符. 最小的检测量为0. 01 kg.

以单片机为核心，设计的这款智能米桶，利用霍尔传感器、称重传感器适时检测大米库存，墨水屏显示读数，达到极低平均功耗的效果.根据大米消耗情况预测补充库存时间，利用WiFi模组接入互联网并通知供应商. 验证试验表明，米桶性能稳定，能有效的预测进货时间，给用户带来方便快捷的使用体验.

表1 称重数据记录