基于ESP32的電子秤系統設計

李嘉明　馮建　廖明華　徐操喜

摘要：設計了一種基于ESP32的電子秤系統，通過HX711模塊對稱重傳感器輸出的重量信號進行高精度的模數轉換，轉換后的數字信號供主控芯片ESP32處理，ESP32將稱重數據輸出到OLED屏上顯示，同時上傳至OneNet云平臺，實現每次稱重數據的自動記錄，在需要統計物料出庫情況的應用領域，具有一定的實用及推廣價值。

關鍵詞：電子秤;ESP32;OLED;OneNet;物料出庫

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）12-0216-04

1 背景

電子秤以嵌入式芯片作為主控系統，具有測量精度高、測量速度快、可靠性強、應用面廣等一系列優點[1-2]，逐漸取代了傳統的桿秤，廣泛應用于各種商貿活動中[3-5]。然而，目前市面上常用的電子秤不具備自動記錄稱重數據的功能，無法自動保存從倉庫領取物料的多少，只能通過人工手動記錄稱重后顯示的數值。相對于電子秤自動保存測量稱重數值，人工記錄的方式比較容易出錯，并且不符合智能化的要求。

針對上述問題，結合傳感器技術、嵌入式技術、信息通信技術、云技術，采用MicroPython編寫主控程序，設計一款基于ESP32的電子秤系統。通過對稱重物重量的測量、模數轉換、數據上傳，完成每次稱重數據自動接入中國移動的OneNet物聯網云平臺，包括所稱物料的重量以及出庫時間，相關的倉庫管理人員可以登錄OneNet云平臺查看每次上傳的稱重數據，非常直觀便捷地掌握某物料的領用情況，整個過程無需人工進行數據記錄。本系統對于現有的電子秤產品的改進具有一定的參考價值。

2 系統方案設計

基于ESP32的電子秤系統主要包括稱重傳感器、HX711模塊、按鍵模塊、ESP32主控模塊、OLED顯示屏模塊，系統框圖如圖1所示。本系統上電后進入網絡連接模式，根據預設的WiFi賬號和密碼，接入本地的無線網絡，網絡連接成功后進入稱重模式。在稱重模式下，稱重傳感器檢測所稱物料的重量，轉換成電信號輸出至HX711模塊，主控芯片ESP32不斷讀取由HX711模塊進行模數轉換輸出的數字信號，該數字信號經過ESP32解析后顯示在OLED屏上，所顯示的值便是所稱物料的重量。得到所稱物料的重量后，操作人員按下按鍵模塊中的“S2”按鍵持續2秒，系統進入數據上傳模式，在該模式下，ESP32通過http協議上傳當前稱重數據，同時鎖定當前的稱重數據，不再解析HX711發送過來的數字信號，直至接收到OneNet云平臺確認成功接入數據的響應信息，系統回到稱重模式。若接收到的是上傳出錯的響應信息，則系統不會切換回稱重模式，同時ESP32會驅動蜂鳴器工作，發出警報聲提醒操作人員數據上傳失敗，此時操作人員再次按下按鍵模塊的按鍵“S2”2秒，重新上傳稱重數據，數據上傳成功后，蜂鳴器停止報警。

3 系統硬件設計

3.1 ESP32主控模塊

ESP32可作為獨立系統運行應用程序，也可作為主機MCU的從設備，通過SPI/SDIO或I2C/UART接口提供WiFi和藍牙功能，其引腳電路圖如圖2所示。ESP32性能穩定，工作溫度范圍達到-40℃到+125℃，內部集成了自校準電路，能夠動態調整電壓，并且適應外部條件的變化。本系統選用ESP32作為系統的主控芯片和通信芯片，完成本地數據的分析處理，同時通過WiFi上傳稱重數據至云平臺。

3.2 稱重傳感器

稱重傳感器如圖3所示，屬于電阻應變式壓力傳感器。力敏型彈性元件上粘貼上應變片，當彈性元件因受力產生形變時，導致應變片發生相應的應變，進而轉化成電阻的變化，最后引起內部測量電路輸出電壓的變化。

3.3 HX711模塊

HX711模塊是專為高精度電子秤而設計的，電路圖如圖4所示。主芯片HX711是一款24位高精度的模數轉換器芯片，工作電壓2.6V至5.5V，具有兩路模擬通道輸入，輸出端的時鐘線PD_SCK和數據線DOUT與主控芯片ESP32相連，用于輸出轉換成數字信號的稱重數據。

3.4 OLED顯示模塊

OLED顯示模塊通過I2C接口與主控ESP32芯片連接，接收并顯示ESP32發送的信息，主要有當前的稱重數據、連接WiFi的狀態，用戶可以從OLED屏上顯示的數據獲知當前稱重數據以及系統的聯網狀態。

3.5 按鍵模塊

按鍵模塊用于實現人機交互，其電路圖如圖6所示。當需要上傳稱重數據時，按下按鍵“S2”超過2秒，ESP32的GPIO0引腳檢測到持續2秒的低電平，系統進入上傳數據模式，此時會鎖定當前的稱重數據，直至接收到云平臺返回接入成功的響應信息。當需要切換物料種類時，短按按鍵“S2”，即按鍵“S2”按下的持續時間小于2秒，OLED屏顯示切換后的物料名稱，稱重數據也會上傳到切換后的物料所對應的云平臺數據流中。當遇到運行故障或是網絡連接失敗時，按下按鍵“S1”，系統將會重啟。

3.6 蜂鳴器模塊

蜂鳴器模塊用于聲音報警，提醒操作人員當前稱重數據上傳失敗，其電路圖如圖7所示。圖中的蜂鳴器屬于有源蜂鳴器，使用直流信號即可令其鳴叫。ESP32的輸出引腳連接限流電阻R5后接入三極管Q1的基級，當該輸出引腳為低電平時，三極管截止，蜂鳴器不發出聲響，反之，三極管導通，蜂鳴器持續發出聲響。

4 系統軟件設計

本系統采用Mu作為開發軟件，代碼用MicroPython編寫，程序流程圖如圖8所示。系統上電并初始化后，ESP32開始連接WiFi網絡。若WiFi連接失敗，則在10秒內進行重連，10秒后如果還是連接不成功，OLED屏上顯示“WiFi連接失敗，請重啟系統”，并結束程序運行。

WiFi連接成功后，ESP32接收并解析HX711傳遞過來的稱重數據，并將其顯示在OLED顯示屏上，單位是kg（千克），接著ESP32檢測按鍵“S2”有無被按下，若沒有檢測到按鍵“S2”被按下，則采集并解析新的稱重值，若檢測到按鍵“S2”有被按下，則根據被按下的時長，即相應輸入引腳檢測到的低電平持續時間是否大于2秒，來判斷是進入上傳數據的模式還是切換物料的模式，超過2秒進入數據上傳模式，低于2秒則進入物料切換模式。

數據上傳模式下，ESP32會將當前稱重數據鎖定，并將該數據發送OneNet云平臺，接入協議是http，直至接收到云平臺返回的成功接收的應答信息，ESP32才會解開鎖定的稱重數據，重新獲取新的稱重值，否則將會判定本次數據上傳失敗，并驅動蜂鳴器報警，蜂鳴器響起后須重新進行上傳操作，成功本次稱重數據后蜂鳴器停止報警。物料切換模式下，OLED顯示當前所選的物料名稱，仍然是通過按下按鍵“S2”來觸發物料的切換。

5 系統測試

OneNet是由中國移動打造的PaaS（平臺即服務）物聯網開放平臺，提供數據接入、分析和可視化功能，為企業提供成熟、穩定的物聯網云平臺，幫助開發者輕松實現設備接入與設備連接，快速完成產品開發及部署，提供完善的物聯網解決方案。本系統采用OneNet4.0作為云端接入，接入協議為HTTP，云平臺的配置部署流程如圖9所示。

打開瀏覽器訪問OneNet官網“https：//open.iot.10086.cn/”，首先注冊并登錄賬號，然后進入控制臺，選擇“切換至舊版”，點擊“多協議接入”，在“HTTP”選項欄下添加產品，填寫產品相關信息。產品創建成功后，點擊進入該產品，左側欄點擊“設備列表”，點擊“添加設備”，填寫設備相關信息。設備創建成功后，點擊該設備對應的“詳情”，在設備詳情頁面中點擊“添加APIKey”，云平臺會根據用戶輸入的表單信息生成一串加密字符串，如圖10所示，由圖可知該設備的設備ID和APIKey這兩個關鍵信息，通過設備ID和APIKey，可以唯一地識別云平臺上所創建的設備。接著點擊左側欄的“數據流模板”，添加兩個數據流，數據流名稱分別為“matterA”、“matterB”，單位名稱均為“千克”，單位符號均為“kg”。最后，點擊左側欄的“應用管理”添加應用，在應用編輯器里完成控件與設備數據流之間的關聯，完成后保存并發布該應用。

完成云平臺的配置后，保存設備ID和APIKey對應的值，上傳稱重數據時需要使用上述兩個值，否則不能完成數據上傳操作。ESP32實現HTTP數據上傳需要導入urequest依賴包，通過HTTP的post請求上傳數據至云平臺的核心代碼如下：

headersData = { "api-key"："1ekLTm7pTjmInZ=7QLOgvtmfamU=" }

jsonData = {"datastreams"： [{"id"： "matterA"，"datapoints"： [{"value"： weight}]}]}

response = urequests.post（'http：//api.heclouds.com/devices/678335201/datapoints'，

json =jsonData，headers = headersData）

云平臺的APIKey值賦值給字典類型變量headersData的api-key字段，設備ID的值則替換掉post方法中第一個參數url中的數字部分，字典類型jsonData中包含了數據流名稱和實際稱重數據，其中，“id”字段對應的是數據流名稱，“value”字段對應的是實際稱重數據，實際測得的稱重數據保存在變量weight中。數據上傳成功后，ESP32將會接收到如下的響應信息：

{

"errno"： 0，

"error"： "succ"

}

系統數據上傳測試效果如圖11所示，更改稱重傳感器上的物體重量，分別對“matterA”和“matterB”測試10次。由圖可知，所有測試均成功上傳至云平臺，并無數據在上傳過程中丟失，系統運行穩定。

6 結束語

本文設計的基于ESP32的電子秤系統，能夠檢測物體的重量，ESP32經過換算之后的實際重量顯示在OLED屏上，并通過ESP32自動上傳當前稱重數據至OneNet云平臺，用戶可登錄OneNet云平臺查看每次稱重的重量以及時間。采用本系統進行稱重，無需人工手動記錄稱重數據，數據自動上傳至云平臺存儲。在需要統計物料領用情況的工廠、餐廳等應用領域，相關管理人員可通過查詢云平臺的數據，非常便利地來了解到出庫物料的領用情況，具有一定的實用價值。

參考文獻：

[1] 邱麥迪，任芳，蔣飛.基于STM32的電子稱重系統的設計與實現[J].中國儀器儀表，2020（7）：73-76.

[2] 崔國強，詹寧，羅德雨，等.基于STM32和AD7791實現電子秤設計[J].儀器儀表用戶，2020，27（2）：5-8.

[3] 程麗霞，吳璞.家用智能電子秤設計[J].機械工業標準化與質量，2020（10）：46-48.

[4] 趙云，李振，李海楓，等.基于51單片機電子秤重量報警系統[J].軟件，2020，41（4）：88-92.

[5] 劉嘉慧.基于STC89C52的智能無線稱重系統設計[J].電腦知識與技術，2020，16（14）：103-104.

【通聯編輯：謝媛媛】