手機WiFi熱點的電子秤自動質監系統設計※

王贊森，馬維華

（南京航空航天大學 計算機科學與技術學院，南京 210016）

引 言

本文設計了一種以LPC1100為主控制器，使用HLKRM04無線芯片的電子秤質監模塊，連接到手機WiFi熱點建立的局域網，直接將質監數據發送至手機，手機還可以與電腦互聯，對質監數據進行匯總處理，實現自動化質監。

1 總體設計

1.1 基本原理

通用電子秤內部都會提供標準的RS232接口，通過這個接口，可以獲取電子秤稱重數據，這就為自動化質監提供了可能，設計一個質監模塊嵌入電子秤內，將電子秤實時數據通過無線芯片HLK－RM04發送至手機中。這個過程需要一個無線局域網，這個無線局域網由用戶手機WiFi熱點建立。質監模塊在電子秤通電開始工作時自動運行，不斷檢測質監人員的手機無線網絡，一旦檢測到無線網絡的存在，自動建立TCP連接，與手機建立聯系，按手機發送的指令檢測標準砝碼的重量，并將檢測結果回送至手機中，質監員就可以隨時高效率方便地同時檢測多臺電子秤，并且質監員回到質監局后，可以將手機上記錄的數據傳送至電腦，進行匯總處理。質監系統整體示意圖如圖1所示。

圖1 質監系統整體示意圖

1.2 質監模塊組成

整個系統由若干個質監模塊和一部智能手機組成，共同組成全自動的質監系統，實現對多臺電子秤同時質監。質監模塊由Cortex－M0系列LPC1100主控制器、HLKRM04無線芯片、變壓電路、RS232轉化電路、按鍵電路、指示燈等模塊組成，如圖2所示。

圖2 質監模塊總體方案框圖

上電復位后，主程序開始運行，首先向 HLK－RM04無線芯片發送信號，使它進入AT＋指令集設置模式，進行初始化設置，包括需要連接的無線局域網的名稱和密碼、啟動DHCP、主設備的IP和建立TCP連接的端口號等，設置完成后，重啟無線芯片，無線芯片不斷查找指定的局域網，找到后自動連接，而主程序一直監聽，如果質監員要檢測電子秤，就會打開手機WiFi熱點，建立無線局域網，并在電子秤上放置標準砝碼，無線芯片檢測到該網絡會自動連接上，質監員通過手機質監程序發送開始質監的指令，主程序收到后，會開始與電子秤RS232接口進行通信，將電子秤測出的數據發送至質監員手機，至此該電子秤的質監工作完成。

2 硬件設計

2.1 質監模塊

質監模塊MCU從電子秤RS232接口獲取數據，經過處理后，通過UART串口發送至模塊上的WiFi芯片，由WiFi芯片將數據通過無線網發送至質監人員的手機。MCU選用基于第二代ARM Cortex－M0內核的微控制器LPC1100，它是32位微處理器，具有高性能，低功耗的優點。

2.1.1 WiFi控制電路

WiFi控制電路用來連接WiFi芯片和MCU，實現兩者之間的數據傳輸，以及MCU對WiFi的控制。質監模塊選用的WiFi芯片是是海凌科電子新推出的低成本嵌入式UARTETH－WiFi（串口－以太網－無線網）模塊 HLK－RM04。HLK－RM04實現了無線網和串口之間的轉換，MCU可以通過對串口操作實現WiFi芯片的配置、無線通信的目的。WiFi控制模塊主要是將 MCU的 UART＿TX、UART＿RX與 HLK－RM04的對應的引腳相連，實現兩者之間串行異步通信。SW1與SW2是按鈕開關，給HLK－RM04提供重新啟動和恢復出廠設置這兩個信號。WiFi外圍控制電路圖如圖3所示。

圖3 WiFi外圍控制電路圖

2.1.2 電源模塊電路

電子秤的RS232接口采用主動供電式，即電子秤利用RS232中兩根功能性引腳為外設提供電源，本文中質監模塊就是利用這兩根引腳供電，使用一個電壓轉換電路，把電子秤提供的電壓轉化為＋5V和＋3.3V，分別為HLK－RM04和LPC1100供電。

2.2 手機模塊

手機模塊可以直接使用任意一款安卓操作系統，自帶WiFi熱點的手機。直接下載質監程序就可以作為質監人員的質監工具。

正常情況下，能夠穩定運行的無線AP一般是無線路由器，但是在本系統中，需要測試的對象可能是全市所有的電子秤，不可能在每個測試地點放置無線路由器，也不能夠隨身攜帶路由器使用。最好的辦法是使用手機充當無線AP，將數據采集和無線局域網這兩種功能合二為一，這將帶來極大的便利。但是手機作為便攜式設備，又是電池供電，能不能長時間穩定地充當無線AP呢？本文以HTC one型號手機為例進行可行性分析，用手機建立熱點，即創建無線局域網，在電腦上運行WireLessMon獲取無線網的強度信息，不斷改變手機和電腦的距離，繪制如圖4所示的無線局域網信號強度圖。理論上無線信號強度超過－70dBm就可以建立連接，但是為了更好的通信質量，選取在大于－60 dBm時通信，從圖4中可以看出，最佳覆蓋范圍是手機為中心，半徑5m的圓形區域。

圖4 手機WiFi熱點無線信號強度－距離圖

就一般農貿市場而言，半徑5m可以覆蓋好幾個攤位，完全能夠支持多臺電子秤同時測試。測試過程中，手機滿電狀態可以連續開啟WLAN熱點2小時以上，實際使用過程中，在不用的時候可以暫時關閉熱點，完全能滿足使用的需要。

3 軟件設計

3.1 質監模塊

3.1.1 總體流程圖

軟件總體的流程如圖5所示，上電啟動后，首先檢查各部分是否正常工作，主要是看電子秤能否正常通信，還有WiFi模塊是否正常工作，如果出現異常，則對應的指示燈顯示為紅色。然后調用WiFi子程序對WiFi模塊進行配置，初始化完成后重新啟動WiFi芯片，以便配置生效。重啟后，WiFi模塊將不斷搜索手機熱點，如果搜索完畢會自動進行連接，并與手機建立TCP連接，主程序進入監聽階段，采用被動應答的方式，循環監聽WiFi收到的指令，并對當前的指令進行解析和回復，同時開啟定時器，如果一段時間沒有收到手機發送的心跳包，主程序默認測試結束，重新進入開始階段。

圖5 質監模塊總體流程圖

3.1.2 WiFi配置子程序

HLK－RM04芯片提供UART接口與 MCU進行通信，通過該接口，MCU既可以對HLK－RM04進行配置也可以收發無線網的數據。MCU采用AT指令集的方式配置HLK－RM04，將配置的參數數據寫成一段固定的配置字符串，主控制器給HLK－RM04發送一個ES／RST信號使其進入AT指令集模式，MCU可以直接將配置字符串通過UART端口發送給HLK－RM04。

質監模塊中，HLK－RM04的功能是尋找質監人員手機WiFi熱點并連接，與手機建立通信鏈路。這個過程可以分為以下幾部分：

① 質監模塊的HLK－RM04搜素指定名稱的WiFi網絡，并嘗試連接。

② 連接完成，說明質監模塊已經和質監人員的手機處于同一個無線局域網內。

③ 需要使手機和質監模塊能夠相互通信，本文中采用建立TCP連接的方式。

④HLK－RM04作為TCP連接的客戶端，主動向手機發起TCP連接。

⑤ 手機端作為TCP服務端，開啟監聽，并采用多線程的方式同時與多個HLK－RM04連接。

由此可見，配置字符串的內容主要包括WiFi熱點的用戶名＋密碼、HLK－RM04的IP地址分配、以及TCP連接相關信息。HLK－RM04的IP地址分配采用動態分配方式，即啟動DHCP協議，動態為每個連接在WiFi網絡中的HLK－RM04動態分配IP地址，這樣可以避免出現重復IP的情況，更加靈活方便。因為手機WiFi建立的無線網段是192.168.137.0，所以手機的IP地址固定是192.168.137.1，HLK－RM04作為客戶端只要固定設置 TCP服務器地址為192.168.137.1即可。

配置的子程序略——編者注。

3.1.3 質監模塊與電子秤通信

質監模塊通過電子秤提供的RS232接口與電子秤進行通信，質監模塊發送請求，電子秤將標簽信息發送給質監模塊，標簽信息是在電子秤中預先設置好的一系列數據，比如重量、價格、商家名稱、電子秤號、條形碼等。電子秤在稱重完成后，會打印出本次稱重的標簽信息，所以質監模塊可以通過獲取電子秤的標簽信息來提取質監所需的有效數據。

3.1.4 質監模塊與手機通信

通信雙方，無線模塊采用被動應答的方式，被動接收手機發送的指令，并對指令解析、回復，而手機采用主動發送指令的方式。手機發送的指令格式如下：

________IP 地址 指令_________

無線模塊應答指令格式：

__IP 地址 指令 參數個數 參數____

其中IP地址部分采用4字節，指令采用單字節，參數個數單字節，每個參數占用4字節。指令共包括開始、心跳包、獲取電子秤信息、獲取重量、結束、保留信息這6種，因為采用了TCP可靠傳輸方式，所以不需要校驗。其中保留信息格式和其余5個信息格式略有不同，指令功能表如表1所列。

02指令是心跳包，手機每隔一段時間會發送一個心跳包給質監模塊，使質監模塊知道手機是否正在進行質檢，如果指定時間沒有收到心跳包，無線模塊默認質檢已經結束，就會回到主程序開始處重新執行，等待新一輪的質檢。

表1 通信協議功能表

03指令是獲取電子秤的商店編號和電子秤號，這個可以用來準確定位每一臺電子秤，因為自動化質監系統支持同時質監多臺電子秤，所以要能夠準確方便的定位每一臺連接到熱點的電子秤。

本文中采用商店編號＋電子秤編號的方式來定位電子秤，每個商店都有唯一的編號，并商店中的電子秤都有一個編號，將商店編號和電子秤編號做成一個標簽，貼在電子秤上，并且事先對電子秤設置好商店號和電子秤號，以供質監模塊獲取，如圖6所示。

多個電子秤質監模塊連接到手機時，手機端可以看到當前所有連接至手機WiFi網絡的電子秤列表，并且顯示出每臺電子秤的商店編號＋電子秤編號，與電子秤上的便簽對應，便可方便準確地定位每一個電子秤列表項所對應的電子秤。

圖6 電子秤定位示意圖

該電子秤列表會顯示在手機上，供質監員選擇，比如質監員選擇了列表項1（00000012＋01），該項對應編號為00000012的商店中1號電子秤，放置一個標準砝碼在該電子秤上，點擊開始質監，手機會發送命令給該電子秤，電子秤嵌入的質監模塊會讀出當前的數據，并通過WiFi發送至手機，記錄于文件中并顯示給質監員，表示本次質監完成。當然質監員可以對列表中所有電子秤都放上砝碼，同時測試列表中所有電子秤。

06指令是保留信息，這個指令是為了傳輸某些比較復雜或者協議設計前沒有考慮到的數據，是對前5條指令的擴展，它的格式是IP地址＋指令＋數據長度＋數據，對于該條指令而言，傳輸的數據是沒有固定格式的，換而言之該指令可以傳輸任何需要的數據，而手機接收了之后可以將數據作進一步解析。

3.2 手機端及后續處理程序

質監時，質監員在對應的電子秤上放置標準砝碼，用手機接收電子秤質監模塊發送的數據，并將數據以固定的格式存放于文件中，可以根據需要多測幾次，至此，現場的質監工作完成。

回到質監局，將手機連接到質監局的無線路由器上，將數據文件發送至電腦端，并對各個質監員提供的數據文件進行匯總，集中處理，并將最終結果存放于數據庫中，同時將匯總后的質監數據備份保存。

結 語

本文設計的自動化質監系統能夠方便高效地協助質監人員完成任務，只需要對現在使用的電子秤作改裝，嵌入一個質監模塊，任何一款支持WiFi熱點的安卓手機都可以充當質監工具。

手機集質監無線網的AP和數據采集終端兩大功能于一身，充分發揮了智能手機的能力，實現了質監系統最簡化，大大降低了硬件的復雜度，把大部分工作量轉移到軟件方面，能夠降低成本，更符合實際。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

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