基于称重传感器的物联网应用分析

厦门市诺盛测控技术有限公司 郑思原

垃圾桶的满载情况并不严格取决于时间模式，相反，它有时会迅速充满，有时需要比正常时间更多的时间才能变满。带重量感应的物联网垃圾监控项目是使这一过程更加顺利和高效的创新步骤。基于此，可在垃圾桶下方安装称重传感器，该系统可通过物联网发送垃圾箱的填充水平以及垃圾箱的填充重量。如果垃圾箱没有被填满，但填充物的重量仍然达到了垃圾提升车辆可以装载的极限，那么车辆可以立即驶向该垃圾箱进行垃圾疏散。该系统使用控制器、LCD 屏幕、用于发送数据的WiFi调制解调器和一个蜂鸣器。

物联网指的是一个由相连的物理物体组成的网络，这些物体之间可以相互作用并分享数据，而不需要任何人为干预。它已被正式定义为“信息社会基础设施”，因为物联网使我们能够从各种媒体（如人类、动物、交通工具、厨房用具）收集信息。因此，通过将它们嵌入电子硬件，如传感器、软件和网络设备，物理世界中的任何实体，只要能提供一个IP 地址，允许在网络上传输数据，就能成为物联网框架的一部分。物联网与互联网不同，因为它超越了互联网接入，允许使用嵌入式电路的日常物体和使用的互联网基础设施进行互动和通信。

物联网重量感应垃圾监测使用带有LCD 显示屏的微控制器、可充电电池和太阳能电池板。一个12V 的电源在系统中供电。同样，它与传感器的组合一起工作，即重量单元传感器和超声波传感器，分别显示其重量和不同的水平。超声波传感器将向我们显示垃圾箱中的各种水平，也使称重传感器在达到其阈值水平时向前发送其输出。微控制器进一步得到这些细节，而控制器给发射器模块（WiFi模块）提供细节。接收器部分需要一个手机与WiFi 路由器相连，这样垃圾桶的信息就会显示在手机内部通讯上。

1 称重传感器组成

称重传感器是一种将质量信号转换为可测量的电信号输出的装置。在使用传感器时，首先要考虑实际工作环境，这对正确选择称重传感器非常重要。此外，还关系到传感器是否能正常工作，其安全性和使用寿命，甚至关系到整个称重仪表的可靠性和安全性。根据转换方法，称重传感器分为八类:光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变化式、振动式、陀螺式和电阻应变式。其中使用最广泛的是电阻应变型[1]。

关于重量传感器的一个重要概念是敏感性和准确性。重量传感器的精度可以定义为施加在传感器体上的最小力，它需要引起电压输出的线性和可重复变化。称重传感器的精度越高越好，因为它可以持续捕捉非常合理的力变化。在高精度工厂自动化、手术机器人、航空航天等应用中，称重传感器的线性度是最重要的，以便准确地给PLC 或物联网控制系统提供精确地测量。

2 基于称重传感器的智能垃圾桶设计

在现有的系统中，如果垃圾桶是空的，垃圾将由市政工作人员每天定期收集。正如我们在公共场所看到的那样，由于垃圾的定期增加，垃圾箱已经满了，并产生恶臭，往往会造成空气污染和传播疾病，这可能对人类健康造成损害。为了克服上述问题，已经引入了GPS 设施来寻找垃圾桶的位置和清理垃圾桶。现有系统的缺点[2]是:（1）它需要更多的人力资源来运行该系统；（2）该系统是完全手工操作的；（3）成本高；（4）散发恶臭，可能导致人类生病；（5）不卫生的环境和城市的外观。

本文提出的垃圾桶系统着重于废物收集的过程，它减少了时间的消耗，并且是一个自动化的过程。垃圾桶的状态被持续监测，并通过安卓应用程序将通知发送给指定机构。所提议的系统的优点是:（1）实时的垃圾桶信息；（2）智能服务管理；（3）改善环境质量。

ATmega328 控制器是一块基于Arduino.cc ATmega328微芯片控制器的开源控制器板。该板配备了几组数字和模拟输入/输出（I/O）引脚，可以与不同的板（盾牌）连接，用于扩展和其他电路。该板有14 个数字引脚，6 个模拟引脚，可通过B 型USB 电缆与Arduino IDE（集成开发环境）进行编程。它可以由USB 电缆或外部9V 电池供电，但它接受7～20V 的电压，它与Arduino Nano和Leonardo 也类似。在Creative Common Attribution Share-Alike 2.5 许可下发布，硬件参考设计可以在Arduino网站上找到。ATmega328 预设了一个启动加载器，可以在不使用外部硬件编程器的情况下将新代码上传到它上面。

称重传感器的定义为“在图中显示重量的电子秤所需的重量测量系统”，然而，称重传感器并不限于电子秤的重量测量。称重传感器是一个被动的传感器或感应器，将施加的力转化为电信号，它们也被称为“负荷传感器”。然而，唯一占主导地位的称重传感器是基于应变计的称重传感器。基于应变计的称重传感器被广泛采用的原因是其特点:与其他类型的称重传感器相比，体积小。由于没有移动部件或其他引起摩擦的部件，因此工作寿命长，且由于部件数量少，易于生产。

本文选用的称重传感器模块以HX711 为基础，它是一个24 位模拟-数字精密转换器，旨在直接与桥式传感器接口，用于重量秤和工业控制应用。与其他芯片相比，HX711 不仅具有一些简单的功能，还包括高集成度、快速响应、抗干扰性和其他功能。较低的芯片电子秤的成本，同时提高了性能和可靠性。

ESP8266 Wi-Fi 模块是一个独立的SOC，内置TCP/IP 协议栈，可以为任何微控制器提供Wi-Fi 网络连接。ESP8266 将承载一个应用程序，或从另一个设备处理器中排出所有的Wi-Fi 网络功能。ESP8266 Wi-Fi 模块是一个低成本的组件，制造商用它使模块微控制器无线联网。Wi-Fi 模块ESP8266 是一个具有2.4GHz 范围能力的片上系统，它使用一个32 位的RISC CPU，运行频率为80MHz，并且是基于TCP/IP（传输控制协议）。这是系统中最关键的部分，因为它将进行物联网操作，有64kb的ROM 启动，64kb 的RAM 指令，96kb 的RAM 数据。Wi-Fi 设备通过将能量表的数据发送到一个可以通过IP地址访问的网站来进行物联网操作。TX、RX 引脚与Arduino 微控制器的7 和8 引脚相连。

超声波传感器HC-SR04 使用声纳来测量与物品的距离。这提供了出色的非接触式范围检测，具有很高的精度，并且是一个易于使用的套件，读数可靠。它带有完整的模块超声波发射器和接收器。通过信号发射和接收之间的时间，可以知道一个物体的距离。

LCD 液晶显示器是电子显示模块的一种类型，被广泛用于各种电路和设备，如手机、计算器、电脑、电视机等，这种显示器选择发光二极管和多段配置的七段。使用这种模块的主要好处是价格低廉；简单的可编程、动画以及显示自定义字符，不受限制。一个16 英寸的LCD 有两个寄存器，如数据寄存器和命令寄存器。RS（寄存器选择）主要用于寄存器之间的切换。当寄存器的设置为 “0”时，它被称为命令寄存器；同样，当寄存器设置为“1”时，它被称为数据寄存器。

物联网垃圾监测与重量感应是非常简单和实时的。该项目包括:

（1）基于Atmega328 微控制器的设备，持续监测垃圾；

（2）超声波传感器，跟踪垃圾的水平，4 个传感器被用来监测4 个垃圾箱；

（3）称重传感器模块，用于计算垃圾箱的重量；

（4）用于显示垃圾水平的LCD 屏幕；

（5）WiFi 模块，用于将所有数据上传至网站。

WiFi 模块在设备初始化时与预设的SSID 和PASS WORD 相连。用户必须将SSID 和PASSWORD 设置为路由器或移动热点。在WiFi 连接期间，系统也会计算垃圾桶的高度，并记录所有垃圾桶的高度。此后，系统开始监测所有的垃圾水平，为了提高性能，每次监测垃圾时，都要反复建立WiFi 连接。所有的监测数据都通过网站发送，以便有关人员或市政官员可以在任何地方看到垃圾的水平。当每个垃圾桶装满时，机器会自动播放蜂鸣器，并将LED灯打开，它不断发出蜂鸣器的声音，直到垃圾水平下降。

3 称重传感器常见类型及应用

称重元件或重量传感器是传感器的一种，另一种是传感器。重量传感器的工作原理依赖于将负载转换为电子信号。信号可以是电压的变化；电流或频率取决于负载和所使用的电路。理论上，该传感器检测物理刺激(如力、压力或重量)内的变化，并产生与物理刺激相对的输出。因此，对于特定的稳定负载或重量大小，该传感器提供一个输出值，这是相对于重量的大小。该传感器模块的最佳示例是SEN0160。SEN0160 重量传感器模块基于HX711 ADC；它是一款精确的24 位ADC，专为工业控制和称重秤应用而设计，可与桥式传感器直接连接。与其他集成电路相比，HX711 具有基本的功能，同时具有响应快、集成度高、抗干扰性强等特点。该芯片降低了电子秤的成本，提高了电子秤的可靠性和性能。

没有称重传感器的帮助，目前的道路交通监测是不可能实现的。可用于此目的的传感器范围很广:用于确定车辆速度的传感器，用于确定车辆尺寸(长度、宽度和高度)的传感器，重量接近传感器和摄像机等。用于动态称重的传感器可分为两种类型:侵入式和非侵入式传感器，取决于是否安装在道路上(侵入式)或道路外(非侵入式)，可以安装在柱子上、桥梁、人行天桥、金属箱或安装在道路附近的衣柜中。在合适的接口和专用程序的帮助下，传感器的输出信号被计算机采集和处理。在解码输出信号后，数据通过无线电或电缆传输给有关部门。在不影响交通流通的情况下，对超载卡车进行识别和自动记录。通常，为了确定车辆的更多参数，会在同一位置使用几种类型的传感器，因此，部分道路或桥梁可以像智能技术一样发挥作用(例如可以限制车辆的速度，直到在该部分道路/桥梁上实现停止、偏离或重新启动交通循环)。出于安全考虑，车辆的总载荷对于保护桥梁和基础设施非常重要。过桥车辆的荷载既取决于结构的初始承载能力，也取决于桥梁的退化程度。

在单个测压元件的帮助下，有许多可用于测量稳定重量或任何尺寸的负载的选项。测压元件或重量传感器分为不同类型。重量传感器的应用主要涉及到几种应用中的重量测量。最常用的重量传感器是应变计、电容、液压和气动。

在上述类型的传感器中，前两种是电气换能器设备。它是一种用于检测物理刺激并产生电压作为输出的传感器。其余两个传感器不像电信号那样公开产生输出，但它们可以根据应用条件有自己的O/P。应变计是家用、自动化、医药、汽车等各种行业中最常用的传感器。

4 称重传感器在物联网中的应用发展

称重传感器在高精度工厂自动化、手术机器人、航空航天等领域发挥着重要作用。电容式称重元件既可以测量剧烈变化和巨大的重量，也可以测量非常微小的重量变化，以进行极其精确地测量。称重传感器可以帮助计算电缆、支柱、回接、基础锚或锚杆中的载荷。各种类型的锚定系统进行了测试，并随着时间的推移跟踪其性能。

目前对数字称重仪的需求在增加，因为它可以精确地测量物体的重量。数字称重器在测量物品重量时具有很高的准确性和效率，这给生产者/销售者和购买者带来了满意的结果。传感装置，如传感器称重传感器，被用于模拟体重秤，这些体重计不使用数字处理器，它们以模拟方式进行读取，这些模拟体重秤利用一个旋转的指针旋转。可以基于称重传感器开发一种远程数字称重器，用于测量重量并上传数据，确保数据准确性。

智能体重计只是一个例子，它不仅可以测量体重，还可以测量体脂率和身体质量指数（BMI）。这种功能通常保留给在当地全科医生或健身房进行的专业预约测试。顾名思义，动态称重传感器的工作原理是在物体运动时对其进行称重。例如，考虑到一个车队的情况。与连续秤相比，这种系统由于能够省去中间环节而降低了运行成本，提高了效率，不需要人工操作。

新技术也在整个机械行业出现，装载机现在配备了称重技术，为它们提供了智能助理系统。这些系统旨在防止超载，为操作员提供关于装载过程的宝贵信息，以便卡车每次都能装载正确数量的材料。实现准确、一致的装载的能力正在创造出更有效的系统，生产力也在不断提高。一目了然，机器操作员可以实时看到所有称重数据和建议，以及他们的生产过程和车队的生产力。

5 结论

任何称重系统的核心或基础是称重传感器。称重传感器是传感器，设计用于在广泛的条件下感应力、应变或重量。它们是电子称重系统的一个重要部分。正确的称重传感器或应变仪模块是根据个别应用来选择的。选择是基于成本、位置、精度、所需的称重或传感类型和应用。

本次将称重传感器成功应用到物联网中。主要利用超声波传感器、称重传感器、微控制器和Wi-Fi 实现一个智能垃圾管理系统。该系统确保垃圾箱在垃圾达到最高水平时能很快被清理，如果垃圾桶在合理的时间内没有被清理，记录将被提交给上级部门，上级部门可能会对相关承包商采取适当的行动。这个程序也有助于跟踪虚假报告，可以消除整个管理系统中的腐败，减少了垃圾收集车辆的总行程，从而降低了与垃圾收集相关的整体成本。最后，它有助于维护社会的清洁。因此，智能垃圾管理系统可以更有效地收集垃圾。