基于多傳感器的智能全自動寵物排便清理裝置

劉倩茹

摘 要：目前，人們的生活和工作壓力越來越大。在現(xiàn)代城市生活中，越來越多的人會養(yǎng)寵物陪伴自己，以緩解心情。但是，寵物在給大家?guī)砜鞓返耐瑫r，也出現(xiàn)了其他問題，如寵物排泄物對環(huán)境造成污染?；诖耍疚脑O(shè)計開發(fā)了一款基于多傳感器的智能全自動寵物排便清理裝置。該裝置可以檢測寵物排泄物，并及時清理，更加方便人們的生活。

關(guān)鍵詞：傳感器;全自動;寵物排便清理裝置

中圖分類號：TS976.38文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）04-0051-03

Abstract： At present， people's life and work pressure is increasing. In modern urban life， more and more people will keep pets to accompany themselves to ease their mood. However， while pets bring happiness to us， there are also other problems， such as pet waste pollution to the environment. Based on this， this paper designed and develops a multi-sensor based intelligent automatic pet defecation cleaning device. The device can detect pet excrement and clean it in time， which is more convenient for people's life.

Keywords： sensor;fully automatic;pet defecation cleaning device

隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，人們開始追求除了物質(zhì)享受外的精神寄托，飼養(yǎng)寵物的人越來越多。這使得寵物產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，在國內(nèi)乃至世界范圍內(nèi)形成了穩(wěn)定而廣闊的市場。雖然國內(nèi)寵物市場發(fā)展滯后于國外，但發(fā)展勢頭卻很足。隨著寵物數(shù)量的增加，環(huán)境問題也日益凸顯，寵物的排泄物處理已經(jīng)成為當(dāng)前一個新的社會問題。

20世紀(jì)90年代，美國以及其他的一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始研究并開發(fā)寵物排泄物的處理方法[1]。利用科學(xué)技術(shù)研究和開發(fā)智能寵物排便清理裝置，可以減輕人們?nèi)粘Ｌ幚韺櫸锱判刮锏膲毫蜁r間，同時也更加衛(wèi)生、方便。自動智能寵物排便處理裝置會在寵物排便后第一時間對寵物的糞便進(jìn)行處理，快速消除寵物糞便帶來的異味，并抑制細(xì)菌的傳播。

1 智能寵物排便清理裝置的功能需求

通過調(diào)查目前市場上的自動寵物糞便處理器可知，很多都是人為控制的。為了降低人們的勞動量，可以選取多種傳感器通過檢測寵物糞便的不同特征來對其進(jìn)行清理。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的自動信息綜合處理技術(shù)，利用多傳感器檢測可以將多源信息進(jìn)行融合，從而得到更加精確的結(jié)果，其可以用于多層次、多方面的數(shù)據(jù)處理[2]。

為了能準(zhǔn)確地檢測到寵物糞便，并快速有效地進(jìn)行清理，智能傳感器需要具有以下功能。

第一，探測寵物的糞便。該功能主要用于檢測是否存在寵物糞便。當(dāng)在排便裝置周圍有疑似寵物糞便的物體時，糞便檢測系統(tǒng)應(yīng)能及時發(fā)現(xiàn)并做出相應(yīng)動作。按照設(shè)計要求，設(shè)置系統(tǒng)檢測其周圍5 m范圍內(nèi)是否存在寵物糞便。

第二，檢測寵物糞便的距離。該功能主要是通過測距傳感器檢測排便清理裝置和寵物糞便之間的距離。

第三，溫度檢測。寵物的排泄物和其他物體存在溫度上的差別，通過溫度檢測器可以有效檢測發(fā)現(xiàn)的物體是否為寵物的排泄物。

第四，氣味檢測。寵物的排泄物和其他物體存在氣味上的差別，通過氣味檢測并和溫度檢測進(jìn)行綜合分析，可以確定檢測到的物體是否為寵物的排泄物。通過溫度檢測和氣味檢測可以提高檢測的準(zhǔn)確率，從而使整個裝置更加高效地進(jìn)行寵物糞便處理。

2 元器件選擇

2.1 中央處理器的選擇

選擇中央處理器要考慮諸多因素，如處理器的性能、價格、接口等。通過分析本次設(shè)計的功能需求和成本，筆者選取單片機(jī)作為中央處理器[3]。單片機(jī)的應(yīng)用范圍較為廣泛，其作為控制系統(tǒng)的核心控件，不僅具有通用微型CPU的計算和控制功能，而且具有靈活的適應(yīng)性，具體表現(xiàn)為：①抗干擾性強(qiáng);②可靠性高，單片機(jī)在滿足性能要求的基礎(chǔ)上可以處理很多不同的數(shù)據(jù);③性價比高，和其他處理器相比，單片機(jī)價格較低，同時能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

本次設(shè)計使用的是AT89C51單片機(jī)，其引腳如圖1所示。

AT89C51具有大容量的存儲器和豐富的外圍開發(fā)接口，而且可編程性較高，開發(fā)性較強(qiáng)，適合作為本次設(shè)計的處理器。

2.2 物體檢測模塊

物體檢測主要使用超聲波傳感器來實現(xiàn)。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，具有頻率高、波長短、方向性強(qiáng)的特點，其對物體的穿透力也很強(qiáng)。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，用于探測物體是否存在[4]。超聲波發(fā)出之后，超聲波紋碰到物體之后會形成反射回波，利用這一特性可以有效檢測裝置周圍是否有物體存在。同時，利用超聲波傳感器還可以檢測到裝置到物體之間的距離。

本次設(shè)計使用TR40-16超聲波傳感器，其由壓電陶瓷芯片、諧振板、底座及端子等構(gòu)成。壓電陶瓷芯片是核心，諧振板是發(fā)射以及接受波紋的裝置。超聲波傳感器如圖2所示。

2.3 溫度檢測模塊

為了檢測探測物體的溫度，使用PT100熱敏電阻對物體進(jìn)行溫度檢測。熱敏電阻的工作原理是其電阻值會隨著溫度的變化發(fā)生相應(yīng)變化，PT100傳感器是利用鉑電阻的阻值隨著溫度變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來進(jìn)行測溫，其溫度/阻值對應(yīng)關(guān)系為：-200 ℃

2.4 氣味檢測模塊

氣味檢測裝置為氣敏傳感器，其核心是金屬氧化物半導(dǎo)體，如二氧化錫。在一定溫度下，這種金屬氧化物半導(dǎo)體可以吸收空氣中的氧，形成負(fù)離子吸附氧，降低電子密度，增加半導(dǎo)體材料的電阻。當(dāng)在糞便中遇到氨氣等氣體時，原有的吸附氧將被解析。在完成傳感器和處理器的選擇之后，還需要進(jìn)行機(jī)械方面的選擇和設(shè)計。

3 裝置設(shè)計說明

在完成裝置設(shè)計之后，要對裝置的操作過程進(jìn)行說明，圖3為智能寵物排便清理裝置的清理流程圖。

從圖3可知，智能裝置開始檢測物體之后，首先判斷是否有疑似物體存在，如果有，則探測與物體之間的距離，如果沒有，則繼續(xù)探測。當(dāng)探測到范圍之內(nèi)存在疑似物體后，進(jìn)行測距，并規(guī)劃行進(jìn)路線靠近，靠近之后進(jìn)行溫度和氣味檢測，判斷檢測到的物體是否為寵物糞便，如果是，進(jìn)行及時清理，如果不是，則返回第一步，重新進(jìn)行檢測。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一種智能寵物排便清理裝置，可以有效清理寵物糞便，通過多傳感器的檢測可以檢測糞便的位置、溫度、氣味等，通過對參數(shù)的判斷和識別來確定檢測到的物體是否為寵物糞便，并及時做出清理。本設(shè)計可以有效地節(jié)省人們清理寵物糞便的時間，并且更加衛(wèi)生方便，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]虞安華.地面多傳感器探測系統(tǒng)的定位技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2004.

[2]胡國平，張守宏.多傳感器協(xié)同探測目標(biāo)的分類識別研究[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009（3）：443-447.

[3]侯志國，何強(qiáng)，羅曉松.聲探測多傳感器多目標(biāo)定位與跟蹤方法[J].電聲技術(shù)，2016（9）：42-44.

[4]戚玉強(qiáng)，錢志，吳如樵，等.寵物糞便清理機(jī)的研制[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2016（5）：39-41.