物聯(lián)網(wǎng)智能寵物管理系統(tǒng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，智能寵物管理系統(tǒng)備受關(guān)注。本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)，智能管理寵物飲食和環(huán)境。寵主可通過手機(jī)App實(shí)時(shí)監(jiān)控飲食量、糧食余量，并遠(yuǎn)程操控糞便清理器。系統(tǒng)支持壓力傳感器，自動(dòng)判斷是否補(bǔ)充糧食，監(jiān)測空氣質(zhì)量并自動(dòng)清新。

1、智能寵物管家系統(tǒng)的工作原理

STM32單片機(jī)作為控制核心，控制LED照明模塊、水位傳感器模塊、OLED顯示模塊、舵機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、Wi Fi模塊等模塊的工作，同時(shí)與ShineBlink、云平臺(tái)和手機(jī)App通過ESP8266 Wi Fi模塊進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程控制。傳感器包括紅外測溫傳感器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、空氣質(zhì)量傳感器以及靠近傳感器等，通過采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32單片機(jī)進(jìn)行處理。

繼電器模塊用來控制電機(jī)以及噴霧器的工作狀態(tài)，舵機(jī)模塊用來控制投放不同種類的食物，電機(jī)用來控制糞便清理器，完成清理寵物排泄物的操作，同時(shí)可以實(shí)時(shí)測量實(shí)物重量及寵物當(dāng)前體重情況。當(dāng)系統(tǒng)檢測到異常情況時(shí)，蜂鳴器報(bào)警電路將會(huì)觸發(fā)報(bào)警。通過這些模塊的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了寵物的自動(dòng)化管理，方便了寵物主人的日常生活。

2、智能寵物管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示，由于本系統(tǒng)的功能模塊較多，功能模塊采用多種串口通信，為了滿足這些模塊的通信接口需求，采用SMT32F103ZET6開發(fā)板和物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板處理數(shù)據(jù)。ShineBlink與ESP8266 Wi Fi模塊、云平臺(tái)相連，STM32F103ZET6與壓力傳感器模塊、溫濕度傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊相連。STM32F103C8T6與ShineBlink物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板之間通過串行外設(shè)接口（Universal Asynchronous Receiver Transmitter,UART）通信。UART是一種串行異步收發(fā)協(xié)議，僅使用兩條數(shù)據(jù)線發(fā)送數(shù)據(jù)，有助于正確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

2.1 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2,STM32F103C8T6是一種嵌入式微控制器的集成電路，芯體尺寸是32位，主頻是72MHz，擁有豐富的通用I/O端口。該芯片采用ARM Cortex-M3的處理器內(nèi)核，具有高性能、低成本、低功效的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中的壓力傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、紅外測溫傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、靠近傳感器、溫濕度傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及舵機(jī)模塊都與該芯片相連。STM32F103C8T6芯片用于采集寵物的體溫、寵物是否停留在糧盆附近、寵物屋內(nèi)空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)绞謾C(jī)App。

系統(tǒng)上電后首先初始化單片機(jī)設(shè)備，初始化完成后便進(jìn)入模式選擇，模式選擇分為自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。自動(dòng)模式指各類傳感器自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，若工作狀態(tài)異常，則會(huì)進(jìn)入持續(xù)識(shí)別工作模式，直到工作狀態(tài)正常，系統(tǒng)才會(huì)進(jìn)入工作狀態(tài)。手動(dòng)模式指用戶通過手機(jī)App向系統(tǒng)發(fā)送命令，然后觀測每個(gè)傳感器傳回的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生異常會(huì)進(jìn)入持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)模式，直到數(shù)據(jù)傳輸正常。

3、智能寵物管理系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

3.1 遠(yuǎn)程操控和互動(dòng)功能

如圖3，用戶可以通過手機(jī)App實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)如食物或水的重量、空氣清新質(zhì)量等，實(shí)時(shí)了解寵物目前的情況，根據(jù)實(shí)際情況，從而決定是否需要投食或凈化空氣，同時(shí)還可以遠(yuǎn)程操作糞便清理器來清理寵物排泄物，或者是控制逗貓棒、激光筆之類的玩具來遠(yuǎn)程與寵物進(jìn)行互動(dòng)，讓寵物即使呆在籠子里也不會(huì)孤獨(dú)無聊，基本解決了寵物的生活問題，非常適用于主人短期外出，家中寵物無人照顧的場景。

3.2 排泄物清理和空氣凈化功能

如圖4，寵物管理系統(tǒng)內(nèi)放置有清理寵物排泄物功能的自制工具和空氣質(zhì)量傳感器，當(dāng)寵物排便后，若出現(xiàn)臭味或其他異味時(shí)，置于房間內(nèi)的空氣質(zhì)量傳感器會(huì)將數(shù)據(jù)反饋給處理器，處理器再通過云平臺(tái)將數(shù)據(jù)反饋給手機(jī)APP，用戶便能通過手機(jī)操作啟動(dòng)空氣清新劑噴霧裝置，噴出對(duì)寵物無傷害的氣體來凈化空氣，確保寵物所在環(huán)境沒有異味，改善寵物居住的環(huán)境。同時(shí)用戶也可以在App端隨時(shí)控制置于房間內(nèi)的糞便清理器工作，實(shí)現(xiàn)清理寵物排泄物的功能。

3.3 智能投食功能

根據(jù)圖5、圖6和圖7，通過使用壓力傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測寵物糧盆的重量，并將其與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行實(shí)時(shí)比較。同時(shí)，通過使用靠近傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測寵物是否在糧盆附近停留。當(dāng)壓力傳感器讀取的重量低于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，如果靠近傳感器反饋的信息顯示寵物沒有在糧盆附近，投食器會(huì)自動(dòng)開始工作，向糧盆補(bǔ)充糧食。然而，如果靠近傳感器反饋的信息顯示寵物當(dāng)前位于糧盆附近，為了避免驚嚇到寵物，即使此時(shí)糧盆重量低于系統(tǒng)設(shè)定值，投食器也不會(huì)開始工作。只有當(dāng)寵物離開糧盆附近后，投食器才會(huì)自動(dòng)補(bǔ)充糧食。這樣設(shè)計(jì)可以確保寵物在不受干擾的情況下正常進(jìn)食。

4、硬件微處理部分

寵物管理系統(tǒng)由微處理器，各類傳感器模塊，繼電器模塊、舵機(jī)模塊，電機(jī)模塊，WIFI模塊和云平臺(tái)等多部分組成。微處理器、云平臺(tái)和手機(jī)APP通過WIFI模塊進(jìn)行通信，傳遞和反饋數(shù)據(jù)，最后在手機(jī)APP上顯示出來，用戶則可通過手機(jī)APP進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，傳感器模塊包括壓力傳感器，靠近傳感器，空氣質(zhì)量傳感器等，分別對(duì)食物和水的重量、寵物是否處于糧盆附近、寵物管理系統(tǒng)的空氣質(zhì)量等進(jìn)行檢測。

繼電器模塊用來控制電機(jī)以及噴霧器的工作狀態(tài)，舵機(jī)模塊用來控制投放不同種類的食物，電機(jī)用來控制糞便清理器，完成清理寵物排泄物的操作。系統(tǒng)框圖如下圖8所示。

4.1 微處理器

硬件微處理部分選用ShineBlink開發(fā)板作為處理器，進(jìn)行微控制和工作，ShineBlink是一款主打物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的最小應(yīng)用系統(tǒng)板，以簡易開發(fā)為主，芯片內(nèi)置編譯器，無需安裝任何開發(fā)環(huán)境、Win、Mac、Linux電腦任意文本編輯器即可開發(fā)，開發(fā)環(huán)境簡單，便于上手編寫程序；其次，功能代碼實(shí)現(xiàn)簡單，無需進(jìn)行大量的初始化，僅用數(shù)行代碼即可實(shí)現(xiàn)多種傳感器功能，上手簡單、開發(fā)輕松！ShineBlink開發(fā)板如下圖所示。

4.2 壓力傳感器

壓力傳感器選用型號(hào)HX711壓力稱重傳感器，是一款專為高精度稱重傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在智能寵物管理系統(tǒng)中用于對(duì)寵物盒里的口糧和水進(jìn)行稱重，判斷是否需要添加糧食和水，同時(shí)將測量的數(shù)據(jù)反饋給微處理器。壓力傳感器如下圖10所示。

4.3 舵機(jī)模塊

舵機(jī)模塊選用型號(hào)為DS32系列的數(shù)字舵機(jī)，該款數(shù)字舵機(jī)內(nèi)部伺服控制板采用單片機(jī)MCU控制,給一次PWM脈寬，舵機(jī)輸出角度可鎖定?？刂凭雀?、線性度好、與控制協(xié)議嚴(yán)格一致，最小控制角度達(dá)到0.9°以下。數(shù)字電路板、金屬齒輪、CNC鋁中殼、雙滾珠軸承、散熱快、耐用更高,供電電壓在4.8-6.8V，工作電流可達(dá)1-2A，通過PWM信號(hào)控制，工作頻率在50Hz-330Hz，用于控制食物種類的選擇和糧食的投放，操作方便，效果顯著如下圖11所示。

5、軟件設(shè)計(jì)

5.1 程序流程圖

5.2 機(jī)智云平臺(tái)

機(jī)智云平臺(tái)是機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)公司多年積累和對(duì)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)深刻理解的結(jié)晶，為個(gè)人和企業(yè)開發(fā)者提供的一站式智能硬件開發(fā)及云服務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)涵蓋了產(chǎn)品定義、設(shè)備端開發(fā)調(diào)試、應(yīng)用開發(fā)、產(chǎn)測、云端開發(fā)、運(yùn)營管理、數(shù)據(jù)服務(wù)等全生命周期服務(wù)，助力智能硬件從接入到運(yùn)營的全方位支持。

機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為開發(fā)者提供了自助式智能硬件開發(fā)工具與開放的云端服務(wù)。通過方便的自助工具、完善的SDK與API服務(wù)能力最大限度降低了物聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)的技術(shù)門檻，降低開發(fā)者的研發(fā)成本，提升開發(fā)者的產(chǎn)品投產(chǎn)速度，幫助開發(fā)者進(jìn)行硬件智能化升級(jí)。機(jī)智云平臺(tái)的生態(tài)環(huán)境如下圖13所示。

5.3 網(wǎng)關(guān)設(shè)備

網(wǎng)關(guān)設(shè)備選用ESP8266串口WIFI模塊，模塊采用串口與MCU通信，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與WIFI之間的轉(zhuǎn)換，兼容3.3V和5V單片機(jī)系統(tǒng)，支持串口轉(zhuǎn)WIFI STA方案，模塊小巧，抗干擾能力強(qiáng)，性能好，穩(wěn)定可靠，作為接入機(jī)智云平臺(tái)的網(wǎng)關(guān)，可以將硬件設(shè)備連接云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)硬件聯(lián)網(wǎng)，wifi模塊與MCU的連線圖如下14所示。

5.4 App開發(fā)

通過機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可以輕松地開發(fā)自己的APP，并根據(jù)需求自行設(shè)計(jì)APP界面?？梢曰谝延心K進(jìn)行設(shè)計(jì)，并添加所需的數(shù)據(jù)點(diǎn)以滿足功能需求。使用WIFI模塊，可以實(shí)現(xiàn)與云平臺(tái)和微處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸。在機(jī)智云平臺(tái)上開發(fā)智能硬件時(shí)，不僅可以方便地使用該APP對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證，還可以完成一系列基本設(shè)備操作，如配置入網(wǎng)、設(shè)備搜索、設(shè)備綁定、設(shè)備登錄、設(shè)備控制、遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)更新、本地遠(yuǎn)程切換等。

同時(shí)，可以創(chuàng)建所需的數(shù)據(jù)點(diǎn)來傳輸和更新硬件設(shè)備上傳到云平臺(tái)的數(shù)據(jù)。具體操作示例如圖15所示。通過機(jī)智云平臺(tái)，可以高效地開發(fā)屬于自己的智能硬件，并實(shí)現(xiàn)與APP之間的數(shù)據(jù)傳輸和控制功能。

6、作品實(shí)物展示

7、測試結(jié)果及分析

該系統(tǒng)經(jīng)過充分測試，能自動(dòng)采集、傳輸和處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能投喂、遠(yuǎn)程清理寵物排泄物、遠(yuǎn)程互動(dòng)和空氣凈化。當(dāng)空氣質(zhì)量異常時(shí)，噴霧裝置釋放特殊液體凈化空氣，壓力傳感器檢測食物或水重量決定是否添加，手機(jī)App可選擇不同食物投放。系統(tǒng)可解決寵物無人照顧問題。與機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)接后，云平臺(tái)批量管理設(shè)備，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。