基于稱重傳感器的物聯網應用分析

廈門市諾盛測控技術有限公司 鄭思原

垃圾桶的滿載情況并不嚴格取決于時間模式，相反，它有時會迅速充滿，有時需要比正常時間更多的時間才能變滿。帶重量感應的物聯網垃圾監控項目是使這一過程更加順利和高效的創新步驟。基于此，可在垃圾桶下方安裝稱重傳感器，該系統可通過物聯網發送垃圾箱的填充水平以及垃圾箱的填充重量。如果垃圾箱沒有被填滿，但填充物的重量仍然達到了垃圾提升車輛可以裝載的極限，那么車輛可以立即駛向該垃圾箱進行垃圾疏散。該系統使用控制器、LCD 屏幕、用于發送數據的WiFi調制解調器和一個蜂鳴器。

物聯網指的是一個由相連的物理物體組成的網絡，這些物體之間可以相互作用并分享數據，而不需要任何人為干預。它已被正式定義為“信息社會基礎設施”，因為物聯網使我們能夠從各種媒體（如人類、動物、交通工具、廚房用具）收集信息。因此，通過將它們嵌入電子硬件，如傳感器、軟件和網絡設備，物理世界中的任何實體，只要能提供一個IP 地址，允許在網絡上傳輸數據，就能成為物聯網框架的一部分。物聯網與互聯網不同，因為它超越了互聯網接入，允許使用嵌入式電路的日常物體和使用的互聯網基礎設施進行互動和通信。

物聯網重量感應垃圾監測使用帶有LCD 顯示屏的微控制器、可充電電池和太陽能電池板。一個12V 的電源在系統中供電。同樣，它與傳感器的組合一起工作，即重量單元傳感器和超聲波傳感器，分別顯示其重量和不同的水平。超聲波傳感器將向我們顯示垃圾箱中的各種水平，也使稱重傳感器在達到其閾值水平時向前發送其輸出。微控制器進一步得到這些細節，而控制器給發射器模塊（WiFi模塊）提供細節。接收器部分需要一個手機與WiFi 路由器相連，這樣垃圾桶的信息就會顯示在手機內部通訊上。

1 稱重傳感器組成

稱重傳感器是一種將質量信號轉換為可測量的電信號輸出的裝置。在使用傳感器時，首先要考慮實際工作環境，這對正確選擇稱重傳感器非常重要。此外，還關系到傳感器是否能正常工作，其安全性和使用壽命，甚至關系到整個稱重儀表的可靠性和安全性。根據轉換方法，稱重傳感器分為八類:光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變化式、振動式、陀螺式和電阻應變式。其中使用最廣泛的是電阻應變型[1]。

關于重量傳感器的一個重要概念是敏感性和準確性。重量傳感器的精度可以定義為施加在傳感器體上的最小力，它需要引起電壓輸出的線性和可重復變化。稱重傳感器的精度越高越好，因為它可以持續捕捉非常合理的力變化。在高精度工廠自動化、手術機器人、航空航天等應用中，稱重傳感器的線性度是最重要的，以便準確地給PLC 或物聯網控制系統提供精確地測量。

2 基于稱重傳感器的智能垃圾桶設計

在現有的系統中，如果垃圾桶是空的，垃圾將由市政工作人員每天定期收集。正如我們在公共場所看到的那樣，由于垃圾的定期增加，垃圾箱已經滿了，并產生惡臭，往往會造成空氣污染和傳播疾病，這可能對人類健康造成損害。為了克服上述問題，已經引入了GPS 設施來尋找垃圾桶的位置和清理垃圾桶。現有系統的缺點[2]是:（1）它需要更多的人力資源來運行該系統；（2）該系統是完全手工操作的；（3）成本高；（4）散發惡臭，可能導致人類生病；（5）不衛生的環境和城市的外觀。

本文提出的垃圾桶系統著重于廢物收集的過程，它減少了時間的消耗，并且是一個自動化的過程。垃圾桶的狀態被持續監測，并通過安卓應用程序將通知發送給指定機構。所提議的系統的優點是:（1）實時的垃圾桶信息；（2）智能服務管理；（3）改善環境質量。

ATmega328 控制器是一塊基于Arduino.cc ATmega328微芯片控制器的開源控制器板。該板配備了幾組數字和模擬輸入/輸出（I/O）引腳，可以與不同的板（盾牌）連接，用于擴展和其他電路。該板有14 個數字引腳，6 個模擬引腳，可通過B 型USB 電纜與Arduino IDE（集成開發環境）進行編程。它可以由USB 電纜或外部9V 電池供電，但它接受7～20V 的電壓，它與Arduino Nano和Leonardo 也類似。在Creative Common Attribution Share-Alike 2.5 許可下發布，硬件參考設計可以在Arduino網站上找到。ATmega328 預設了一個啟動加載器，可以在不使用外部硬件編程器的情況下將新代碼上傳到它上面。

稱重傳感器的定義為“在圖中顯示重量的電子秤所需的重量測量系統”，然而，稱重傳感器并不限于電子秤的重量測量。稱重傳感器是一個被動的傳感器或感應器，將施加的力轉化為電信號，它們也被稱為“負荷傳感器”。然而，唯一占主導地位的稱重傳感器是基于應變計的稱重傳感器。基于應變計的稱重傳感器被廣泛采用的原因是其特點:與其他類型的稱重傳感器相比，體積小。由于沒有移動部件或其他引起摩擦的部件，因此工作壽命長，且由于部件數量少，易于生產。

本文選用的稱重傳感器模塊以HX711 為基礎，它是一個24 位模擬-數字精密轉換器，旨在直接與橋式傳感器接口，用于重量秤和工業控制應用。與其他芯片相比，HX711 不僅具有一些簡單的功能，還包括高集成度、快速響應、抗干擾性和其他功能。較低的芯片電子秤的成本，同時提高了性能和可靠性。

ESP8266 Wi-Fi 模塊是一個獨立的SOC，內置TCP/IP 協議棧，可以為任何微控制器提供Wi-Fi 網絡連接。ESP8266 將承載一個應用程序，或從另一個設備處理器中排出所有的Wi-Fi 網絡功能。ESP8266 Wi-Fi 模塊是一個低成本的組件，制造商用它使模塊微控制器無線聯網。Wi-Fi 模塊ESP8266 是一個具有2.4GHz 范圍能力的片上系統，它使用一個32 位的RISC CPU，運行頻率為80MHz，并且是基于TCP/IP（傳輸控制協議）。這是系統中最關鍵的部分，因為它將進行物聯網操作，有64kb的ROM 啟動，64kb 的RAM 指令，96kb 的RAM 數據。Wi-Fi 設備通過將能量表的數據發送到一個可以通過IP地址訪問的網站來進行物聯網操作。TX、RX 引腳與Arduino 微控制器的7 和8 引腳相連。

超聲波傳感器HC-SR04 使用聲納來測量與物品的距離。這提供了出色的非接觸式范圍檢測，具有很高的精度，并且是一個易于使用的套件，讀數可靠。它帶有完整的模塊超聲波發射器和接收器。通過信號發射和接收之間的時間，可以知道一個物體的距離。

LCD 液晶顯示器是電子顯示模塊的一種類型，被廣泛用于各種電路和設備，如手機、計算器、電腦、電視機等，這種顯示器選擇發光二極管和多段配置的七段。使用這種模塊的主要好處是價格低廉；簡單的可編程、動畫以及顯示自定義字符，不受限制。一個16 英寸的LCD 有兩個寄存器，如數據寄存器和命令寄存器。RS（寄存器選擇）主要用于寄存器之間的切換。當寄存器的設置為 “0”時，它被稱為命令寄存器；同樣，當寄存器設置為“1”時，它被稱為數據寄存器。

物聯網垃圾監測與重量感應是非常簡單和實時的。該項目包括:

（1）基于Atmega328 微控制器的設備，持續監測垃圾；

（2）超聲波傳感器，跟蹤垃圾的水平，4 個傳感器被用來監測4 個垃圾箱；

（3）稱重傳感器模塊，用于計算垃圾箱的重量；

（4）用于顯示垃圾水平的LCD 屏幕；

（5）WiFi 模塊，用于將所有數據上傳至網站。

WiFi 模塊在設備初始化時與預設的SSID 和PASS WORD 相連。用戶必須將SSID 和PASSWORD 設置為路由器或移動熱點。在WiFi 連接期間，系統也會計算垃圾桶的高度，并記錄所有垃圾桶的高度。此后，系統開始監測所有的垃圾水平，為了提高性能，每次監測垃圾時，都要反復建立WiFi 連接。所有的監測數據都通過網站發送，以便有關人員或市政官員可以在任何地方看到垃圾的水平。當每個垃圾桶裝滿時，機器會自動播放蜂鳴器，并將LED燈打開，它不斷發出蜂鳴器的聲音，直到垃圾水平下降。

3 稱重傳感器常見類型及應用

稱重元件或重量傳感器是傳感器的一種，另一種是傳感器。重量傳感器的工作原理依賴于將負載轉換為電子信號。信號可以是電壓的變化；電流或頻率取決于負載和所使用的電路。理論上，該傳感器檢測物理刺激(如力、壓力或重量)內的變化，并產生與物理刺激相對的輸出。因此，對于特定的穩定負載或重量大小，該傳感器提供一個輸出值，這是相對于重量的大小。該傳感器模塊的最佳示例是SEN0160。SEN0160 重量傳感器模塊基于HX711 ADC；它是一款精確的24 位ADC，專為工業控制和稱重秤應用而設計，可與橋式傳感器直接連接。與其他集成電路相比，HX711 具有基本的功能，同時具有響應快、集成度高、抗干擾性強等特點。該芯片降低了電子秤的成本，提高了電子秤的可靠性和性能。

沒有稱重傳感器的幫助，目前的道路交通監測是不可能實現的。可用于此目的的傳感器范圍很廣:用于確定車輛速度的傳感器，用于確定車輛尺寸(長度、寬度和高度)的傳感器，重量接近傳感器和攝像機等。用于動態稱重的傳感器可分為兩種類型:侵入式和非侵入式傳感器，取決于是否安裝在道路上(侵入式)或道路外(非侵入式)，可以安裝在柱子上、橋梁、人行天橋、金屬箱或安裝在道路附近的衣柜中。在合適的接口和專用程序的幫助下，傳感器的輸出信號被計算機采集和處理。在解碼輸出信號后，數據通過無線電或電纜傳輸給有關部門。在不影響交通流通的情況下，對超載卡車進行識別和自動記錄。通常，為了確定車輛的更多參數，會在同一位置使用幾種類型的傳感器，因此，部分道路或橋梁可以像智能技術一樣發揮作用(例如可以限制車輛的速度，直到在該部分道路/橋梁上實現停止、偏離或重新啟動交通循環)。出于安全考慮，車輛的總載荷對于保護橋梁和基礎設施非常重要。過橋車輛的荷載既取決于結構的初始承載能力，也取決于橋梁的退化程度。

在單個測壓元件的幫助下，有許多可用于測量穩定重量或任何尺寸的負載的選項。測壓元件或重量傳感器分為不同類型。重量傳感器的應用主要涉及到幾種應用中的重量測量。最常用的重量傳感器是應變計、電容、液壓和氣動。

在上述類型的傳感器中，前兩種是電氣換能器設備。它是一種用于檢測物理刺激并產生電壓作為輸出的傳感器。其余兩個傳感器不像電信號那樣公開產生輸出，但它們可以根據應用條件有自己的O/P。應變計是家用、自動化、醫藥、汽車等各種行業中最常用的傳感器。

4 稱重傳感器在物聯網中的應用發展

稱重傳感器在高精度工廠自動化、手術機器人、航空航天等領域發揮著重要作用。電容式稱重元件既可以測量劇烈變化和巨大的重量，也可以測量非常微小的重量變化，以進行極其精確地測量。稱重傳感器可以幫助計算電纜、支柱、回接、基礎錨或錨桿中的載荷。各種類型的錨定系統進行了測試，并隨著時間的推移跟蹤其性能。

目前對數字稱重儀的需求在增加，因為它可以精確地測量物體的重量。數字稱重器在測量物品重量時具有很高的準確性和效率，這給生產者/銷售者和購買者帶來了滿意的結果。傳感裝置，如傳感器稱重傳感器，被用于模擬體重秤，這些體重計不使用數字處理器，它們以模擬方式進行讀取，這些模擬體重秤利用一個旋轉的指針旋轉。可以基于稱重傳感器開發一種遠程數字稱重器，用于測量重量并上傳數據，確保數據準確性。

智能體重計只是一個例子，它不僅可以測量體重，還可以測量體脂率和身體質量指數（BMI）。這種功能通常保留給在當地全科醫生或健身房進行的專業預約測試。顧名思義，動態稱重傳感器的工作原理是在物體運動時對其進行稱重。例如，考慮到一個車隊的情況。與連續秤相比，這種系統由于能夠省去中間環節而降低了運行成本，提高了效率，不需要人工操作。

新技術也在整個機械行業出現，裝載機現在配備了稱重技術，為它們提供了智能助理系統。這些系統旨在防止超載，為操作員提供關于裝載過程的寶貴信息，以便卡車每次都能裝載正確數量的材料。實現準確、一致的裝載的能力正在創造出更有效的系統，生產力也在不斷提高。一目了然，機器操作員可以實時看到所有稱重數據和建議，以及他們的生產過程和車隊的生產力。

5 結論

任何稱重系統的核心或基礎是稱重傳感器。稱重傳感器是傳感器，設計用于在廣泛的條件下感應力、應變或重量。它們是電子稱重系統的一個重要部分。正確的稱重傳感器或應變儀模塊是根據個別應用來選擇的。選擇是基于成本、位置、精度、所需的稱重或傳感類型和應用。

本次將稱重傳感器成功應用到物聯網中。主要利用超聲波傳感器、稱重傳感器、微控制器和Wi-Fi 實現一個智能垃圾管理系統。該系統確保垃圾箱在垃圾達到最高水平時能很快被清理，如果垃圾桶在合理的時間內沒有被清理，記錄將被提交給上級部門，上級部門可能會對相關承包商采取適當的行動。這個程序也有助于跟蹤虛假報告，可以消除整個管理系統中的腐敗，減少了垃圾收集車輛的總行程，從而降低了與垃圾收集相關的整體成本。最后，它有助于維護社會的清潔。因此，智能垃圾管理系統可以更有效地收集垃圾。