智能化的家養(yǎng)寵物喂食器設(shè)計(jì)

哈爾濱華德學(xué)院 白亞梅

本文提出了設(shè)計(jì)一款智能化家養(yǎng)寵物喂食器的構(gòu)想，并對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了具體闡述。其應(yīng)用原理是使用者能夠提前錄制提示語(yǔ)音，在設(shè)定好的喂食時(shí)間播放，并根據(jù)寵物自身進(jìn)食習(xí)慣，將喂食量和喂食次數(shù)都提前設(shè)定好，在家中無人的情況下，喂食器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)喂食。此智能化喂食器還支持遠(yuǎn)程WIFI操控，使用者可在手機(jī)上實(shí)時(shí)查看投喂情況，在必要情況下可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，輕松實(shí)現(xiàn)智能喂食和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

從具體研究數(shù)據(jù)來看，很多家庭在家養(yǎng)寵物喂養(yǎng)上存在著諸多不便。飼養(yǎng)者往往要出門工作、學(xué)習(xí)，在此期間無法將寵物帶在身邊。雖然家中老人空閑時(shí)間較多，但是受身體狀況的影響，也無法保證準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)的喂食寵物。傳統(tǒng)的喂養(yǎng)方式需要飼養(yǎng)者投入大量的時(shí)間和精力，必須做到親力親為。使用智能化家養(yǎng)寵物喂食器則可以很好的解決這一問題。寵物即使在無人看管的情況下，也能獲得充足的食物和水源供給，因其使用方法簡(jiǎn)單、適用面廣，因此擁有良好的發(fā)展前景和廣闊的市場(chǎng)。本文設(shè)計(jì)的智能化家養(yǎng)寵物喂食器以STM8單片機(jī)為主控芯片，對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投喂。

1 家養(yǎng)寵物喂食器市場(chǎng)現(xiàn)狀分析

1.1 基本功能

家養(yǎng)寵物喂食器作為一款智能化產(chǎn)品，需要具備支持移動(dòng)設(shè)備遠(yuǎn)程操控的能力，即使使用者外出時(shí)也可利用手機(jī)、iPad等設(shè)備實(shí)時(shí)查看喂食器的使用情況。其基本功能應(yīng)包括：（1）定時(shí)喂食功能。此功能在模式上可以進(jìn)行具體劃分，可分為普通、出差和手動(dòng)喂食三種模式，方便使用者根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。（2）錄音功能。主人可以提前錄制好呼喚寵物進(jìn)食的聲音，到喂食時(shí)間時(shí)，喂食器會(huì)自動(dòng)播放錄音，吸引寵物注意力，以起到提醒寵物就餐的目的。除了這些 基礎(chǔ)功能外，還應(yīng)配有定量投喂、遠(yuǎn)程監(jiān)控、雙向語(yǔ)音通信等功能；此外，還應(yīng)當(dāng)提供應(yīng)急功能，確保在斷網(wǎng)斷電的情況下，喂食器依然能夠正常運(yùn)行，為使用者營(yíng)造更好的使用體驗(yàn)。伴隨著使用者使用需求的改變，喂食器也應(yīng)進(jìn)行完善、優(yōu)化，增設(shè)更多的人性化功能。

1.2 產(chǎn)品類型

當(dāng)前，市面上常見的喂食器可分為三種，分別為手動(dòng)、半自動(dòng)和全智能。手動(dòng)喂食器指的就是喂食盤，需要主人親自將寵物糧和水源放入喂食盤供寵物食用和飲用。半自動(dòng)喂食器，主人可以提前設(shè)定好喂食時(shí)間和喂食量，但是這一操作需要主人通過觸碰喂食器上自帶的功能按鈕來完成。智能化喂食器，主人可以利用手機(jī)APP設(shè)定投喂時(shí)間和投喂量，不受時(shí)間、地域的限制，可根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)調(diào)整。根據(jù)使用后反饋來的結(jié)果，智能化喂食器無論在功能性、實(shí)用性和用戶使用感受上，都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于另外兩種。

1.3 主要消費(fèi)對(duì)象

部分寵物飼養(yǎng)者由于學(xué)習(xí)、工作等原因，會(huì)不定時(shí)的外出一段時(shí)間，無法有規(guī)律的、定時(shí)定量的對(duì)寵物進(jìn)行喂養(yǎng)。若寵物長(zhǎng)期沒有充足的食物和水源，身體健康勢(shì)必會(huì)受到影響，這一情況在很多飼養(yǎng)寵物的家庭都存在。因此，智能化家養(yǎng)寵物喂食器的消費(fèi)對(duì)象主要是處于工作或?qū)W習(xí)階段的人群，以年輕人為主。此類人群往往面臨著較大的生活壓力，希望通過飼養(yǎng)寵物來獲取精神寄托；但是白天又要忙于工作和學(xué)習(xí)，無法很好的照顧、喂養(yǎng)寵物。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本文設(shè)計(jì)的智能化家養(yǎng)寵物喂食器以STM8單片機(jī)作為控制中心，配有OLED顯示系統(tǒng)、音頻錄放系統(tǒng)、WIFI模塊、時(shí)鐘電路等多個(gè)子系統(tǒng)，其具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 智能喂食器總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)功能如下：

（1）音頻錄放系統(tǒng)由音頻輸入電路、音頻輸出電路和語(yǔ)音芯片電路三部分構(gòu)成，用戶可以提前錄制好多段語(yǔ)音，到達(dá)喂食時(shí)間時(shí)喂食器會(huì)自動(dòng)播放錄音，以起到吸引寵物注意力的效果，提醒寵物進(jìn)食。

（2）單片機(jī)控制器會(huì)以DS1302提供的時(shí)間為參數(shù)，設(shè)定用餐基準(zhǔn)時(shí)鐘。使用者可以根據(jù)寵物以往的進(jìn)食習(xí)慣，設(shè)定參數(shù)、時(shí)間及喂食量等數(shù)據(jù)。控制器起到的是總控作用，結(jié)合音頻錄放系統(tǒng)完成智能化喂食工作。

（3）用戶可以利用WIFI模塊，實(shí)時(shí)查看喂食器的具體工作情況，起到一定的遠(yuǎn)程監(jiān)控作用。若用戶因某種原因忘記設(shè)置喂食信息或喂食信息臨時(shí)有所更改，可以通過APP進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，更具便利感。

3 硬件、軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 單片機(jī)選擇

在單片機(jī)的選擇上選用了ST公司研發(fā)的STM8S103，該單片機(jī)擁有價(jià)格低廉、性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)部含有8 K Flash，1 K RAM和640 B的EEPROM，并配有10個(gè)ADC轉(zhuǎn)換器、3個(gè)定時(shí)器及多個(gè)接口。

3.1.2 音頻輸出、輸入電路

選用ISD公司生產(chǎn)的ISD4002語(yǔ)音錄放芯片用來錄制音頻，該芯片應(yīng)用DAST技術(shù)完成語(yǔ)音的錄入和存儲(chǔ)工作，最高可支持長(zhǎng)達(dá)4 min的語(yǔ)音錄放。ISD4002芯片內(nèi)部配有振蕩器、濾波器、音頻增大器等部件，因其錄音清晰、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的使用；其運(yùn)行流程十分簡(jiǎn)單，麥克風(fēng)驅(qū)動(dòng)電路會(huì)將使用者錄制的語(yǔ)音轉(zhuǎn)存至芯片當(dāng)中，到達(dá)指定時(shí)間時(shí)即可自動(dòng)播報(bào)。

3.1.3 電源模塊

在該系統(tǒng)中，CPU和ISD4002芯片的供電電壓為3.3 V，其余模塊的供電電壓為6 V，因此喂食器在運(yùn)行時(shí)，整機(jī)耗電量較低。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，我們可以應(yīng)用外接電源向喂食器提供6 V電源，再經(jīng)LM117-3.3轉(zhuǎn)化成3.3 V電壓，以供CPU和ISD4002芯片使用。

3.1.4 按鍵及顯示模塊

為了降低電能損耗，選用了0.96 in帶字庫(kù)OLED12864顯示模塊，相較于傳統(tǒng)的LCD顯示屏，具備可視角度范圍廣、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)；除了數(shù)字，漢字、圖案等內(nèi)容也能精準(zhǔn)的顯示出來。該模塊和單片機(jī)之間采用IIC的方式進(jìn)行通信，因此對(duì)單片機(jī)的性能要求不高，只需要具備SDA雙向數(shù)據(jù)線和SCL時(shí)鐘信號(hào)線就可完成顯示控制工作。鍵盤上配有6個(gè)可獨(dú)立操作的按鍵，key0和key1分別為啟動(dòng)鍵和停止鍵，key2為功能鍵，可以設(shè)置喂食時(shí)間、喂食量、喂食次數(shù)等內(nèi)容；key3、key4分別可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減設(shè)置，key5為確定鍵，當(dāng)所有參數(shù)設(shè)置完畢后，按key5退出設(shè)置模式，喂食器會(huì)按照設(shè)定自動(dòng)進(jìn)行工作狀態(tài)。

3.1.5 WIFI模塊及電機(jī)控制

（1）在本設(shè)計(jì)方案中，我們把電機(jī)電路看作是虛擬喂食進(jìn)料裝置，電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短直接代表著喂食量。系統(tǒng)控制光耦PC817隔離驅(qū)動(dòng)發(fā)送有效信號(hào)，通過M-con傳送至控制電機(jī)，系統(tǒng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，反之電機(jī)停止工作。在實(shí)際運(yùn)行過程中還可以通過調(diào)整占空比信號(hào)來調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

（2）選用ESP8266串口作為WIFI模塊。因?yàn)槲故称骱陀脩羰褂玫囊苿?dòng)設(shè)備并不位于同一服務(wù)器，所以，在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，應(yīng)先完成入網(wǎng)連接工作。在進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，單片機(jī)會(huì)發(fā)出AT指令，確保喂食器和路由器處于連接狀態(tài)。此時(shí)，用戶就可以利用APP向服務(wù)器發(fā)送控制指令，再經(jīng)由路由器轉(zhuǎn)送至系統(tǒng)控制終端，控制中心在接收到指令后會(huì)按照其具體要求進(jìn)行相關(guān)操作。與此同時(shí)，喂食器還可以將實(shí)際使用情況經(jīng)由路由器傳送至用戶的移動(dòng)設(shè)備，不受地域影響，輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離智能監(jiān)控。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)在運(yùn)行之前，應(yīng)確保WIFI模塊的網(wǎng)絡(luò)連接處于正常狀態(tài)。通電后，先對(duì)WIFI和DS1302模塊進(jìn)行初始化，隨后開啟時(shí)鐘顯示，利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)和使用者之間的無線通信。使用者可利用錄音電路及功能鍵盤完成提示音錄制和喂食具體參數(shù)的設(shè)置。在運(yùn)行過程中，若喂食器接收到了使用者傳送的控制信息，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)更新，按照全新的工作指令進(jìn)行工作；如果沒有接收到新的控制信息，則按照提前設(shè)定好的程序進(jìn)行自動(dòng)喂食。

結(jié)束語(yǔ)：本文設(shè)計(jì)了一款可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投喂的智能化家養(yǎng)寵物喂食器，用戶可根據(jù)實(shí)際使用需求，設(shè)置喂食時(shí)間、數(shù)量、次數(shù)等內(nèi)容，并設(shè)有錄音等輔助功能，可以確保喂食器更好的完成投喂工作。除此之外，使用者可以利用移動(dòng)設(shè)備登錄APP，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)向喂食器發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操控和監(jiān)督。此款喂食器在家中無人時(shí)，也能夠?yàn)閷櫸锇磿r(shí)按點(diǎn)的提供食物和水源，且具有一定的靈活性，可隨時(shí)更改運(yùn)行參數(shù)，擁有良好的應(yīng)用前景。