IOT畢設(shè)｜智能寵物屋研究與實(shí)現(xiàn)

摘要

寵物數(shù)量的增多勢(shì)必會(huì)帶動(dòng)寵物用品行業(yè)的發(fā)展,本文是基于Arduino和機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能寵物屋進(jìn)行研究。多功能智能寵物屋通過引入Arduino和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),具備了監(jiān)測(cè)溫濕度與調(diào)節(jié)、監(jiān)測(cè)寵物休憩、殺菌消毒、監(jiān)控系統(tǒng)、喂食喂水、排泄物清理和空氣凈化等功能,使用機(jī)智云平臺(tái)開發(fā)App,為未來并入智能家居提供了可能。

關(guān)鍵詞: 智能寵物屋 Arduino 機(jī)智云平臺(tái)

1 研究目的

當(dāng)主人上班、出差或旅游時(shí),寵物的生存就無法得到保障,因此本文就基于Arduino和機(jī)智云平臺(tái)的智能寵物屋進(jìn)行研究,幫助主人解決短期或長(zhǎng)期不在家時(shí)無法照料寵物的問題。隨著智能家居的快速發(fā)展,未來的某一天智能寵物屋也會(huì)并入智能家居,讓寵物也能感受到智能化帶來的舒適和便利。本文是以寵物貓作為對(duì)象而研究的一款智能寵物屋。

2用戶需求分析

2.1功能需求

目前市場(chǎng)上寵物屋的功能比較單一,無法全面地照顧寵物。市場(chǎng)上現(xiàn)有的寵物屋實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)溫濕度、喂食器和鏟屎裝置,并沒有除異味、殺菌消毒、監(jiān)測(cè)寵物睡眠質(zhì)量情況以及監(jiān)控功能。

本文所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品都是根據(jù)用戶的需求而設(shè)計(jì)的,以監(jiān)測(cè)溫濕度并調(diào)節(jié)、殺菌消毒、監(jiān)測(cè)寵物的睡眠質(zhì)量情況以及監(jiān)控功能作為基本功能,喂食器和鏟屎裝置作為附加裝置,不僅可以減輕用戶的成本負(fù)擔(dān),而且也可以根據(jù)用戶的需求定制產(chǎn)品。

2.2 安全需求

現(xiàn)有的寵物屋具有不通風(fēng)的缺陷。本文設(shè)計(jì)的產(chǎn)品從寵物和產(chǎn)品兩方面來考慮:(1)外殼前后都需要預(yù)留雞蛋大的洞口,以防寵物在里面呼吸不暢,重者導(dǎo)致死亡;(2)用橡膠制品以三角形的形式放置產(chǎn)品底部,然后再設(shè)計(jì)一個(gè)圓盤放在橡膠制品底下,一方面可以固定寵物屋,另一方面也可以移動(dòng)寵物屋,方便用戶打掃衛(wèi)生;(3)喂食器要降低重心,以防寵物將食物和水打翻,傷及寵物自身和他人。

3寵物屋功能設(shè)計(jì)及工作原理

3.1 采集溫濕度并調(diào)節(jié)溫濕度功能

本產(chǎn)品智能寵物屋系統(tǒng)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器來監(jiān)測(cè)溫濕度[1]。DHT11溫濕度傳感器從功能需求上來說是一種已經(jīng)經(jīng)過校準(zhǔn)的數(shù)字型溫濕度傳感器,應(yīng)用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù),能夠保證產(chǎn)品測(cè)量溫濕度時(shí)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。溫濕度傳感器可實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的實(shí)時(shí)采集,用來采集寵物屋內(nèi)的溫濕度,并在顯示屏和App上面顯示溫濕度的具體數(shù)值。用戶可在機(jī)智云App上面設(shè)定目標(biāo)溫度,然后驅(qū)動(dòng)制熱或制冷裝置使寵物屋內(nèi)達(dá)到合適的溫度。

3.2 紅外感應(yīng)監(jiān)測(cè)寵物休憩

紅外線感應(yīng)傳感器可以監(jiān)測(cè)寵物紅外信號(hào)的有無。當(dāng)寵物貓進(jìn)入寵物屋時(shí),紅外線感應(yīng)傳感器將收集到的信號(hào)傳遞給Arduino主控芯片,單片機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并通過Wi Fi模塊傳到機(jī)智云App端,機(jī)智云App端可以記錄寵物的睡眠質(zhì)量狀態(tài)和睡眠時(shí)間。

3.3 殺菌消毒功能

本產(chǎn)品智能寵物屋采用UV紫外線發(fā)光二極管做成一款殺菌消毒燈。由于紫外線具有很強(qiáng)的除菌消毒能力,所以將紫外線殺菌消毒燈放置在寵物屋內(nèi)圍繞成一圈,實(shí)現(xiàn)寵物屋內(nèi)無死角除菌消毒,紫外線光束越集中,寵物屋內(nèi)除菌效果越好。當(dāng)寵物貓離開寵物屋時(shí),用戶可通過機(jī)智云App打開UV紫外線殺菌消毒燈進(jìn)行殺菌消毒。

3.4 監(jiān)控功能

監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)裝置主要由3部分組成:esp32CAM攝像頭、電源模塊和機(jī)智云App。在寵物屋正上方安裝SG90舵機(jī)調(diào)整esp32CAM攝像頭的角度查看寵物的實(shí)時(shí)狀態(tài)、喂食器和鏟屎裝置,通過藍(lán)牙通信將畫面?zhèn)魉偷綑C(jī)智云App的人機(jī)界面控制端。

3.5 智能喂食喂水
喂食器是智能寵物屋的附加裝置,根據(jù)用戶的需求選擇是否安裝智能喂食器裝置。智能喂食器裝置包括主控芯片Arduino、壓力傳感器、esp8266WiFi芯片和SG90舵機(jī)。該功能是通過壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)貓盆的重量,當(dāng)貓盆食物的重量低于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí),壓力傳感器將信號(hào)傳遞給Arduino主控芯片,主控芯片對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行分析和處理,然后驅(qū)動(dòng)SG90舵機(jī)打開閥門釋放食物或水。用戶也可以查看監(jiān)控操作機(jī)智云App手動(dòng)喂食喂水。3.6 寵物排泄物清理和空氣凈化功能

鏟屎裝置也是該寵物屋的附加裝置,用戶可根據(jù)實(shí)用性和需求選擇是否安裝鏟屎裝置,當(dāng)寵物排便后,驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)擋板將體積大的貓砂塊從左到右推進(jìn)垃圾桶;若空氣中出現(xiàn)臭味,空氣質(zhì)量傳感器檢測(cè)到臭味,就會(huì)將數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī),Arduino主控芯片處理數(shù)據(jù)之后直接啟動(dòng)負(fù)離子空氣凈化器。

負(fù)離子空氣凈化器含有活性炭過濾層,不但可以吸附有害氣體,還可以除異味,從而改善空氣質(zhì)量[2]。鏟屎裝置和空氣凈化功能不但解決了寵物的居住環(huán)境問題,同時(shí)也減輕了主人的負(fù)擔(dān)。

3.7 機(jī)智云App遠(yuǎn)程操控

寵物屋的軟件部分是利用機(jī)智云開發(fā)的一款A(yù)pp,用戶可以通過機(jī)智云App的監(jiān)控界面實(shí)時(shí)查看寵物的當(dāng)前情況、查看寵物屋的溫濕度數(shù)值等,通過監(jiān)控查看喂食器確定是否需要喂食和喂水,同時(shí)還可以通過監(jiān)控查看鏟屎裝置是否需要清理寵物的排泄物,這一系列操作可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控,即使用戶在上班、出差和旅游時(shí),也不用擔(dān)心寵物在家里無人照顧。

4寵物屋系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能寵物屋系統(tǒng)總體架構(gòu)由兩部分組成。一部分是硬件系統(tǒng),另一部分是軟件系統(tǒng)。

4.1 硬件系統(tǒng)

本產(chǎn)品是一款主要由寵物屋、喂食器、鏟屎裝置和監(jiān)控組成的智能寵物屋。寵物屋、喂食器和鏟屎裝置這3個(gè)部分主要是以Arduino作為主控芯片,通過esp8266WiFi模塊將軟件和硬件連接起來。用戶可使用軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)定溫度值、調(diào)節(jié)寵物屋內(nèi)的溫度、殺菌消毒、記錄寵物的睡眠狀態(tài)、喂食、喂水、鏟屎等功能;監(jiān)控設(shè)備可實(shí)時(shí)監(jiān)控寵物的動(dòng)態(tài)。

硬件系統(tǒng)架構(gòu)主要由Arduino單片機(jī)、esp32CAM攝像頭、esp8266WiFi模塊、電源系統(tǒng)模塊、繼電器模塊、負(fù)離子發(fā)生器、DHT11溫濕度傳感器、SG90舵機(jī)、紅外感應(yīng)傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、12864OLED顯示屏、UV紫外線發(fā)光二極管和LED發(fā)光二極管組成。硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示

圖1硬件系統(tǒng)架構(gòu)

4.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。軟件系統(tǒng)開發(fā)首先搭建機(jī)智云開發(fā)環(huán)境,利用機(jī)智云平臺(tái)上的App代碼賽博坦工具開發(fā)智能寵物屋App[3],并使用機(jī)智云平臺(tái)的TCP/IP通信協(xié)議[4],實(shí)現(xiàn)機(jī)智云的物聯(lián)網(wǎng)功能,通過服務(wù)器使軟件和硬件連接起來。

在做軟件系統(tǒng)的過程中,程序員首先要定義模組信息,利用機(jī)智云自帶的一些組件設(shè)計(jì)軟件界面,然后為各個(gè)模塊編寫代碼,通過Wi Fi模塊與云平臺(tái)和產(chǎn)品設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,使每個(gè)模塊都能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能,最后對(duì)機(jī)智云App進(jìn)行測(cè)試。

5系統(tǒng)測(cè)試

(1) App和硬件設(shè)備通過esp8266Wi Fi模塊連接之后,打開軟件界面就可以看到攝像頭拍攝的畫面,通過舵機(jī)就可以調(diào)節(jié)攝像頭的角度,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)寵物的動(dòng)態(tài)[5];(2) 寵物屋內(nèi)的溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)溫濕度并溫度比較低的時(shí)候,可以輸入具體數(shù)值驅(qū)動(dòng)加熱片升高寵物屋內(nèi)的溫度;(3) 紅外感應(yīng)傳感器檢測(cè)到寵物離開寵物屋就會(huì)顯示寵物的睡眠時(shí)間;(4) 寵物離開寵物屋后可以啟動(dòng)殺菌消毒功能;(5) 如果寵物想要吃食物喝水,用戶可以打開舵機(jī)閥門釋放食物和水;(6)除此之外,負(fù)離子空氣凈化器不需要軟件的控制,當(dāng)空氣質(zhì)量傳感器檢測(cè)到異味,可以自動(dòng)開啟負(fù)離子空氣凈化器。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試,該產(chǎn)品最終達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。

圖2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6 結(jié)語

本文研究了基于Arduino和機(jī)智云平臺(tái)的智能寵物屋系統(tǒng),利用機(jī)智云平臺(tái)、Wi Fi模塊、Arduino單片機(jī)和相關(guān)傳感器所設(shè)計(jì)了一款智能寵物屋。本產(chǎn)品還有需要改進(jìn)的地方,比如功耗問題,上班族為寵物購(gòu)買智能寵物屋,本身就是一筆大的開銷,如果功耗比較大,對(duì)用戶而言也是一種用電負(fù)擔(dān)。