丁 磊，陳勁鴻

（廣東工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 廣州 510006）

農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)常見的傳統(tǒng)電子秤計(jì)量和計(jì)價(jià)功能簡(jiǎn)單，在互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天已無法滿足市場(chǎng)的需要.且隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，傳統(tǒng)電子秤在稱重、交易記錄的儲(chǔ)存和統(tǒng)計(jì)方面存在的功能缺失日益顯現(xiàn).近年來，有研究者設(shè)計(jì)出一些新型的電子秤，如利用RFID 射頻識(shí)別模塊[1]或藍(lán)牙模塊[2]對(duì)電子秤數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸，但沒有設(shè)計(jì)相應(yīng)的應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和處理.而一些基于藍(lán)牙2.0 模塊和Android 應(yīng)用的無線電子秤系統(tǒng)[3-4]，則能實(shí)現(xiàn)重量數(shù)據(jù)的處理和儲(chǔ)存.有的研究側(cè)重于提升電子秤的數(shù)據(jù)處理能力，如有一種基于Android 平臺(tái)的收銀秤系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)商品管理、計(jì)價(jià)收銀、交易記錄儲(chǔ)存等的功能[5].

參考上述的研究成果，本文設(shè)計(jì)了一種基于Android 應(yīng)用的新型電子秤.在使用自定義通信接口協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過有線/ 無線的方式實(shí)現(xiàn)稱重模塊（含通訊模塊）與Android 終端之間的數(shù)據(jù)傳輸，Android 系統(tǒng)上運(yùn)行的電子秤APP 具備商品管理、計(jì)價(jià)收銀、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)分析等功能.使用兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)有利于提高電子秤系統(tǒng)的可靠性，適應(yīng)更多的應(yīng)用場(chǎng)合.而基于Android 系統(tǒng)的電子秤APP，可以方便快捷地對(duì)傳統(tǒng)電子秤的功能進(jìn)行擴(kuò)展，功能迭代的速度更快，開發(fā)成本更低，可以大大降低用戶的成本.

1 新型電子秤設(shè)計(jì)

新型電子秤的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其主要由稱重模塊（含通信模塊）和Android平板電腦兩部分組成.稱重及通訊模塊包含05-1K 壓力傳感器、HX712 A/D 轉(zhuǎn)換模塊[6]、CC2540 低功耗藍(lán)牙模塊[7-8]和PL2303HXD USB 轉(zhuǎn)串口模塊.CC2540 芯片內(nèi)嵌射頻收發(fā)器并運(yùn)行BLE4.0 協(xié)議棧，兼具控制與藍(lán)牙通訊功能.Android 平板電腦使用UnisCom的mz73.新型電子秤設(shè)計(jì)了獨(dú)立的電源模塊，包括1 路5V/1A 及1 路5V/2A，分別為稱重模塊（含通訊模塊）和平板電腦供電.

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型電子秤具有數(shù)據(jù)采集傳輸和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存處理兩大功能分層.每個(gè)分層包含若干個(gè)子層，下層結(jié)構(gòu)能為上層結(jié)構(gòu)提供數(shù)據(jù)或接口.

1.1 稱重及通信模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

稱重及通訊的程序流程如圖2 所示，核心功能包括傳感器數(shù)據(jù)采集及按自定義的通信接口協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.

實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)變式壓力傳感器輸入- 輸出特性存在非線性誤差.同時(shí)，HX712 A/D轉(zhuǎn)換模塊受到外界干擾時(shí)亦可能會(huì)出現(xiàn)輸出異常，因此電子秤使用限幅和算數(shù)平均方法對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行濾波[9]，并使用曲線擬合的方法對(duì)傳感器的誤差進(jìn)行校正[10].

圖2 稱重及通訊模塊程序

1.2 基于Android系統(tǒng)的APP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

APP 使用Java 語言和擴(kuò)展標(biāo)記語言（Extensible Markup Language，XML）進(jìn)行混合編程.Java 語言主要用于編寫應(yīng)用程序的流程和邏輯，XML 主要用于界面布局的設(shè)計(jì)[11].APP 應(yīng)用程序的主要功能包括商品管理、重量數(shù)據(jù)接收和處理、交易記錄管理、生成報(bào)表、功能設(shè)置，如圖3 所示.

圖3 收銀秤APP 功能框架

1.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

APP 使用Android 系統(tǒng)集成的一個(gè)輕量級(jí)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)——SQLite 來儲(chǔ)存用戶數(shù)據(jù).為了實(shí)現(xiàn)商品管理和交易記錄儲(chǔ)存的功能，設(shè)計(jì)了如表1 至表3 所示的數(shù)據(jù)表.商品信息表用于儲(chǔ)存商品的基本信息，如名稱、單價(jià)等.交易記錄表用于儲(chǔ)存交易的大致信息，如時(shí)間，交易額等，信息量較少，方便用戶快速了解交易情況，而交易記錄細(xì)節(jié)表則儲(chǔ)存了每筆交易中所交易的商品的詳細(xì)信息，信息量較大，可用于統(tǒng)計(jì)商品銷量.

一條商品信息占用23 B 的儲(chǔ)存空間，由于每一條商品信息對(duì)應(yīng)一張圖片，而經(jīng)測(cè)試一張大小約為30 KB 的圖片即可滿足顯示需要.因此對(duì)于有100 種商品的用戶，約需2.3 KB 的儲(chǔ)存空間來儲(chǔ)存商品信息，約需3 MB 的儲(chǔ)存空間來儲(chǔ)存商品圖片.

表1 商品信息表

一條交易記錄占用37B 的儲(chǔ)存空間，一條交易記錄細(xì)節(jié)占用60 B 的儲(chǔ)存空間.對(duì)于每天大約有500 筆交易，每筆交易大約有50 種商品的用戶，一天會(huì)產(chǎn)生約1.5 MB的交易數(shù)據(jù).因此Android 平板電腦能滿足數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的空間要求.

1.2.2 商品管理

商品管理的程序流程和界面如圖4 所示，用戶可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的商品信息進(jìn)行添加、查找、刪除等的操作.此外該界面還具有簡(jiǎn)易收銀和界面跳轉(zhuǎn)的功能.用戶可以通過點(diǎn)擊商品列表中的商品，跳轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)接收和處理界面，所選擇的具體商品信息會(huì)用于計(jì)價(jià)和生成交易記錄.

表2 交易記錄表

表3 交易記錄細(xì)節(jié)表

圖4 商品管理界面和程序

1.2.3 數(shù)據(jù)接收和處理

數(shù)據(jù)接收和處理的程序流程和界面如圖5 所示.APP 會(huì)根據(jù)用戶的設(shè)置切換通訊模式為藍(lán)牙模式[12]或USB Host 模式[13]，并自動(dòng)連接稱重及通訊模塊，然后根據(jù)用戶所選擇的商品或所輸入的單價(jià)生成相應(yīng)的交易記錄.此外該界面還提供去皮、清零和收銀等功能.

1.2.4 交易記錄管理

交易記錄界面和報(bào)表界面如圖6 所示.交易記錄界面提供了交易記錄和交易記錄細(xì)節(jié)查看、刪除和導(dǎo)出功能.用戶可通過下拉菜單來選擇交易時(shí)間，然后對(duì)篩選出來的交易記錄和交易記錄細(xì)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的操作.

在報(bào)表界面，用戶可通過下拉菜單選擇時(shí)間來查看年報(bào)表、月報(bào)表或日?qǐng)?bào)表.此外，應(yīng)用還提供一定的數(shù)據(jù)挖掘功能，通過點(diǎn)擊商品圖表按鈕，用戶可查看銷售量前十的商品的銷售額排名.通過點(diǎn)擊時(shí)間圖表按鈕，用戶可查看各時(shí)段的銷售量分布.

圖5 數(shù)據(jù)接收與處理程序界面和功能流程

圖6 交易記錄和報(bào)表界面

2 自定義通信接口協(xié)議設(shè)計(jì)

稱重模塊通過表4 所示的自定義通訊接口協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳統(tǒng)電子秤的通訊協(xié)議一般包含重量、單價(jià)和總金額3 個(gè)部分，因此為了保持通用性，本文所設(shè)計(jì)的通訊協(xié)議保留了這3 部分內(nèi)容.此外該協(xié)議還增加了版本號(hào)、支付序列號(hào)、簽名信息和校驗(yàn)碼等部分.版本號(hào)用于指示數(shù)據(jù)包的開始位置.支付序列號(hào)用于區(qū)分兩次稱重結(jié)果，如連續(xù)兩次稱重同一種商品時(shí)，可使用該序列號(hào)進(jìn)行區(qū)分，并生成兩條交易數(shù)據(jù).簽名信息可對(duì)各數(shù)據(jù)項(xiàng)按特定的規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密.校驗(yàn)碼通過各數(shù)據(jù)項(xiàng)的按序異或得出，用于對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)的完整性進(jìn)行校驗(yàn).

表4 自定義通訊接口協(xié)議

稱重模塊能通過有線和無線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但這兩種數(shù)據(jù)傳輸方式有一定的差異.通過自定義的通訊接口協(xié)議，在應(yīng)用層上統(tǒng)一這兩種通訊方式的數(shù)據(jù)傳輸格式.這種分層設(shè)計(jì)，有利于屏蔽硬件間的差異，方便后續(xù)的功能擴(kuò)展.

3 新型電子秤的測(cè)試

為了測(cè)試新型電子秤的稱重、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和處理的性能，本文使用一臺(tái)UnisCom 的mz73 型平板電腦運(yùn)行APP.平板電腦一方面通過藍(lán)牙與稱重模塊進(jìn)行無線連接，以便接收重量數(shù)據(jù).另一方面通過Android Studio 的調(diào)試橋插件和電腦連接，以便電腦監(jiān)控其工作狀態(tài)，并記錄所需的數(shù)據(jù).

3.1 稱重測(cè)試

利用M1 級(jí)砝碼的組合、一臺(tái)符合標(biāo)準(zhǔn)的電子秤、一臺(tái)新型電子秤進(jìn)行稱重誤差測(cè)試[14].將標(biāo)準(zhǔn)電子秤與新型電子秤放置于同一工作臺(tái)上，測(cè)試所用的M1 級(jí)砝碼的最大重量為1 kg，在該范圍內(nèi)實(shí)際值為砝碼的重量.當(dāng)重量超出1 kg 時(shí)，利用重物模擬砝碼，并在標(biāo)準(zhǔn)電子秤上得出重物的重量，實(shí)際值為重物的重量.測(cè)試結(jié)果如表5 所示.

表5 電子秤稱重誤差測(cè)試結(jié)果

市面上的電子秤精度可分為四級(jí)，而農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)所用的數(shù)字指示秤一般準(zhǔn)確度等級(jí)為3 級(jí)，因此根據(jù)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程《JJG 539-2016 數(shù)字指示秤檢定規(guī)程》[15]，對(duì)于一臺(tái)最大量程為12 kg 的電子秤，可取其檢定分度值e 為10 g.則當(dāng)載荷m 滿足0≤m≤5 kg時(shí)，最大允許誤差為±0.5 e，即±5 g，而當(dāng)荷載m 滿足關(guān)系5 kg≤m≤20 kg 時(shí)，最大允許誤差為±1.0 e，即±10 g.則由表5 可知，新型電子秤的稱重誤差符合國(guó)家相關(guān)計(jì)量檢定規(guī)程.

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理測(cè)試

使用測(cè)試程序隨機(jī)生成100、1 000 和10 000 條交易記錄，每筆交易包含50 種商品的交易信息.將上述數(shù)據(jù)寫入到電子秤APP 的數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后模擬用戶對(duì)交易記錄進(jìn)行刪除、查找和統(tǒng)計(jì)等操作，測(cè)試這些操作的完成時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如表6 所示.

刪除交易記錄和統(tǒng)計(jì)商品銷量前十操作所消耗的時(shí)間較長(zhǎng)，其余操作均能在1 s 內(nèi)完成，說明新型電子秤的大部分的數(shù)據(jù)操作能提供較好的用戶體驗(yàn).

表6 數(shù)據(jù)操作完成時(shí)間測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于Android 應(yīng)用的新型電子秤，在通訊方面，使用無線和有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高了系統(tǒng)的可靠性.而使用自定義的通訊接口協(xié)議統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?，則實(shí)現(xiàn)了分層設(shè)計(jì)，有利于屏蔽硬件的差異.在軟件方面，基于Android 平臺(tái)開發(fā)的APP，除了能提供數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和管理功能外，還提供一定的數(shù)據(jù)分析功能，方便用戶進(jìn)行商品管理和實(shí)時(shí)了解交易狀況.該新型電子秤具有簡(jiǎn)單易用、可靠、數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)的特點(diǎn)，能滿足人們對(duì)電子秤功能提升的需求.