基于STM32的设施农业果蔬运输车称重系统设计.pdf

第45卷第1期 2022年1月 河北农业大学学报 JOURNAL OF HEBEI AGRICULTURAL UNIVERSITY Vol 45 No 1 Jan 2 0 2 2 在实际生产中 设施农业种植作物多为果蔬 收获时间较为集中 果蔬易于腐烂变质 1 2 目前 棚种果蔬采摘后先运输到棚外 利用地秤称重后售 卖给菜商 数据记录在纸质账薄上 工作过程比较 繁琐且工作效率低 3 6 通过在运输车上加装称重 系统不仅可以省却一次搬运过程 提高劳动效率 还可以将果蔬的产量信息发送给云平台 为智慧农 业系统的建立提供有力的数据支持 7 9 为此本文 设计了1 种基于 STM32 的设施农业果蔬运输车称重 系统 基于 STM32 的设施农业果蔬运输车称重系统设计 年 贺 1 肖志刚 1 索雪松 1 滕桂法 2 1 河北农业大学 机电工程学院 河北 保定 071001 2 河北农业大学 信息科学与技术学院 河北 保定 071001 摘 要 针对设施农业农产品采摘运输过程费时费力且产量信息收集不准确不全面易丢失的问题 采用 STM32 单 片机 电阻应变式压力传感器 HX711 A D 转换芯片构建了果蔬运输车的称重系统 并利用防脉冲干扰平均滤 波算法实现数字滤波 使用 USART HMI 智能串口屏设计了人机接口 通过 GPRS 模块上传数据 该系统实现 了运输称重一体化 准确全面收集农产品产量信息的功能 关 键 词 称重系统 STM32 数字滤波 人机交互 GPRS 通信 中图分类号 S229 TP274 开放科学 资源服务 标识码 OSID 文献标志码 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 基金项目 河北省重点研发计划项目 20327213D 第一作者 年 贺 1993 男 河北保定人 硕士研究生 从事农业电气化与自动化研究 E mail 1305387197 通信作者 肖志刚 1970 男 河北保定人 副教授 从事农业电气化与自动化研究 E mail xzgie 本刊网址 http hauxb hebau edu cn 文章编号 1000 1573 2022 01 0121 06 DOI 10 13320 ki jauh 2022 0017 122 第 45 卷 河北农业大学学报 1 系统总体设计 称重系统搭载在电动运输车上 通过加装称重 传感器的方式改装车体载物台 使原本只具有运输 功能的运输车兼具称重功能 系统主要由 STM32 人机交互模块 称重模块 GPRS 模块等组成 并 由软件编程实现预期功能 人机交互模块用于显示 所称量果蔬重量以及对果蔬种类和大棚号的选择 称重模块完成对果蔬重量的称量 并将数据传输到 STM32 中 GPRS 模块将设备接入网络 传输果蔬 信息至云服务器 系统的框图如图 1 所示 称重 模块 STM32 人机交 互模块 GPRS 模块 云服 务器 图 1 系统框图 Fig 1 System block diagram 2 系统硬件设计 硬件电路连接图如图 2 所示 三号 5 V 5 V 5 V 5 V 5 V 5 V 一号 二号 四号 图 2 系统硬件连接图 Fig 2 System hardware connection diagram 硬件部分主要包括供电模块 STM32 主控制器 模块 GPRS 模块 称重模块 人机交互模块 供电电源采用运输车24 V 动力电源 通过 LM2596S 型降压模块降压至5 V 直接与人机交互 模块 称重模块 GPRS 模块电源端连接供电 与 STM32 主控制器模块5 V 电源输入端连接 通过开 发板内置 AMS1117 3 3 型线性稳压芯片将5 V 电压 转换为3 3 V 供电 10 主控制器模块采用ALIENTEK MiniSTM32 开 发板 板载芯片为 STM32F103RTC6 型 GPRS 模块采用 Air800 模块 通过串口方式进 行通信 将 Air800 模块的 TXD RXD 引脚分别接 到 STM32 的 PA3 PA2 引脚 称重模块采用 YCD 100 kg 压阻应变式压力传 感器与 HX711 型 24 位 A D 转换芯片 压力传感器的电阻应变片将被测件上的应变 信息转换为电信号 A D 转换芯片接受电信号并 将其转换为二进制数字信号传输给 STM32 主控制 器 11 13 YCD 100 kg 压力传感器主要技术参数 综合误差0 02 F S 安全过载范围150 使用温 度范围 20 80 称重传感器个数根据称重系统用途 秤体需要 的支撑点数确定 秤体的支撑点与传感器应具有 一一对应关系 14 对本系统中的长方形载物台 考虑载物台机械结构的稳定性 设计4 个支撑点 采用4 个称重传感器 按中心对称和轴对称原则安 装在称重台面下方实现称重 15 传感器摆放位置 如图 3 所示 1 号 3 号 2 号 4 号 图 3 传感器安装位置 Fig 3 Sensor installation location 将 4 片 HX711 的 SCK 引脚分别接在单片机 的 PB1 PB13 PB5 PB7 引脚 DOUT 分别接在 PB2 PB14 PB6 PB8 引脚 人机交互模块使用5 寸基本型 USART HMI 智 能串口屏 该屏为800 480 像素4 线精密电阻式触 摸屏 并添加了 GB312 型字库以及相应背景图片与 各种组态控件 设计人机交互界面 利用 STM32 的 USART1 实现串口屏与主控模块的信息交互 将串 口屏的 TXD RXD 引脚分别接到 STM32 的 PA9 PA10 引脚完成硬件连接 123 第1期 年 贺 等 基于 STM32 的设施农业果蔬运输车称重系统设计 3 系统软件设计 软件设计包括主控芯片 STM32 嵌入式的软件设 计和人机交互模块USART HMI串口屏的软件设计 串口屏软件设计在 USART HMI 开发环境中进行 实现数据显示与信息输入等人机交互功能 STM32 软件设计采用 C 语言在 keil5 集成环境下进行基于 标准库的开发 通过移植 FreeRTOS 操作系统实现 实时数据处理和实时控制任务 3 1 数字滤波算法 称重系统使用压阻应变式压力传感器 对所称 量物品的重量值进行数据采样 采集过程是先将 压力信号转换为电信号 再将电信号转换为数字信 号 16 在信号转换过程中由于硬件电路本身或多 或少存在不可避免的电磁干扰 17 以及随机噪声 的存在都会影响测量结果的准确性 使用数字滤波 算法排除噪声信号的干扰不但能降低设备的硬件成 本 18 而且只要适当改变滤波算法的参数就能改 变滤波特性 19 本系统采用防脉冲干扰平均滤波法 此方法是 连续采集 H 个数据 将这 H 个数据按大小排序 取 其中间段 h 个值进行算数平均 把得到的算数平均 值作为本次采集到的数据值 既可以剔除噪声信号 又可以对采样数据进行平滑加工 20 21 原理表示 如下 采集数据 X 1 X 2 X 3 X H 数据排序 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 称重模块程序设计 主控芯片采集4 片 HX711 A D 转换芯片的数据 对所采集数据进行软件数字滤波与计算得到称重传 感器初始值 进入程序循环 再次采集称重传感器 数据 利用软件进行数字滤波与计算 本次计算值 减去初始值即为当前所称量物品重量值 3 3 串口屏模块功能介绍 串口屏模块实现的功能 设备上电 时间栏显 示当前时间表示串口屏初始化完成 点击屏幕中棚 号区域出现数字键盘输入当前棚号 种类选择区用 点选按钮来选择果蔬种类 重量显示区显示所称量 果蔬重量 当重量超出本系统准确量程 75 kg 时 系统将调出超重页面提示用户 产量统计界面 用来显示当日所称量每种果蔬的统计值 点击 确 定 按钮将本次称重结果累加至统计值中 同时给 STM32 主控芯片发送数据上传命令 3 4 GPRS 模块程序设计 使用 Air800 模块自带的 TCP 协议与网络连接 GPS 导航系统进行坐标定位 数据传输报文格式为 标识 4 字 节 车 ID 3 字 节 棚 ID 2 字 节 品 种 3 字 节 重量 5 字节 时间 14 字节 地理坐标 13 字节 其 中标识 000 1 开机 000 2 果蔬信息传输 传输过程为 终端登录向服务端发送数据报文 除标识 车 ID 时间 地理坐标其他字段均填默认值 服务 端返回登录确认信息 888 确认收到重量 服务端向终端返回 999 当用户点击屏幕上确定键 确定记录此次称 重数据时 STM32 主控芯片通过调用 Air800 模块将 此数据传送至云平台 4 系统功能测试 4 1 压力传感器特性测定 通过对每个压力传感器分别施加不同的重量值 读取 HX711 芯片 A D 转换后的输出值 分析所施加 重量值与输出值之间的关系得出每个压力传感器的 特性 本称重系统量程设定为75 kg 称重台面将所 称量物品的重量分散到各个传感器 重量值从0 kg 开始每隔1 kg 逐次累加至50 kg 为避免硬件可能产 生的噪声信号或实验过程中其他偶然因素产生的噪 声信号影响实验结果 对每个重量值的输出信号采 样 60 次 用防脉冲干扰平均滤波法处理采样值后确 定 HX711 芯片 A D 转换后的输出值 利用实验所得 数据拟合出传感器的输出特性 各个传感器所承载 重量值与输出值为线性关系如图4 所示 得出由传 感器输出值转换为重量值的计算参数如表1 所示 124 第 45 卷 河北农业大学学报 输出值 10 6 数值 Output 输出值 10 6 数值 Output 号传感器 号传感器 号传感器 号传感器 重量值 kg weight 重量值 kg weight 重量值 kg weight 重量值 kg weight 输出值 10 6 数值 Output 输出值 10 6 数值 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 图 4 拟合曲线 Fig 4 Fitted curve 表 1 拟合参数 Table 1 Fitting parameters 传感器 Sensor 一号 No 1 二号 No 2 三号 No 3 四号 No 4 线性模型 f x p1 x p2 f x p1 x p2 f x p1 x p2 f x p1 x p2 系数 p1 5 249 10 5 4 898 10 5 4 207 10 5 4 749 10 5 95 置信区间 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 系数 p2 444 8 413 9 357 4 401 3 95 置信区间 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 确定系数 0 999 9 1 000 0 1 000 0 1 000 0 调整 R 2 0 999 9 1 000 0 1 000 0 1 000 0 拟合标准差 0 107 50 0 041 11 0 045 41 0 043 57 4 2 滤波流程分析 由于本称重系统是由4 个压力传感器共同完成 重量信号的采集 每个传感器的输入输出特性均为 线性 由原始数据获取重量值的方式可有2 种 方 式一 先滤波后线性变换 各传感器分别使用滤波 算法处理所采集到的原始数据 将滤波后所得数据 值代入各传感器的特性方程进行线性变换 然后将 各传感器所获取的重量值相加得到本次称量物品的 重量值 方式二 先线性变换后滤波 将各传感器 采集到的原始数据代入各传感器的特性方程进行线 性变换 然后相加进行数字滤波 最后得出本次称 量物品的重量值 此法只进行了一次总的数字滤波 较方式一中每个传感器都进行一次数字滤波节约了 3 次滤波时间 又由下式 1 可知各线性变换公式 中的常数 b 合并为1 个总的常数 B 在线性变换 时暂时略去常数 b 只对采集到的原始数值进行乘 系数的线性变换 将此过程称之为拟线性变换 待 到滤波结束后 再在滤波所得结果上加总常数 B 得 到本次称量物品的重量值 这样又节约3 次加常数 的时间 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 为单线程控制器 顺序查询接 收 A D 转换器芯片 HX711 传输的数字信号 采样 过程为轮询4 片 HX711 A D 转换芯片 H 次 即定 义的采样次数 将每次轮询结果均存入4 行 H 列 125 第1期 年 贺 等 基于 STM32 的设施农业果蔬运输车称重系统设计 的二维数组中 4 片 A D 转换芯片 H 次轮询 对 于滤波流程方式一 先滤波后线性变换 先将二 维数组的每个行向量数值排序 取 h 个中间值 即 剔除噪声信号后剩下的采样值 的算数平均值 再 对每个行向量所得算数平均值进行线性变换 然后 将 4 个经线性变换的算数平均值相加得重量值 在 实际称量物品时4 个压力传感器共同承载重物 但 并不能保证重量均分到每个压力传感器 并且可能 存在所称量物品轻微晃动的情况 这样在1 个行向 量中存在的最大值或最小值并不是噪声信号 而方 式一的滤波流程会将这样的采样值剔除出去 从而 降低了测量值的真实性 滤波流程方式二 先线性 变换后滤波 将行向量中数据根据每个传感器的 特性先做拟线性变换 然后将二维数组中拟线性变 换后的列向量数值对应相加 对每次轮询结果求和 后再进行数字滤波 可弥补方式一中可能剔除有效 数据的缺陷 因此本系统采用方式二滤波流程 滤 波流程图如图5 所示 方式一 方式二 图 5 滤波流程图 Fig 5 Filter flow chart 4 3 整体功能测试 称重范围是0 75 kg 精度为0 05 kg 车体如 图 6 所示 图 6 运输车 Fig 6 Carrier vehicle 将采样点数设定为30 滤波后剩余采样点设 定为10 在实际应用场景中进行测试并与标准秤 进行对比 测试结果如表2 所示 最大绝对误差为 0 04 kg 满足精度要求 表 2 称重模块测试 Table 2 Weighing module test 实际重量 kg Actual weight 测量重量 kg Measure weight 绝对误差 kg Absolute error 百分误差 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 人机交互模块能够实现与 STM32 主控模块的通 讯功能 完成交互任务 人机交互模块测试结果如 图 7 所示 打开服务器数据接收软件监听端口 通 过 Air800 模块将本系统与服务器连接 在本系统与 服务器达成握手协议后进行通讯测试 数据成功传 输至服务器 数据接收软件监听端口接收结果如图 8 所示 kg 图 7 人机交互界面 Fig 7 Interactive interface 126 第 45 卷 河北农业大学学报 图 8 网络上传测试 Fig 8 Network upload test 5 结论 本文设计了1 套与运输车相结合的果蔬称重系 统 该系统以 STM32 控制器为核心 以24 位 A D 转换芯片采集称重传感信号 根据传感元件的线性 特性确定滤波流程 采用防脉冲干扰平均滤波算法 进行数字滤波 该称重系统可实现果蔬重量数据的 实时显示与数据上传至云平台等功能 通过在设施 温室大棚现场试验验证 所设计的系统安全可靠 满足实际精度需求 可在设施农业中进行推广应用 参考文献 1 骆飞 徐海斌 左志宇 等 我国设施农业发展现状 存在不足及对策 J 江苏农业科学 2020 48 10 57 62 2 隋斌 张庆东 张正尧 论乡村振兴战略背景下农业 工程科技创新 J 农业工程学报 2019 35 4 1 10 3 李天来 许勇 张金霞 我国设施蔬菜 西甜瓜和食用 菌产业发展的现状及趋势 J 中国蔬菜 2019 11 6 9 4 李佳 李瑞正 丁黎明 基于物联网架构的智慧农业 及发展建议 J 农业工程 2019 9 10 56 58 5 高万林 张港红 张国锋 等 核心技术原始创新引领 智慧农业健康发展 J 智慧农业 2019 1 1 8 19 6 Hassina Ait Issad Rachida Aoudjit Joel J P C et al A comprehensive review of Data Mining techniques in smart agriculture J Engineering in Agriculture Environment and Food 2019 12 4 511 525 7 汤建华 陈树人 花银群 等 称重传感器在精准农业 装备中的应用研究综述 J 江苏大学学报 自然科 学版 2018 39 5 543 549 8 LI Yong GAN Xinling Science and technology innovation promoting the development of intelligent agriculture in Shandong province J Asian Agricultural Research 2019 11 8 71 72 76 9 Lin Shi Guicheng Shi General review of intelligent agriculture development in China J China Agricultural Economic Review 2019 11 1 39 51 10 薛明姬 刘佳 基于单片机构建智慧农业无线传感器 网络 J 南方农机 2019 50 8 4 11 赵云 李振 李海枫 等 基于51 单片机电子秤重量 报警系统 J 软件 2020 41 4 88 92 12 葛海江 基于 HX711 的高精度电子称重研究 J 电 子测试 2019 10 31 32 13 于飞 李擎 员乾乾 基于 HX711 的电子称设计 J 传感器世界 2016 22 12 33 36 14 董小宁 基于 STM32 的奶牛动态称重系统研究 D 济南 山东农业大学 2017 15 雷欧 田文杰 陈福彬 大量程低成本高精度便携式 电子称重系统 J 压电与声光 2018 40 4 574 577 16 刘泽玲 周智荣 张伟 基于 STM32F407 的畜牧车配 料称重仪表的设计 J 自动化与仪表 2019 34 6 87 90 95 17 张萍 张志刚 基于电阻应变传感器的高精度数 字化称重测量系统设计 J 自动化与仪器仪表 2018 10 83 86 18 黄启锋 郭丽花 林有希 等 单片机控制系统软件抗 干扰方法的研究 J 中国农机化学报 2016 37 2 214 217 222 19 陈旭 张雯雯 关于单片机应用系统抗干扰技术的分 析 J 数字通信世界 2019 9 75 76 20 Kong LingJie Design and realization of distributed wireless temperature detection system based on Zigbee technology J Australian Journal of Electrical and Electronics Engineering 2020 17 11 1 9 21 伍灵杰 数据采集系统中数字滤波算法的研究 D 北京 北京林业大学 2010 责任编辑 张月清