基于单片机的货架称重系统研制

　　摘 要

　　近年来国内物流业的迅速发展，货运的物流量不断增大，使得货物的仓库管理问题层出不穷，既有仓库管理设备很难满足新时代的物流需求。传统模式下以人力来进行仓库货物的数据统计很容易会造成管理数据的出错和延迟，导致了仓储管理效率不高，而智能货架作为一种计算机技术和互联网技术在仓储方向上的产物，正在逐步取代传统的货架。基于互联网技术改进的称重货架能够提高仓储效率，实现货物计件和货位管理功能。目前在国内的物流行业被广泛使用。

　　本课题是受企业方面委托的项目，其主要目的是通过对仓储货架进行改进，实现对仓库中物流信息自动采集和上传功能，并且要求改进方案能够适应各种大小的仓储货架。本文在充分调研了国内外应用在物流检测方面智能货架应用的基础上，结合本课题的技术指标，最终研制了通过实时检测货架上方货物重量来获得物流信息的货架称重系统，并且本称重系统通过分离式称重传感器电桥的设计，能够对各种规格的货架进行货架称重系统的安装，增强了系统的兼容性。

　　本课题通过对委托方提出的技术指标及设备使用环境进行分析，确立了将重量检测技术和云技术相结合的货架称重系统总体设计方案，并且进行了系统功能、整体结构和工作流程的设计。在硬件部分首先进行了主控芯片的选型和最小系统的设计，并在满足系统工作需求的前提下对最小系统进行最精简的设计，以减少电量消耗，然后进行了数据采集模块和通信模块的硬件选型和结构设计，最后将除了网关和外接的传感器之外的所有电路集成到了一块板子上，进一步减少了系统的占用体积。软件部分采用 C 语言对单片机进行编程，在对软件系统功能进行设计之后，对系统功能进行软件层面上的设计实现。实现了对重量、温度数据的自动采 集功能和状态判断的软件实现，并通过单片机程序将采集到的数据和状态以数据包的形式上传到云平台，同时设计了数据帧，可以实现云平台对指定货架的物流信息查询功能。另外还通过软件设计减少了系统工作过程中的功耗，延长了系统的使用时间。并在标定过程中采用了精度更高的电子秤对本课题设计的货架称重系统进行了重量检测函数标定，提高了本系统重量检测的准确性。

　　最后，对本课题设计的货架称重系统进行系统搭建、称重标定和功能测试，实验结果表明本课题设计的货架称重系统测试结果具有重复性，而且重复性检测的称重误差小于 0.1kg,完成了本课题技术指标的相关要求，同时在地下室的通信测试也证明了智能货架和云平台的无线通信拥有通信距离远、透传性能好等优点。

　　关键词：智能货架；单片机；无线通信；云平台

Abstract

　　In recent years, with the rapid development of domestic logistics industry and the continuous increase of cargo flow, the problems of cargo warehouse management emerge one after another. The existing warehouse management equipment is difficult to meet the logistics needs of the new era. Under the traditional mode, the data statistics of warehouse goods by manpower is easy to cause errors and delays in management data, resulting in low efficiency of warehouse management. As a product of computer technology and Internet technology in the direction of warehousing, intelligent shelf is gradually replacing the traditional shelf. The weighing rack improved based on Internet technology can improve the storage efficiency and realize the functions of piece counting and location management. At present, it is widely used in the domestic logistics industry.

　　This subject is a project entrusted by the enterprise. Its main purpose is to realize the automatic collection and upload function of logistics information in the warehouse through the improvement of storage shelves, and the improvement scheme is required to be able to adapt to storage shelves of various sizes. Based on the full investigation of the application of intelligent shelf in logistics detection at home and abroad, combined with the technical indicators of this subject, this paper finally develops a shelf weighing system to obtain logistics information by detecting the weight of goods above the shelf in real time, and the weighing system is designed through the bridge of separated weighing sensor, It can install the shelf weighing system for shelves of various specifications, which enhances the compatibility of the system.

　　Through the analysis of the technical indicators and equipment use environment proposed by the client, this paper establishes the overall design scheme of the shelf weighing system combining weight detection technology and cloud technology, and designs the system function, overall structure and workflow. In the hardware part, firstly, the selection of the main control chip and the design of the minimum system are carried out, and the simplest design of the minimum system is carried out on the premise of meeting the working requirements of the system to reduce power consumption, and then the hardware selection and structure design of data acquisition module and communication module are carried out, Finally, all circuits except the gateway and external sensors are integrated into one board, which further reduces the occupied volume of the system. In the software part, C language is used to program the single chip microcomputer. After the design of the software system function, the system function is designed and realized on the software level. The software realization of automatic collection function and state judgment of weight and temperature data is realized, and the collected data and state are uploaded to the cloud platform in the form of data packet through the single-chip microcomputer program. At the same time, the data frame is designed, which can realize the logistics information query function of the cloud platform for the specified shelf. In addition, through software design, the power consumption in the working process of the system is reduced and the service time of the system is prolonged. In the calibration process, a more accurate electronic scale is used to calibrate the weight detection function of the shelf weighing system designed in this subject, which improves the accuracy of the weight detection of the system.

　　Finally, the system construction, weighing calibration and function test of the shelf weighing system designed in this project are carried out. The experimental results show that the test results of the shelf weighing system designed in this project have repeatability, and the weighing error of the repeatability test is less than 0.1kg, which meets the relevant requirements of the technical indicators of this project, At the same time, the communication test in the basement also proves that the wireless communication between intelligent shelf and cloud platform has the advantages of long communication distance and good transmission performance.

　　Key words: intelligent shelf; singlechip; Wireless communication; Cloud platform

目录

　　1 章 绪 论

　　1.1 课题的背景及意义

　　在如今国内，中国的物流行业[1]迎来了高速稳步增长的新阶段，这一变化推进了我国在智能仓储技术的革新。仓储技术向智能化方向发展，新零售概念的提出与推广，以及云技术、大数据、互联网等技术的不断革新，使得仓储系统向着低功耗、智能化、高效率方向不断进步。其中货架通过使用新兴技术进行改造，使之能够实现更加多样化的功能，解决了更多仓储方面的疑难杂症。

　　传统的仓库管理模式主要以人力来进行货物的物流数据记录，而随着物流行业的飞速发展，传统管理模式对于企业发展形成了制约。所以人们提出了智能货架这一概念，智能货架[2]应该具备以下要求：能够自动上传物流的数据并在云平台进行存储，能够通过数据库来对某一种货物的存储数量以及存储位置进行查询，能够在云平台对智能货架使用状态进行设置，能够对一些特定情况进行判断和提示。

　　在如今社会的各个领域，都在广泛关注称重货架智能化技术的应用。随着仓储业务量的不断增大，物流行业需要引入更加自动化、信息化和智能化的技术来对传统的制造业进行技术改革以适应发展需要。目前应用物联网技术设计的智能货架能够大大提高仓储效率，并且能够提供自动化的计件和货位管理功能。仓储货架的智能化改进对于物流业的发展进步具有重要意义。

　　1.2 国内外发展现状

　　1.2.1 称重技术发展现状

　　衡器[3]是人们在以物换物的过程中逐渐发展起来的用于重量计量的装置，通常利用弹簧的弹性形变原理和杠杆平衡原理设计制作而成。其中衡器主要由托盘、力学传动结构和用来进行重量检测结果显示的装置（如仪表盘）组成。衡器按照应用的力学结构原理不同可以分为机械秤、电子秤、机电结合秤。

　　第一次世界大战之后由于各个国家经济和科技的迅猛发展，传统衡器难以应对当前的称量需求，人们需要能够进行快速准确称重的设备来提高重量计量效率。

　　在这段时间里机械式电子秤发展迅速，并且对用于重量计量结果显示的读数装置也进行了升级换代，出现了扇形和滚筒型的读数装置，从而对实现了衡器测量范围显示和价格标尺功能的添加。衡器在工业领域的应用中发展出了双摆锤的测量结构，并且设计出了使用指针来进行数据读取的圆形表盘式读数装置，而且还降低了衡器的成本，提高了计量结果的精确性。

　　第二次世界大战之后出现了应用现代电子技术的电子衡器，主要由应用称重原理设计的称重传感器、计量结果显示装置和对整个衡器的控制器械等部分组成。

　　衡器在发展过程中逐步实现了称重设备全电子化，并能够实现更加多功能的重量计量，拓展了衡器的发展空间和应用领域。在二十世纪中期，为了在生产领域实现自动化的重量检测，在衡器的生产制造中引入了电子技术。之后发展出了采用机械技术的重量计量装置和应用电子技术的控制、显示装置，两者之间的有机结合发展出了机电结合式衡器。

　　近 30 年以来，工业现场的定量计量和产品质量检测等工作，大多都应用了基于电子技术原理设计的电子衡器。这类衡器不仅能够完成重量计量功能，而且能够作为称重模块有机结合到工业系统中，完成控制和检验功能，从而可以实现自动化的工业生产流程。电子衡器提高了重量检测的计量速度，拓宽了重量检测范围，并且能够广泛的应用于生产生活的各个领域。

　　在电子衡器中起到主要重量计量作用的称重传感器是整个称重系统的关键，其性能直接影响到整个电子衡器的重量检测能力。因此称重传感器必须要能够实现准确稳定的重量检测功能，以及能够复现对相同重量的物体的检测结果，可以说称重传感器决定了整套电子衡器的重量检测性能。目前我国的标准衡器已经实现了电子化，现在应用于工业领域中的衡器有三分之二应用了电子技术，目前已经实现了对 lug~800t 重量范围内的物体静态检测功能。

　　1.2.2 智能货架发展现状

　　国外的智能货架在应用领域已经形成了完备的产业链。目前比较新兴的技术是将智能货架和图像处理技术相结合，实现存取货物的规范化操作以及实时监测货架上货物存取状况的功能。在信息交互方面，采用了蓝牙技术[4]和工作人员进行通信，工作人员通过终端发送指令来控制智能货架的上锁和解锁，通过这样的设计保证了工作人员只能向指定位置存取货物，不会出现乱取乱放的现象。在实时监测方面，通过货架上配置的高清摄像头来对货架内部进行主动监控，通过 openCV 技 术[5]来判断货架上的货物是否发生了变动，如果从视频流中提取出的相邻两张图片中货物发生了变动，系统立即向货主发送物流变动通知。

　　相比于国外，国内的智能货架技术还处在发展阶段，但是发展十分迅速，而且应用领域十分广泛。

　　采用云技术实现的互动云货架[6]已经被广泛应用于各大领域的实体店，利用多媒体技术实现了消费者和智能管理系统之间的互动。消费者可以通过显示屏和后台进行互动，了解商品的基本信息和查看购买推荐。应用了云技术的智能货架实现了新零售营销的执行系统，而且云货架通过自动检索分析大量客户的购买信息，在客户进行商品选择时进行推荐[7],配合多媒体的产品广告和宣传文案，提高顾客的购买欲求。相比于传统管理模式，减少了人工成本和店铺的场地租金，提高了顾客的服务水平。而且云货架能够从后台的购买数据中抓取出商品的被关注次数和购买次数，从而分析出该商品是否畅销、是否需要增加库存等信息，用来对商品的商业价值进行评估。

　　商品管理用的货架常使用 RFID 技术[8]设计。RFID 技术通过射频识别可以在不接触商品的前提下对商品信息进行识别，通过阅读器对商品以及货架上的纸质标签进行无线射频实现非接触式的数据双向传输。在很小面积的 RFID 标签上可以存储大量的数据，且能够被反复使用。标签上的信息包含货物的生产日期、货物应该存储的位置编号以及货物的存储情况等，通过对货架上的每一件货物粘贴 RFID标签，实现对货架上商品物流信息的实时监控，提高了商品保管的安全性能，并能够实现在货物数量达到一定下限、商品过期、商品摆放位置错误等情况发生时发出警告信息，提示管理员进行相关问题的处理。应用 RFID 技术的智能货架[9]通常采用定时扫描的方式来进行物流数据的更新与存储。

　　采用电子货架标签（ESL）技术[10]的仓储货架，相比于 RFID 技术，ESL 技术省去了 RFID 纸质标签，减少了更换标签的工作量和纸张的使用量，节约环保。通 过虚拟的标签和货架之间进行绑定，在更新数据库数据时，直接通过货架本身携带的电子标签和管理系统进行数据交互，该技术实现了货架与收银台之间物流信息的零误差实时更新。该项技术在国外应用较早，在我国则处于起步阶段，拥有良好的发展前景。

　　应用了传感器检测技术改良的智能货架，其实现功能由使用的传感器类型所决定，常用于实现计件管理和产品质量检测等功能。其中基于称重传感器设计的智能货架通常用于仓库方面[11]的物流信息统计，智能货架实时检测货架托盘上方货物重量并上传至云平台，云平台可以通过上传数据中的智能货架 ID 号在系统数据库中检索到相应托盘放置货物的单件重量，从而根据检测到的重量数据实现物流信息的自动统计功能，进而实现仓库管理员的远程管理仓库的功能。如果货物有所变动，通过互联网技术将消息发送到数据库或者云平台来告知管理员。该项技术广泛应用于仓库存储中，主要用于标准原料的清点，由于实现的功能能够依据传感器的配置而灵活增加，发展前景和应用领域十分可观。

　　1.3 技术背景简介

　　1.3.1 无线通信技术介绍

　　1.3.2 云技术介绍

　　1.4 本论文主要研究内容

　　第 2 章 货架称重系统研制方案及理论

　　2.1 货架称重检测原理及力学理论

　　2.1.1 应变称重法

　　2.1.2 力矩平衡和静不定系统

　　2.1.3 偏载的校正方法

　　2.2 系统总体方案设计

　　2.2.1 系统方案设计

　　2.2.2 系统功能设计

　　2.2.3 系统工作流程设计

　　2.3 系统整体结构设计

　　2.4 本章小结

　　第 3 章 货架称重检测系统研制

　　3.1 硬件系统设计

　　3.1.1 主处理器选型及最小系统设计

　　3.1.2 数据采集模块设计

　　3.1.3 通信模块设计

　　3.2 软件系统设计

　　3.2.1 软件系统功能

　　3.2.2 软件系统的实现

　　3.3 本章小结

　　第 4 章 系统测试及不确定度分析

　　4.1 引言

　　4.2 货架称重系统运行试验

　　4.3 系统误差分析

　　4.4 不确定度分析

　　4.4.1 不确定度的分类

　　4.4.2 不确定度分析

　　4.5 本章小结

结 论

　　本课题从课题的技术指标要求出发，结合所选择的称重传感器的称重原理分析，对货架称重系统进行了功能设计和各个检测模块的具体设计，并且通过硬件连接功能测试和重复性能评估保证了称重结果的重复性。实现了仓库管理员通过云平台实现对仓库中货架物流信息的查看功能，并且通过查询命令来可以实现对指定 ID 号绑定的货架托盘物流信息进行查询，并完成对指定货架称重系统的远程去皮和低功耗模式的设置。满足了本课题技术指标要求，实现了本次设计的顺利完成。

　　本课题设计取得了以下研究成果：

　　（1）完成了货架称重系统的总体方案设计，并对系统所需要实现的功能和系统的工作流程进行了设计，在此基础上进行了完成了系统整体结构的设计，明确了系统的设计思路。

　　（2）对货架称重系统的硬件部分进行了具体的设计，在明确系统的实现功能的前提下进行了器件的选型和电路设计，主要包括对主控芯片及最小系统的设计、数据采集模块的设计和通信模块的设计。通过对上述模块的具体设计，满足了系统的设计指标要求，整个货架称重系统电路结构简单，具有低成本和低功耗的特性，同时支持和云端双向通信。

　　（3）针对于课题的技术要求，通过软件编程结合硬件来进行系统设计的检测功能的具体实现。在本课题中，对软件系统功能进行了具体的设计和单片机编程实现。软件系统主要由数据采集与处理模块、状态判断模块、低功耗控制模块以及通信模块的软件设计组成。并通过对这些模块软件的具体设计和编程，实现了系统的数据采集、状态判断、功耗控制和数据的主动上传和被动检测的功能，进一步降低了系统的功耗，延长了系统的正常工作时间。

　　（4）对设备的硬件和软件部分进行了具体测试，首先确保了通信的顺利进行和硬件电路的稳定连接，随后对系统中称重模块进行标定，并将重量检测函数烧写到单片机中，实现系统的重量检测功能，并满足对不同规格货架兼容的技术指标要求；多次重复对相同货架结构条件下的相同重量货物进行重量检测，保证检测结果的可重复性和稳定性；通过多次的相同货架结构条件下对不同质量货物的数据测试，最终实现重量检测结果误差在±0.1kg,达到了技术指标要求。

　　综上所述，本课题设计的货架称重系统满足课题要求的技术指标。然而在以后的使用过程中，有必要对货架的硬件结构添加传感器附近的调高调角力学结构，实现对偏载误差校正过程的简易化和校正结果的精确化。今后，将会对货架称重系统的设计方案进行进一步的完善。

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致 谢

　　两年的研究生生活即将过去，这两年的时光是无疑我人生历程中的闪光点。在论文的最后，我想要对这两年来给予我帮助与支持的人们表示我衷心的感谢。

　　首先，我要感谢我的导师戴景民教授在这两年中给予我的耐心指导。在毕设论文"基于单片机的货架称重系统研制"的开题，方案设计，实验测试以及最终的论文撰写方面，戴老师给予了我非常大的帮助。在本课题的科研过程中，戴老师对我有很高的期望，我也一直都在为此而努力奋斗。戴老师在科研工作中的言传身教，对于我的科研能力和科研精神的培养和塑造起到了至关重要的作用，也为本课题的顺利完成奠定了基础。戴老师对待工作认真严谨的态度，给我留下了很深的印象，同时也锻炼了我面对项目开发过程中遇到困难时独立思考和动手实践能力，为我今后的工作和学习，打下了坚实的基础。

　　其次，还要感谢孙晓刚教授在日常的工作和学习过程中给予我的帮助，他以深厚的学术造诣、严谨的治学态度在学习和科研上为我树立了榜样。感谢霍老师在项目中耐心的指导，帮我解决了很多在硬件方面遇到的困难，相互之间的交流也让我学到了许多。感谢韩老师在系统测试的过程中对我的极大帮助，不厌其烦的解答我在设计过程遇到的难题。

　　再次，在本课题的设计过程中，有幸得到各位同学们的帮助和鼓励。感谢付文 广学长的认真建议，使我在硬件电路设计中受益颇多。感谢句帅同学在 C 程序设计上给予了我的极大帮助，感谢范乃生同学对课题中面临的主要技术问题的交流和探讨。在论文即将交稿之际，真诚的对他们表示感谢。

　　感谢各位实验室的学长学姐们在我日常学习、生活中提供的诸多宝贵意见和建议。感谢我们自动检测与过程控制系统研究所的各位师弟师妹们，正是因为你们的热情活泼，给日常的实验室生活带来了许多乐趣，祝愿你们找到满意的工作，前程似锦。在此还要感谢我的室友们，感谢你们一直以来的陪伴、支持和鼓励，祝愿你们今后工作顺利，身体健康。

　　最后，我要感谢我的父母对我长久以来的支持，在我遇到困难时给我鼓励，在我面临抉择时给我建议，感谢他们为我付出的一切。

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