一種智能寵物居的設(shè)計

王怡 楊玉斌 韓家駿 謝帆

（東南大學(xué)成賢學(xué)院 江蘇省南京市 210000）

隨著社會不斷進(jìn)步，人們的生活水平日益提高，越來越多的家庭選擇飼養(yǎng)一個或多個寵物陪伴家人的生活與成長。從《2020年中國寵物行業(yè)白皮書》中了解到，2020年全國城鎮(zhèn)犬貓數(shù)量超過1億，比2019年增長1.7%。2020年全國城鎮(zhèn)養(yǎng)寵主人達(dá)6294 萬人，較2019年新增174 萬。由此可見寵物飼養(yǎng)的普遍性。

寵物作為人類精神的寄托，人們通常對寵物傾注更多的照料和關(guān)心。2020年中國城鎮(zhèn)寵物消費市場規(guī)模達(dá)2065 億元。其中寵物食品消費是最大的養(yǎng)寵支出，寵物診療和寵物用品的增速最快。但同時，社會分工的明確，工作量的增加，以至于因平時工作忙或出差時而難以實時照料寵物，同時寵物在家庭內(nèi)及戶外的活動一般是不可控的，因而需要一款可以智能照看的寵物居住行的一體化設(shè)備。

當(dāng)前市場上出現(xiàn)的喂養(yǎng)器雖然實現(xiàn)了定時定量的喂養(yǎng)，但通常都是機械式的，無法區(qū)分多個寵物，從而無法根據(jù)寵物的現(xiàn)實情況進(jìn)行精細(xì)化喂養(yǎng)。其次，傳統(tǒng)的寵物項圈是為了保護(hù)、控制和牽引寵物，功能相對單一。也無法定位寵物的具體位置，無法確定不在視線范圍內(nèi)的寵物安全。一旦寵物走失或遭遇不測，無疑會給主人帶來較大的損失[1][2]。

所以，我們通過調(diào)查養(yǎng)寵人的需求，進(jìn)行可實現(xiàn)化。我們通過GPS 項圈隨時精準(zhǔn)定位，IOT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)隨時監(jiān)控智能食盒，保證定時定量的輸出，同時在食盒內(nèi)加入了溫濕度傳感器和承重模塊，在一定程度上對寵物食物的進(jìn)行監(jiān)控，從而提高了寵物的舒適度，適用價值高，同時提高了生活幸福感。

1 項目設(shè)計的意義

寵物已經(jīng)是現(xiàn)在社會很多家庭中不可或缺的成員之一了，但是在現(xiàn)代科技社會的飛速發(fā)展下，我們并沒有足夠多的精力去照顧自己的寵物，自然而然就需要利用一些科技來替我們?nèi)ソ鉀Q一些寵物的日常需求。本次設(shè)計，我們針對寵物智能住行的問題展開了研究，不僅為人們提供方便與快捷，也讓寵物獨自在家有了一定得保障。其中項目的亮點如下：

1.1 智能性

與一般的喂養(yǎng)器不同，本設(shè)計可以實現(xiàn)區(qū)分不同的寵物，使每一個寵物只能打開自己獨特的食盒，以實現(xiàn)一對一的模式，防止寵物之間實現(xiàn)搶食物等問題。

1.2 便捷性

一方面我們制定的食盒可以根據(jù)寵物的需要自動打開食盒開，進(jìn)而方便寵物的日常進(jìn)食，同時主人可以隨時監(jiān)控到食盒的剩余量多少，從而選擇是否添加食物等，在為提供方便的同時，也保障了寵物食量的時刻充足。另一方面，我們在食盒上安裝了測量模塊，監(jiān)測食盒的環(huán)境，可以看到食盒的溫濕度變化，旨在為了使食物保持最好的狀態(tài)。

1.3 安全性

我們設(shè)定的項圈帶有GPS 功能，可隨時定位寵物，若感應(yīng)超過規(guī)定范圍，便及時提醒主人找回寵物，增強了寵物的安全性，極大地防止寵物走失。

1.4 及時性

寵物所攜帶的項圈可以隨時提供準(zhǔn)確位置，方便主人第一時間確定寵物位置，保證其安全。同時，不論是食盒的環(huán)境、食物的含量、還是寵物的位置，都可以通過手機小程序?qū)崟r監(jiān)控[3]。

首先，智能時代講究萬事皆智能，智能也是本設(shè)計的重點，用智能解決寵物的吃住行，同時還在一定程度上解決了主人的雙手。其次，安全性也是重中之重，情感也是人們?nèi)找孀非蟮模鴮櫸锱c人類的感情也是極為重要的，所以保證寵物安全極有必要。綜上，智能寵物居的現(xiàn)實意義極大。

2 項目設(shè)計方案

本項目由智能寵物項圈和食盒兩個部分組成，設(shè)計實現(xiàn)溫度測試功能、承重顯示功能、無線射頻功能、GPS 定位功能。在上述研究背景之下，基于擁有寵物的戶主越來越普遍，如何能更便利于擁有多只寵物的家庭成為了此項目研究目標(biāo)。為解決背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題，設(shè)計出一種基于IOT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的寵物居的實現(xiàn)。此寵物居不僅能夠使寵物主人時刻掌握寵物的位置狀況、進(jìn)食狀況，還能夠通過LED 顯示食量，對用戶進(jìn)行補餐提醒；并且也能夠通過采用GPS 定位功能有有效防止寵物丟失，及時的提醒主人找回寵物，適合推廣使用。系統(tǒng)設(shè)計總覽圖如圖1 所示。并將以上功能分為以下幾個模塊：

2.1 檢測模塊

檢測模塊主要位于食盒中，在食盒中加入控制單元、食物承重檢測單元、LED 屏幕顯示模塊，通過喂食承重檢測單元對食物的重量進(jìn)行承重檢測、溫濕度傳感器對食盒環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，將結(jié)果傳輸?shù)娇刂茊卧治龊?，輸入LED 屏幕顯示模塊，使得用戶可以直接通過LED 屏幕進(jìn)行查看食盒具體剩余的食物量，避免過多投喂造成浪費。同時連接Wi-Fi 模塊，實現(xiàn)物聯(lián)功能，使用戶可以通過手機小程序看到如上數(shù)據(jù)。

2.2 GPS定位模塊

在項圈內(nèi)利用GPS 定位模塊確定位置，首先接收衛(wèi)星信號，與衛(wèi)星信號同步，提取導(dǎo)航電文信息，從而得到時間，位置，衛(wèi)星數(shù)量等信息，然后將數(shù)據(jù)上傳單片機，通過Wi-Fi 上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器，手機網(wǎng)站內(nèi)置電子地圖數(shù)據(jù)，從服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)后即可將GPS信號接收點實時顯示在電子地圖上，實現(xiàn)對項圈的定位功能。

2.3 識別模塊

其中智能寵物項圈是基于RFID 的芯片運用無線射頻技術(shù)實現(xiàn)與食盒的識別，這樣寵物不會混淆它們的食盒，同時亦不會因為進(jìn)食原因而發(fā)生寵物之間的爭搶從而造成不必要的麻煩。

識別模塊使用RFID 無線射頻技術(shù)，共兩個部分，分別存在于項圈和食盒中。我們在項圈中安裝電子標(biāo)簽，在食盒的寵物取食部位上安裝閱讀器，只有電子標(biāo)簽和閱讀器接近到一定距離互相匹配時，食盒的蓋子才會打開以供寵物取食，達(dá)到識別不同寵物，防止寵物之間搶食的目的。

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)置

本設(shè)計要求實現(xiàn)自動開啟功能、溫濕度測試功能、承重顯示功能、GPS 定位功能，因此選用單片機去控制電路、舵機去自動開啟食盒。本設(shè)計主要由STM32 單片機連通三大模塊、六大功能。主控模塊選用高性能、低成本、低功耗的STM32，并確定STM32F103 為核心板，系統(tǒng)需要編寫大量程序?qū)纹瑱C進(jìn)行控制。因此本次采用的軟件為keil，主要思想是根據(jù)所設(shè)計的寵物居的基本要求設(shè)計的。

識別模塊使用RFID 無線射頻技術(shù)，共兩個部分，分別存在于項圈和食盒中。我們在項圈中安裝電子標(biāo)簽，在食盒的寵物取食部位上安裝閱讀器，只有電子標(biāo)簽和閱讀器接近到一定距離互相匹配時，食盒的蓋子才會打開以供寵物取食，達(dá)到識別不同寵物，防止寵物之間搶食的目的。本設(shè)計的核心為RFID 無線射頻技術(shù)，經(jīng)代碼編寫、串口配置、接線、燒錄，實現(xiàn)信號之間的傳輸和匹配，又根據(jù)射頻匹配信號，輸入STM32 后，通過定時器輸出PWM 波，其周期20ms，高電平占空比1.5ms?？刂贫鏅C，使舵機轉(zhuǎn)動90°，從而帶動食盒開關(guān)的開啟。

基于檢測模塊，運用了溫濕度模塊DHT11。數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。每個DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP 內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC 測溫元件，并與一個高性能8 位單片機相連接。使用單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。與溫濕度相連接的是一款超低功耗的UART-WiFi 透傳模塊ESP8266，可將用戶的物理設(shè)備連接到Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。在mpvue 環(huán)境下下載sass-loader 使用vscode 編程小程序，微信開發(fā)工具導(dǎo)入后通過阿里云平臺連接mqtt 服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸互聯(lián)。

而在檢測模塊的承重功能使用5kg 的壓力傳感器和HX711 模塊相連，利用電阻應(yīng)變式壓力傳感器將重力轉(zhuǎn)換成電壓，在711 模塊A 通道帶有128 倍信號增益，可以將產(chǎn)生的電壓放大128 倍，然后采樣輸出24bitAD 轉(zhuǎn)換的值，連接STM32 單片機，通過指定時序?qū)?4bit 數(shù)據(jù)輸出。然后連接WiFi 模塊與溫濕度數(shù)據(jù)一同上傳到小程序里。另外將承重模塊和溫濕度模塊連接到LED 顯示模塊，使得用戶可以直接通過LED 屏幕實時監(jiān)控食盒的參數(shù)。

基于GPS 定位模塊，使用高性能、高集成度的多模衛(wèi)星定位導(dǎo)航模塊AIR530 模塊，驅(qū)動程序采用NMEA 0183 V4.1 協(xié)議，接收衛(wèi)星信號，與衛(wèi)星信號同步，提取導(dǎo)航電文信息，使用$GPGGA語句，得到時間，位置，衛(wèi)星數(shù)量等信息。530 模塊不間斷的重復(fù)發(fā)送這些語句到STM32 單片機上，通過Wi-Fi 模塊上傳語句數(shù)據(jù)小程序，使用上位機軟件進(jìn)行分析，根據(jù)定位原理計算出GPS 接收機的初始位置，即可實現(xiàn)定位，并將其轉(zhuǎn)換成所需的坐標(biāo)格式進(jìn)行顯示[4]。定位模塊設(shè)計圖如圖2 所示。

本設(shè)計主要研究的是一個基于STM32 單片機的智能寵物居，包括自動喂食，檢測環(huán)境參數(shù)以及實時定位。此系統(tǒng)包含了由單片機STM32 連接的檢測模塊、識別模塊、定位模塊。隨著社會的發(fā)展，人們物質(zhì)生活要求越來越高，對于寵物的依賴也越來越高，因此對于此設(shè)計的出現(xiàn)，給予了那些擁有寵物的人們更多的方便，具有重大意義。