FastBond4挑战部分-基于Tab5的多设备称重监控系统

内容介绍

一、所选主题和项目介绍

1.1 项目背景

在物联网应用场景中，多设备协同称重是一个常见需求。传统的称重系统通常只能显示本地传感器数据，无法集中监控多个分布在不同位置的称重设备。本项目使用M5Stack Tab5开发板，实现一款多设备称重监控终端，能够自动发现本地I2C称重传感器，并通过MQTT协议订阅来自其他桥接设备（AtomS3R、Cardputer、CoreS3等）的重量数据，在2x2网格界面上集中显示，实现分布式称重系统的统一监控。

1.2 项目目标

本项目使用M5Stack Tab5开发板，实现一款多设备称重监控终端，主要功能如下：

本地传感器自动发现：自动扫描I2C总线，发现并连接Unit Mini Scales称重传感器
MQTT远程数据订阅：通过MQTT协议订阅多个桥接设备的重量数据
2x2网格UI显示：在1280x720屏幕上实时显示4个设备的称重数据
设备状态监控：自动检测设备在线/离线状态，15秒超时标记为离线
MQTT数据发布：将本地称重数据发布到MQTT服务器供其他设备订阅

1.3 创新点

自动传感器发现：自动扫描I2C总线，无需手动配置传感器地址
动态设备分配：按接收顺序自动分配显示格子，优先替换离线设备
多桥接设备协同：支持AtomS3R、Cardputer、CoreS3等多种设备作为桥接器
统一MQTT主题规范：所有设备使用统一主题格式，便于扩展和管理
离线超时检测：15秒无数据自动标记设备为离线，实时反映设备状态

二、硬件介绍

2.1 主控设备

M5Stack Tab5 — 基于ESP32-S3的5英寸触控屏开发板，配备1280x720 IPS显示屏、Grove扩展接口，支持WiFi和I2C通信。

参数	规格
主控芯片	ESP32-S3，双核240MHz
Flash	16MB
显示屏	5英寸 IPS，1280x720
扩展接口	Grove HY2.0-4P (PORT.A)、USB-C
触控	电容式触控屏

2.2 传感器模块

Unit Mini Scales 称重传感器 (SKU:U177) — 基于I2C接口的称重模块，量程0-5kg，精度0.1g，默认地址0x26（可配置0x26-0x2D）。

参数	规格
量程	0-5kg
精度	0.1g
通信接口	I2C
默认地址	0x26
可配置地址	0x26-0x2D

2.3 硬件连接

Tab5引脚	Mini Scales引脚	功能
PORTA_SDA (G53)	SDA	I2C数据线
PORTA_SCL (G54)	SCL	I2C时钟线
3.3V	VCC	电源正极
GND	GND	电源地

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                           Tab5 主控板                                    │
│  ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐  ┌─────────┐      │
│  │ESP32-S3 │  │  5" IPS │  │ 触控    │  │USB-C    │  │PORT.A   │      │
│  │主控芯片  │  │显示屏    │  │屏幕     │  │接口     │  │I2C接口  │      │
│  └────┬────┘  └─────────┘  └─────────┘  └─────────┘  └────┬────┘      │
│       │                                                        │          │
│       │ WiFi                                                   │ I2C      │
│       │                                                        │          │
└───────┼────────────────────────────────────────────────────────┼──────────┘
        │                                                        │
        │ MQTT                                                   │
        │                                                        │
        ▼                                                        ▼
┌───────────────────┐                              ┌─────────────────────┐
│   MQTT Broker     │                              │   Mini Scales传感器 │
│   (broker.emqx.io)│                              │   (本地I2C)         │
│                   │                              │                     │
│  ┌─────────────┐  │                              │  ┌───────────────┐  │
│  │数据转发     │  │                              │  │ 0x26 - 本地   │  │
│  │数据订阅     │  │                              │  │ 0x27 - 扩展1  │  │
│  └─────────────┘  │                              │  └───────────────┘  │
└───────────────────┘                              └─────────────────────┘
         ▲
         │
         │ MQTT
         │
┌────────┴────────┐  ┌────────┴────────┐  ┌────────┴────────┐
│  AtomS3R-CAM    │  │  Cardputer      │  │  CoreS3         │
│  桥接设备        │  │  桥接设备        │  │  桥接设备        │
│  (I2C:0x26)     │  │  (I2C:0x26)     │  │  (I2C:0x26)     │
└─────────────────┘  └─────────────────┘  └─────────────────┘

三、方案框图和项目设计思路

3.1 系统架构

                           ┌─────────────────┐
                           │  MQTT Broker    │
                           │ broker.emqx.io  │
                           └────────┬────────┘
                                    │
                    ┌───────────────┼───────────────┐
                    │               │               │
                    ▼               ▼               ▼
              ┌──────────┐   ┌──────────┐   ┌──────────┐
              │ AtomS3R  │   │Cardputer │   │  CoreS3  │
              │ 桥接设备  │   │ 桥接设备  │   │ 桥接设备  │
              │ I2C:0x26 │   │ I2C:0x26 │   │ I2C:0x26 │
              └────┬─────┘   └────┬─────┘   └────┬─────┘
                   │              │              │
                   │ MQTT发布      │ MQTT发布      │ MQTT发布
                   │              │              │
                   └──────────────┼──────────────┘
                                  │
                                  ▼
                    ┌─────────────────────────┐
                    │       Tab5 监控端        │
                    │  ┌─────┬─────┬─────┐    │
                    │  │本地  │001  │002  │    │
                    │  ├─────┼─────┼─────┤    │
                    │  │003  │空   │空   │    │
                    │  └─────┴─────┴─────┘    │
                    │  2x2 网格显示            │
                    └─────────────────────────┘
                                  │
                                  │ I2C
                                  ▼
                    ┌─────────────────────────┐
                    │   Mini Scales传感器      │
                    │   (本地I2C连接)          │
                    └─────────────────────────┘

3.2 设备启动流程

                    ┌─────────────┐
                    │   设备启动   │
                    └──────┬──────┘
                           │
                           ▼
                    ┌─────────────┐
                    │ 初始化M5    │
                    │ 设置横屏    │
                    └──────┬──────┘
                           │
                           ▼
                    ┌─────────────┐
                    │ 初始化I2C   │
                    │ PORT.A      │
                    └──────┬──────┘
                           │
                           ▼
                    ┌─────────────┐
                    │ 扫描I2C设备 │
                    │ 发现传感器  │
                    └──────┬──────┘
                           │
                           ▼
                    ┌─────────────┐
                    │  连接WiFi   │
                    │ (自动连接)   │
                    └──────┬──────┘
                           │
                           ▼
                    ┌─────────────┐
                    │ 连接MQTT    │
                    │ 订阅主题    │
                    └──────┬──────┘
                           │
                           ▼
                    ┌─────────────┐
                    │  主循环运行  │
                    │ 读取本地    │
                    │ 订阅远程    │
                    │ 更新显示    │
                    └─────────────┘

3.3 设备离线检测机制

采用超时检测机制：

记录最后接收时间：每次收到设备数据时记录时间戳
超时判定：超过15秒无数据则标记为离线
状态更新：离线时显示重量归零，状态标记为"offline"

四、原理图和PCB展示及介绍

4.1 硬件连接原理图

本项目使用M5Stack官方硬件，硬件连接采用I2C总线方式。Tab5通过PORT.A接口通过连接器连接Mini Scales传感器。

📷 硬件连接器原理图：见附件

                    Tab5 (PORT.A)
                   ┌───────────┐
                   │           │
    3.3V ──────────┤ 3V3       │
                   │           │
    GND  ──────────┤ GND       │
                   │           │
    SCL  ──────────┤ G54       │
                   │           │
    SDA  ──────────┤ G53       │
                   │           │
                   └───────────┘
                         │
                         │ I2C总线
                         │
                    ┌────┴────┐
                    │MiniScale│
                    │  0x26   │
                    │ 本地称重 │
                    └─────────┘

4.2 I2C地址扫描

Tab5支持自动扫描I2C总线上的所有设备：

def scan_all_i2c_devices():
    devices = []
    if i2c0 is None:
        return devices
    
    print("[SCAN] 扫描所有 I2C 设备...")
    devices = i2c0.scan()
    for addr in devices:
        print("  [FOUND] 0x{:02X}".format(addr))
    print("[SCAN] 找到 {} 个设备".format(len(devices)))
    return devices

def discover_weight_sensors():
    sensors = []
    if i2c0 is None:
        print("[ERROR] I2C 未初始化")
        return sensors
    
    print("[DISCOVER] 搜索称重传感器...")
    devices = scan_all_i2c_devices()
    
    for addr in devices:
        if addr in KNOWN_WEIGHT_SENSOR_ADDRESSES:
            try:
                sensor_unit = MiniScaleUnit(i2c0, address=addr)
                time.sleep(0.1)
                weight = sensor_unit.weight
                if weight is not None and -10000 < weight < 100000:
                    sensor = dict()
                    sensor['addr'] = addr
                    sensor['name'] = "device_{:02X}".format(addr)
                    sensor['topic'] = "{}/device_{:02X}/weight".format(MQTT_TOPIC_PREFIX, addr)
                    sensor['unit'] = sensor_unit
                    sensors.append(sensor)
                    print("  [SENSOR] 0x{:02X} weight: {}g".format(addr, weight))
            except Exception as e:
                print("  [ERROR] 0x{:02X} failed: {}".format(addr, e))
        else:
            print("  [UNKNOWN] 0x{:02X}".format(addr))
    
    print("[DISCOVER] 找到 {} 个称重传感器".format(len(sensors)))
    return sensors

五、软件流程图和关键代码介绍

5.1 主程序结构

"""
UIFlow2 单文件应用
Tab5 + Unit Mini Scales 称重显示系统
2x2 网格显示，显示本地和远程称重数据，I2C地址自动扫描
"""

5.2 MQTT 消息处理

def mqtt_event(topic, msg):
    global remote_weights, remote_states, remote_devices, remote_last_time
    
    try:
        if type(topic) == bytes:
            topic_str = topic.decode()
        else:
            topic_str = str(topic)
        
        if type(msg) == bytes:
            msg_str = msg.decode()
        else:
            msg_str = str(msg)
        
        print("[MQTT RX] {} : {}".format(topic_str, msg_str))
        
        data_payload = json.loads(msg_str)
        weight_val = float(data_payload.get('weight', 0.0))
        
        device_id = data_payload.get('device_id', '')
        if type(device_id) == bytes:
            device_id = device_id.decode()
        else:
            device_id = str(device_id)
        
        if len(device_id) == 0:
            parts = topic_str.split('/')
            if len(parts) >= 3:
                device_id = parts[-2]
        
        now = time.time()
        
        found = False
        for i in range(4):
            if remote_devices[i] == device_id:
                remote_weights[i] = weight_val
                remote_states[i] = "online"
                remote_last_time[i] = now
                found = True
                break
        
        if not found:
            # 优先替换离线的格子
            for i in range(4):
                if remote_states[i] == "offline" or remote_devices[i] == "":
                    remote_devices[i] = device_id
                    remote_weights[i] = weight_val
                    remote_states[i] = "online"
                    remote_last_time[i] = now
                    found = True
                    print("[MQTT] New device {} in slot {}".format(device_id, i))
                    break
    except Exception as e:
        print("[MQTT RX] Error:", e)

5.3 UI 显示更新

def update_display():
    screen_w = 1280
    screen_h = 720
    cols = 2
    rows = 2
    gap = 8
    margin = 8
    cell_w = (screen_w - margin * 2 - gap * (cols - 1)) // cols
    cell_h = (screen_h - margin * 2 - gap * (rows - 1)) // rows
    
    bg_colors = [0x2d3748, 0x1a365d, 0x1a3a2a, 0x3d1a1a]
    
    for i in range(4):
        row = i // cols
        col = i % cols
        x = margin + col * (cell_w + gap)
        y = margin + row * (cell_h + gap)
        bg = bg_colors[i]
        
        M5.Lcd.fillRect(x, y + 100, cell_w, cell_h - 100, bg)
        
        device_id = remote_devices[i] if remote_devices[i] else "---"
        weight_val = remote_weights[i]
        state = remote_states[i]
        
        M5.Lcd.setTextColor(0x718096, bg)
        M5.Lcd.setTextSize(5)
        M5.Lcd.setCursor(x + 20, y + 70)
        M5.Lcd.print("ID: {}".format(device_id))
        
        M5.Lcd.setTextColor(0x68d391, bg)
        M5.Lcd.setTextSize(5)
        M5.Lcd.setCursor(x + 20, y + cell_h // 2 - 30)
        M5.Lcd.print("{:.1f} g".format(weight_val))
        
        M5.Lcd.setTextColor(0xfbd38d, bg)
        M5.Lcd.setTextSize(5)
        M5.Lcd.setCursor(x + 20, y + cell_h - 35)
        M5.Lcd.print("Status: {}".format(state))

5.4 MQTT 数据发布

def publish_mqtt(data_list):
    global mqtt_client
    if mqtt_client is None:
        return
    
    for d in data_list:
        try:
            payload = json.dumps({
                "weight": d['weight'],
                "unit": "g",
                "timestamp": int(time.time() * 1000),
                "device_id": d['name'],
                "status": "normal"
            })
            topic = "{}/{}/weight".format(MQTT_TOPIC_PREFIX, d['name'])
            mqtt_client.publish(topic, payload, qos=0)
            print("[MQTT TX] {}: {:.1f} g".format(topic, d['weight']))
        except Exception as e:
            print("[MQTT ERROR]", e)

5.5 主循环

def loop():
    global last_publish_time, last_reconnect_time, last_display_time, mqtt_client
    
    M5.update()
    current_time = time.time()
    
    # 检查 WiFi 状态
    wlan = network.WLAN(network.STA_IF)
    if not wlan.isconnected():
        time.sleep(1)
        return
    
    # MQTT 重连机制（每5秒尝试一次）
    if mqtt_client is None and (current_time - last_reconnect_time >= 5):
        last_reconnect_time = current_time
        try:
            mac = ubinascii.hexlify(wlan.config('mac')).decode()
            unique_client_id = "{}_{}".format(MQTT_CLIENT_ID, mac)
            
            mqtt_client = MQTTClient(unique_client_id, MQTT_SERVER, port=1883, user='', password='', keepalive=60)
            mqtt_client.connect()
            mqtt_client.set_callback(mqtt_event)
            mqtt_client.subscribe(b"scales/bridge/+/weight")
            print("[OK] MQTT 重连成功")
        except Exception as e:
            print("[MQTT] 重连失败:", e)
            mqtt_client = None
    
    # 处理 MQTT 消息
    if mqtt_client:
        try:
            mqtt_client.check_msg()
        except Exception as e:
            print("[MQTT] check_msg 错误:", e)
            mqtt_client = None
    
    # 检查设备离线超时（15秒无数据则标记为offline）
    for i in range(4):
        if remote_states[i] == "online" and remote_last_time[i] > 0:
            if current_time - remote_last_time[i] >= OFFLINE_TIMEOUT:
                print("[MQTT] Device {} offline (timeout {}s)".format(remote_devices[i], OFFLINE_TIMEOUT))
                remote_states[i] = "offline"
                remote_weights[i] = 0.0
    
    # 每2秒发布一次本地传感器数据
    if current_time - last_publish_time >= MQTT_PUBLISH_INTERVAL and len(weight_sensors) > 0:
        last_publish_time = current_time
        data_list = []
        for sensor in weight_sensors:
            weight = read_weight(sensor)
            if weight is not None:
                data_list.append({
                    'name': sensor['name'],
                    'addr': "0x{:02X}".format(sensor['addr']),
                    'weight': weight
                })
        if len(data_list) > 0:
            publish_mqtt(data_list)
    elif current_time - last_publish_time >= MQTT_PUBLISH_INTERVAL:
        last_publish_time = current_time
    
    # 每1秒刷新一次显示
    if current_time - last_display_time >= 1:
        last_display_time = current_time
        update_display()
    
    time.sleep(0.1)

六、硬件功能展示图及说明

6.1 硬件整体展示

6.2 显示界面

6.2.1 启动界面

Weight Monitor System - Tab5
Device Slot 1          Device Slot 2
ID: ---                ID: ---
0.0 g                  0.0 g
Status: offline        Status: offline

Device Slot 3          Device Slot 4
ID: ---                ID: ---
0.0 g                  0.0 g
Status: offline        Status: offline

6.2.2 运行状态

Weight Monitor System - Tab5
Device Slot 1          Device Slot 2
ID: device_26          ID: device_001
125.3 g                456.7 g
Status: online         Status: online

Device Slot 3          Device Slot 4
ID: device_002         ID: device_003
89.2 g                 234.5 g
Status: online         Status: online

6.3 系统运行日志

==================================================
Tab5 Weight Monitor Starting...
==================================================
[OK] I2C (SDA:53, SCL:54)
[SCAN] 扫描所有 I2C 设备...
  [FOUND] 0x26
[SCAN] 找到 1 个设备
[DISCOVER] 搜索称重传感器...
  [SENSOR] 0x26 weight: 0g
[DISCOVER] 找到 1 个称重传感器
[OK] 1 个传感器

[WiFi] 连接中...
[OK] WiFi 已连接: 192.168.1.100

[MQTT] 连接中...
[MQTT] Client ID: tab5_monitor_AABBCCDDEEFF
[OK] MQTT (broker.emqx.io) - 已订阅 scales/bridge/+/weight

==================================================
开始运行...
==================================================

[MQTT RX] scales/bridge/device_001/weight : {"weight": 123.4, "unit": "g", ...}
[MQTT] New device device_001 in slot 0
[MQTT RX] scales/bridge/device_002/weight : {"weight": 456.7, "unit": "g", ...}
[MQTT] New device device_002 in slot 1

七、设计中遇到的难题和解决方法

7.1 umqtt.default vs umqtt.simple（关键问题）

问题描述：
Tab5订阅MQTT主题后，回调函数永远不会被调用，串口只显示 Warning: Comparison between bytes and str。

原因分析：
UIFlow2的 from umqtt import MQTTClient 导入的是 umqtt.default 模块，其 subscribe(topic, callback, qos=0) 方法内部做主题匹配时，收到的topic是bytes类型，而订阅时传入的topic是str类型，导致bytes vs str比较永远为False，回调不会被触发。

解决方案：
改用 umqtt.simple 模块，使用 set_callback() + subscribe() 方式：

# 错误写法（umqtt.default，有bytes vs str bug）
from umqtt import MQTTClient
mqtt_client.subscribe("scales/bridge/+/weight", mqtt_event, qos=0)

# 正确写法（umqtt.simple，稳定可靠）
from umqtt.simple import MQTTClient
mqtt_client.set_callback(mqtt_event)
mqtt_client.subscribe(b"scales/bridge/+/weight")

7.2 MQTT连接失败（错误码-202）

问题描述：
首次启动时MQTT连接经常失败，返回错误码-202。

原因分析：
WiFi刚建立连接时网络尚未稳定，DNS解析可能失败。

解决方案：
添加自动重连机制，每5秒尝试一次：

if mqtt_client is None and (current_time - last_reconnect_time >= 5):
    last_reconnect_time = current_time
    try:
        mac = ubinascii.hexlify(wlan.config('mac')).decode()
        unique_client_id = "{}_{}".format(MQTT_CLIENT_ID, mac)
        
        mqtt_client = MQTTClient(unique_client_id, MQTT_SERVER, port=1883, user='', password='', keepalive=60)
        mqtt_client.connect()
        mqtt_client.set_callback(mqtt_event)
        mqtt_client.subscribe(b"scales/bridge/+/weight")
        print("[OK] MQTT 重连成功")
    except Exception as e:
        print("[MQTT] 重连失败:", e)
        mqtt_client = None

7.3 MQTTClient初始化参数

问题描述：
TypeError: extra keyword arguments given 或 function takes 4 positional arguments but 3 were given

解决方案：
使用关键字参数初始化：

mqtt_client = MQTTClient(unique_client_id, MQTT_SERVER, port=1883, user='', password='', keepalive=60)

7.4 回调函数中bytes vs str处理

问题描述：
json.loads() 返回的 device_id 可能是bytes类型，与str比较时出错。

解决方案：

device_id = data_payload.get('device_id', '')
if type(device_id) == bytes:
    device_id = device_id.decode()
else:
    device_id = str(device_id)

7.5 循环频率优化

问题描述：
time.sleep(0.1) 导致循环每0.1秒执行一次，串口输出和UI刷新过于频繁。

解决方案：
使用独立的时间间隔控制不同操作的频率：

# check_msg(): 每0.1秒 - 保持MQTT连接活跃
# 发布数据: 每2秒 - 读取传感器并发布到MQTT
# 刷新显示: 每1秒 - 更新屏幕UI
# 重连MQTT: 每5秒 - 仅在断开时尝试

if current_time - last_publish_time >= MQTT_PUBLISH_INTERVAL:
    # 读取传感器 + 发布

if current_time - last_display_time >= 1:
    # 刷新显示

要点：

check_msg() 必须高频调用（0.1秒），否则MQTT消息会丢失
传感器读取和发布可以低频（2秒），减少网络负载
UI刷新1秒一次足够，避免屏幕闪烁
减少不必要的串口日志输出

7.6 设备按接收顺序分配格子

设计思路：

不跳过任何消息（包括自己发布的）
不判断设备ID/地址
按接收顺序分配格子，已有设备更新数据
超出4个格子的设备只在串口输出
优先替换离线的格子

八、心得体会

8.1 项目收获

物联网架构设计：深入理解了物联网系统的数据采集、转发和集中监控架构
传感器技术：掌握了I2C传感器通信和自动发现技术
嵌入式开发：熟悉了UIFlow2开发环境和MicroPython API
网络协议应用：实践了MQTT协议在物联网多设备协同中的应用
UI设计：实现了2x2网格布局的实时数据显示界面
问题调试：解决了umqtt模块bytes vs str兼容性问题

8.2 技术亮点

自动传感器发现：自动扫描I2C总线，无需手动配置传感器地址
动态设备分配：按接收顺序自动分配显示格子，优先替换离线设备
多桥接设备协同：支持AtomS3R、Cardputer、CoreS3等多种设备作为桥接器
统一MQTT主题规范：所有设备使用统一主题格式，便于扩展和管理
离线超时检测：15秒无数据自动标记设备为离线

8.3 改进建议

增加本地传感器显示：在第一个格子显示本地Mini Scales数据
支持4x4网格：扩展到16个设备显示，支持更大规模的监控系统
增加告警功能：超重告警和设备离线告警
数据记录：增加历史数据记录和趋势显示
安全认证：增加MQTT用户名密码认证，提高数据安全性
本地配置：增加Web配置界面，支持WiFi和MQTT参数配置
OTA升级：支持远程固件升级
降低功耗：实现低功耗模式，延长电池寿命
增加ESP-NOW：支持ESP-NOW局域网通信，减少对云端MQTT的依赖

创意方向关联

本项目的技术创新为以下创意方向提供了新的思路：

1. 人工智能在嵌入式系统中的应用

本项目的传感器数据处理技术为AI应用提供了基础：

故障保护：人工智能判断：设备状态监测可发展为AI驱动的设备健康预警系统
数据分析：结合AI算法实现称重数据异常检测和趋势预测
智能识别：识别称重模式，自动分类物品

2. 楼宇自动化

称重监控节点是楼宇自动化的核心组件：

库存管理：监测仓库物品重量，实现智能库存管理
设备状态监测：监测楼宇设备运行状态
能源管理：监测设备能耗，实现智能节能
预测性维护：提前预警设备故障

3. 无线 / 5G / WiFi-7

项目集成的MQTT通信功能：

无线连接在智能建筑中的应用：MQTT是智能建筑数据传输的标准协议
5G物联网：MQTT架构可迁移到5G物联网终端开发
WiFi-7技术储备：高速无线通信实现实时数据上报

技术迁移价值

本项目开发的技术方案可迁移到：

人工智能应用：设备健康预警、异常检测、智能分类
楼宇自动化：库存管理、设备监测、能源管理、预测性维护
无线通信：MQTT物联网、5G终端、ESP-NOW局域网

致谢

感谢 DigiKey 和 电子森林 提供的FastBond4活动支持，本次活动链接：https://www.eetree.cn/page/digikey-fastbond