機(jī)智云技術(shù)在寵物管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳金誼 李泳清 邱廣萍

摘 要：為了方便人們更好地管理寵物，設(shè)計(jì)基于STM32和機(jī)智云SDK進(jìn)行二次開發(fā)的安卓APP寵物管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)整合WiFi聯(lián)網(wǎng)模塊和傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程觀察寵物狀況、控制管理寵物喂食以及清理等服務(wù)，從根本上解決由于時(shí)間距離關(guān)系不能更好地照顧寵物的需求。機(jī)智云開發(fā)平臺(tái)操作簡單方便，兼容性好，系統(tǒng)安全性能高。

關(guān)鍵詞：機(jī)智云技術(shù);寵物管理;STM32;WiFi聯(lián)網(wǎng)模塊;傳感器技術(shù);安卓APP

中圖分類號(hào)：TP510文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）09-00-03

0 引 言

在我國，飼養(yǎng)的寵物越來越多，但人們由于工作、生活的原因沒有更多的時(shí)間更好地照顧管理寵物，因此對飼養(yǎng)寵物工具的要求也越來越高。目前在市場上寵物喂食系統(tǒng)部分是人工喂養(yǎng)，多半是半自動(dòng)喂養(yǎng)，產(chǎn)品比較單一，在一定程度上無法滿足人們的需求。針對目前市場的需求，整合市場上單一產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于機(jī)智云技術(shù)的智能寵物管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)以Cortex-M4為內(nèi)核的STM32F429芯片為核心，通過機(jī)智云整合單片機(jī)、WiFi物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對寵物智能喂養(yǎng)與管理的功能。

1 機(jī)智云技術(shù)

從2014年推出的機(jī)智云1.0到現(xiàn)在的機(jī)智云3.0，機(jī)智云實(shí)現(xiàn)了技術(shù)積累，提供物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、硬件通信、終端APP一體化產(chǎn)品服務(wù)和云服務(wù)，為有物聯(lián)網(wǎng)管理需求的客戶提供連接、運(yùn)營管理、數(shù)據(jù)分析等服務(wù)。用戶可以自定義統(tǒng)計(jì)分析，對機(jī)智云SDK進(jìn)行二次開發(fā)，使智能硬件設(shè)備接入機(jī)智云后的功能更加完善，更加便于管理。機(jī)智云的功能可以概括為連接硬件設(shè)備，存儲(chǔ)分析數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)的安全性，通過唯一的標(biāo)識(shí)碼鏈接主控設(shè)備后控制設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)的價(jià)值源于萬物互聯(lián)的“智能化”，機(jī)智云為企業(yè)提供智能硬件自助開發(fā)工具（PaaS）及物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)解決方案（SaaS），走在了物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)市場的前列。機(jī)智云開發(fā)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

2 總體設(shè)計(jì)

寵物管理系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)包括主控模塊、電機(jī)模塊、液晶屏顯示操作模塊、傳感器模塊、電源模塊和攝像頭模塊。軟件系統(tǒng)首先要開發(fā)環(huán)境搭建，完成MDK軟件安裝、USB串口驅(qū)動(dòng)安裝、ST-LINK安裝，采用C++/C語言和單片機(jī)C51等語言來編寫模塊化程序。軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)功能，并在手機(jī)開發(fā)相應(yīng)APP系統(tǒng)。機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)一方面遠(yuǎn)程控制移動(dòng)終端，利用網(wǎng)絡(luò)和底層控制相關(guān)功能，實(shí)物搭建完畢和下載好程序，上傳好數(shù)據(jù)，就可以通過液晶屏、自動(dòng)檢測、安卓手機(jī)進(jìn)行發(fā)送指令;另一方面把數(shù)據(jù)上傳到機(jī)智云端，機(jī)智云的服務(wù)器就會(huì)對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，將結(jié)果上傳到控制終端，并在終端中顯示，這種形式克服了時(shí)間和區(qū)域問題，能精確地知道寵物的活動(dòng)狀況[1]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文的控制系統(tǒng)以Cortex-M4為內(nèi)核的STM32F429芯片為控制核心，通過溫濕度傳感器對寵物屋的空氣溫度、濕度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測;利用嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過溫濕度傳感器和激光傳感器的應(yīng)用，并借助Andriod APP終端實(shí)現(xiàn)對寵物的遠(yuǎn)程觀察。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測相關(guān)參數(shù)，并以此判斷當(dāng)前的物理環(huán)境狀況，自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度、濕度以及投放食物量等相關(guān)操作。

主控模塊使用了ARM公司的STM32F429芯片、CH340G芯片、AT24C02芯片。電機(jī)模塊使用了Realplay品牌的微型130小電機(jī)來控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，使用立式的型號(hào)為ZGA37RH電機(jī)控制喂食的閥門和清理糞便。液晶顯示屏模塊用于顯示溫濕度和激光測量距離實(shí)物的高度等。傳感器模塊由溫度傳感器、濕度傳感器組成。電源模塊有兩種供電模式：USB供電模式和電池供電模式。攝像頭模塊用于觀察寵物的活動(dòng)狀況，應(yīng)用市場上成本較低但比較成熟的攝像頭。

3.1 WiFi模塊

WiFi聯(lián)網(wǎng)屬于辦公和家庭使用的短距離無線技術(shù)，具有速度快、可靠性高等特點(diǎn)。在開放性區(qū)域，通信距離可達(dá)300 m左右;在封閉性區(qū)域，其通信距離為100 m左右，組網(wǎng)的成本低。該系統(tǒng)選用的ESP8266 WiFi模塊芯片是一款串口轉(zhuǎn)無線芯片模塊，內(nèi)部自帶固件，用戶操作簡單，無需編寫時(shí)序信號(hào)。ESP8266 WiFi模塊內(nèi)部配置TCP/IP協(xié)議，支持Smart Config功能;支持SPI，UART，I2C，I2S，PWM，GPIO，IR遠(yuǎn)程控制功能，以及2 ms喚醒，連接并傳遞數(shù)據(jù)開發(fā)包的特性。

3.2 傳感器模塊

溫濕度傳感器模塊包括溫濕度顯示、自動(dòng)調(diào)節(jié)溫濕度、人工調(diào)節(jié)溫濕度等。它有三大執(zhí)行元件：DTH11溫濕度傳感器、5 V電熱片和5 V/1 A直流小電機(jī)。本設(shè)計(jì)中，當(dāng)DTH11溫濕度傳感器給主控系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)高于設(shè)定值時(shí)，主控系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號(hào)使直流小電機(jī)開始工作降溫;當(dāng)數(shù)據(jù)低于設(shè)定值時(shí)，主控系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號(hào)使電熱片工作升溫。

為了防止電熱片與直流小電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)，電流過大影響芯片和DTH11溫濕度傳感器，本系統(tǒng)采用分開供電模式：DTH11的電源來自于主控板阿波羅STM32F429IGT開發(fā)板的電源端口，而電熱片和直流小電動(dòng)機(jī)的電源直接采用18650鋰電池來供電。電熱片和直流小電動(dòng)機(jī)均采用PWM脈沖信號(hào)控制，但不是直接使用PWM脈沖信號(hào)控制，而是使用兩個(gè)小繼電器單獨(dú)控制電熱片和直流小電動(dòng)機(jī)。主控模塊用PWM脈沖信號(hào)來控制繼電器，從而間接控制電熱片和直流小電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和關(guān)閉。采用繼電器來控制的方案是經(jīng)過綜合考慮的，這樣不僅經(jīng)濟(jì)、安全，而且使用簡單。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)和STemWin圖形界面系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，對μC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)和STemWin圖形系統(tǒng)移植;接著，編寫各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)代碼，為每個(gè)模塊開啟相應(yīng)的任務(wù)，分配好棧和優(yōu)先級(jí)，同時(shí)利用仿真器制作相應(yīng)的按鈕控件，并在Visual C++ 6.0上進(jìn)行測試;最后，將測試好的控件代碼移植到工程中，這樣就可以通過μC/OS-Ⅲ對圖形界面的相關(guān)控件任務(wù)進(jìn)行調(diào)用并顯示，根據(jù)寵物家園的硬件系統(tǒng)進(jìn)行模塊化編寫，而程序使用IAR軟件進(jìn)行編寫。

4.1 機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)

在該系統(tǒng)應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是市面上的智能喂食系統(tǒng)版和集合版，把單一的寵物喂食系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)一個(gè)更加完美和符合市場需求的產(chǎn)品，是原來產(chǎn)品的升級(jí)版，實(shí)現(xiàn)對寵物遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。寵物管理系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控主要功能有兩點(diǎn)：用戶手機(jī)APP軟件與喂養(yǎng)裝置和清理糞便裝置進(jìn)行通信;在安卓APP上隨時(shí)都可以觀察寵物的活動(dòng)狀態(tài)。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層。通過上面分析，通信模塊主要是基于IEEE 802.11協(xié)議的WiFi低功耗SoC廣域網(wǎng)，工作在2.4 GHz/5 GHz頻段，可以借助于互聯(lián)網(wǎng)、云概念和智能終端，更加方便地對任何物體進(jìn)行連接。物聯(lián)網(wǎng)對所連接的設(shè)備的通信協(xié)議要求有以下三點(diǎn)：聯(lián)網(wǎng)的每一物件均可尋址;聯(lián)網(wǎng)的每一物件可通信;聯(lián)網(wǎng)的每一物件可控制[2]。為滿足以上要求，該系統(tǒng)采用WiFi聯(lián)網(wǎng)的方式，使硬件系統(tǒng)成為可通信可控制的網(wǎng)絡(luò)體。機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

4.2 手機(jī)APP開發(fā)

本系統(tǒng)所用遠(yuǎn)程控制的客戶端是基于機(jī)智云開發(fā)的安卓APP控制。根據(jù)機(jī)智云部署步驟和調(diào)試步驟，在機(jī)智云平臺(tái)開發(fā)SoC模式，創(chuàng)建安卓APP的操作步驟如圖4所示，成功地把硬件系統(tǒng)接入到機(jī)智云服務(wù)。

在創(chuàng)建機(jī)智云服務(wù)之前需要先下載安卓APP開源框架，并準(zhǔn)備好Eclipse開源框架編譯環(huán)境。導(dǎo)入項(xiàng)目到Eclipse工程后，根據(jù)開源框架包結(jié)構(gòu)的說明，修改UIConfig.json文件，在這里可以配置工程的配置信息。正確填寫機(jī)智云的Product Key，APP ID，APP Secret后，工程就可以部署運(yùn)行。云端會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)仿真設(shè)備，可模擬真實(shí)設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)的行為。在實(shí)體設(shè)備還未開發(fā)完成的情況下，開發(fā)者可以利用機(jī)智云提供的虛擬設(shè)備工具進(jìn)行APP調(diào)試，測試遠(yuǎn)程控制設(shè)備的功能。其中，在WiFi鏈接模式時(shí)，當(dāng)WiFi通信在無優(yōu)先級(jí)或者BT/ZB優(yōu)先級(jí)較高的情況下，可以人為中斷WiFi工作，只需通過GPIO口來區(qū)分各個(gè)通信的優(yōu)先級(jí)。利用聯(lián)網(wǎng)的IP地址與安卓APP連接，通過該端口發(fā)送參數(shù)信息，并通過APP界面顯示。要實(shí)現(xiàn)機(jī)智云APP與硬件設(shè)備聯(lián)調(diào)，首先要使手機(jī)和硬件設(shè)備連接到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，通過網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)出請求，并且獲得相應(yīng)的信息。信息的傳遞是雙向的，機(jī)智云APP可以控制硬件設(shè)備，若手動(dòng)操作硬件設(shè)備，APP界面上相應(yīng)的數(shù)據(jù)也會(huì)變化。該系統(tǒng)相應(yīng)的安卓APP界面如圖5所示。

5 測 試

（1）首先在機(jī)智云平臺(tái)上的開發(fā)者中心打開已經(jīng)開發(fā)的Android APP—寵物管理系統(tǒng)，依次點(diǎn)擊“在線調(diào)試設(shè)備”“啟動(dòng)虛擬設(shè)備”。在頁面上有生成已開發(fā)的寵物管理系統(tǒng)的二維碼，手機(jī)下載機(jī)智云，進(jìn)入機(jī)智云APP掃描二維碼進(jìn)行綁定。然后進(jìn)行電腦模擬虛擬設(shè)備控制和手機(jī)APP操作按鈕進(jìn)行測試。在模擬設(shè)備和手機(jī)APP上操作有數(shù)據(jù)并且在仿真軟件無誤顯示的話，證明在線測試成功。

（2）把手機(jī)APP與實(shí)物進(jìn)行連接，寵物家園系統(tǒng)處于啟動(dòng)狀態(tài)，在手機(jī)終端APP添加實(shí)物設(shè)備。進(jìn)行一鍵配置時(shí)，嘗試多次配置并失敗。排查網(wǎng)絡(luò)問題，隨后分別連接WiFi和4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，配置并沒成功。最后更換安卓手機(jī)后，配置成功。開始進(jìn)行遠(yuǎn)程控制各個(gè)模塊。

（3）遠(yuǎn)程控制時(shí)發(fā)現(xiàn)手機(jī)APP中顯示溫濕度與硬件設(shè)備液晶顯示屏上數(shù)值不對應(yīng)，手機(jī)APP中需要延時(shí)很長時(shí)間，數(shù)值才更新，并且多個(gè)按鈕沒有添加松手檢測，以至于要一直按著按鈕才能使其工作。

（4）排查代碼的不嚴(yán)謹(jǐn)而導(dǎo)致的延時(shí)問題，經(jīng)過優(yōu)化代碼后，調(diào)試成功。其中，進(jìn)行APP調(diào)試時(shí)開發(fā)APP是難點(diǎn);對Java語言不太熟悉的情況下，應(yīng)用WiFi連接設(shè)備和APP的連接調(diào)試，要花不少時(shí)間。

6 結(jié) 語

本文所述寵物管理系統(tǒng)可以通過安卓手機(jī)APP遠(yuǎn)程觀察寵物的活動(dòng)，隨時(shí)隨地通過手機(jī)進(jìn)行投食、清理糞便，實(shí)時(shí)顯示溫濕度并可調(diào)節(jié)溫度。該系統(tǒng)具有操作簡單、易懂、方便等優(yōu)點(diǎn)，且安全性、穩(wěn)定性、智能性較高。但是，該系統(tǒng)還存在幾個(gè)可以優(yōu)化地方：增加語音提示功能、增加遠(yuǎn)程故障短信通知等功能，有待進(jìn)行下一步研究。

注：本文通訊作者為邱廣萍。

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