自動(dòng)追光的智能互聯(lián)寵物休養(yǎng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

齊 宏 王炳翔 劉 龍 馮姿悅 孫成會(huì)

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

智能寵物家居作為一個(gè)新生產(chǎn)業(yè)，處于一個(gè)導(dǎo)入期與成長(zhǎng)期的臨界點(diǎn)[1]。該文旨在研究一個(gè)寵物產(chǎn)后康復(fù)儀。能夠通過(guò)多種傳感器感知環(huán)境參數(shù)，通過(guò)微控制器處理之后，控制驅(qū)動(dòng)電路，能實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)反饋、環(huán)境情況自動(dòng)調(diào)節(jié)、始終維持適合寵物居住的環(huán)境參數(shù)。同時(shí)，采用三維的太陽(yáng)能采光系統(tǒng)進(jìn)行供電，通過(guò)光敏傳感器感知光照射強(qiáng)度的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能板采集光強(qiáng)的角度，實(shí)時(shí)跟隨太陽(yáng)光，最大限度地收集太陽(yáng)能，實(shí)現(xiàn)對(duì)最大光照的調(diào)控采集。在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，太陽(yáng)能板單位面積接收到的光照強(qiáng)度決定了太陽(yáng)能板吸收的實(shí)際能量[2]。通過(guò)上位機(jī)手機(jī)App，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程移動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)控各項(xiàng)參數(shù)、寵物健康狀況，遠(yuǎn)程控制寵物屋升高室內(nèi)溫度、降低室內(nèi)溫度、升高室內(nèi)濕度、降低室內(nèi)濕度、開(kāi)啟紫外殺菌等功能。并能對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋報(bào)警提示，定期進(jìn)行紫外線(xiàn)滅菌，對(duì)流動(dòng)空氣進(jìn)行過(guò)濾，使其始終保持在一個(gè)有利于動(dòng)物恢復(fù)的環(huán)境。

1 太陽(yáng)能自動(dòng)追光裝置的方案設(shè)計(jì)

1.1 太陽(yáng)能自動(dòng)追光裝置的設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能自動(dòng)追光裝置系統(tǒng)主要由STM32F103C8T6 單片機(jī)、4 路環(huán)境光采集電路、二自由度組成的三維舵機(jī)控制系統(tǒng)、7.2 V 直流電源系統(tǒng)、單片機(jī)電源系統(tǒng)等組成。采用4 路環(huán)境光傳感器采集太陽(yáng)能板面所接收的光照強(qiáng)度，通過(guò)STM32F103C8T6 微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制金屬舵機(jī)構(gòu)成的三維機(jī)械結(jié)構(gòu)，完成最大的光照采集度。

1.2 太陽(yáng)能自動(dòng)追光裝置三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池板橫向180°調(diào)節(jié)，4 個(gè)角安裝有環(huán)境光傳感器，并分別命名為L(zhǎng)1、L2、L3、L4，通過(guò)ADC 接口與微控制器進(jìn)行連接，采集不同光照環(huán)境下的電壓值，再通過(guò)濾波算法計(jì)算，可以得到精確的光照強(qiáng)度值，同時(shí)STM32F103C8T6 控制器控制輸出脈沖寬度調(diào)制（PWM），從而控制金屬舵機(jī)0°～180°橫向角度的自由調(diào)節(jié)。

L1、L2、L3、L4 分別為4 個(gè)角的環(huán)境光傳感器，太陽(yáng)能電池板與環(huán)境光傳感器的縱向位置調(diào)節(jié)是通過(guò)微控制器輸出脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制，另一個(gè)舵機(jī)繞中心軸線(xiàn)實(shí)現(xiàn)0°～270°轉(zhuǎn)動(dòng)。

金屬舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)、4 路環(huán)境光傳感器采集電路、太陽(yáng)能電池板、微控制器驅(qū)動(dòng)電路等電路共同構(gòu)成了一個(gè)二自由度三維自動(dòng)追光結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)在X 軸、Y 軸、Z 軸三維方向的自動(dòng)采集，實(shí)現(xiàn)最強(qiáng)光照的采集。

電壓值通過(guò)一定比例關(guān)系轉(zhuǎn)換即可得到光照強(qiáng)度的數(shù)值。

太陽(yáng)能電池板的主要作用在于給系統(tǒng)的外設(shè)供電，通過(guò)環(huán)境光傳感器感知太陽(yáng)光照射強(qiáng)度的變化，通過(guò)金屬舵機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能板的角度，實(shí)時(shí)自主跟隨太陽(yáng)光，最大限度地收集太陽(yáng)能，保證寵物屋外設(shè)系統(tǒng)的供電穩(wěn)定[3]。

2 裝置主體的方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主題設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)說(shuō)明

主體部分由單片機(jī)控制系統(tǒng)、PC 端上位機(jī)、環(huán)境調(diào)控裝置（加熱器、制冷器、霧化器、紫外殺菌裝置）、傳感器檢測(cè)反饋系統(tǒng)（二氧化碳濃度檢測(cè)、紅外熱成像溫度計(jì)、心率檢測(cè)傳感器、蜂鳴器報(bào)警裝置）、二自由度三維太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、上位機(jī)手機(jī)App 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等組成。

STM32F103C8T6 微控制器通過(guò)脈沖寬度調(diào)制（PWM），控制TB6612 驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的控制。PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)對(duì)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，被調(diào)制的方波占空比用來(lái)對(duì)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。電壓或電流源以一種通（ON）/斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列加到模擬控制負(fù)載上。接通即直流供電被加到負(fù)載上，斷開(kāi)即供電被斷開(kāi)。只要帶寬足夠，任何模擬值均可用PWM 編碼。

報(bào)警裝置通過(guò)單片機(jī)GPIO 輸出，模擬高低電平控制三極管導(dǎo)通閉合，實(shí)現(xiàn)蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警提示。其中數(shù)據(jù)檢測(cè)采用的是眾數(shù)濾波算法，實(shí)現(xiàn)二氧化碳濃度值濾波、心率濾波、溫濕度值濾波。

眾數(shù)濾波是數(shù)理統(tǒng)計(jì)中常用的一種數(shù)據(jù)處理辦法，它要求對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高以及高速采集模塊的使用，現(xiàn)在的處理周期已縮短到1 s 以?xún)?nèi)[4]。

2.2 子系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)說(shuō)明

圖1 為環(huán)境調(diào)控裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，通過(guò)GPIO 與單片機(jī)接口進(jìn)行通信，同時(shí)STM32F103C8T6 微控制器通過(guò)輸出高低電平與脈沖寬度調(diào)制（PWM）的方式來(lái)控制TB6612驅(qū)動(dòng)模塊，從而控制加熱器、制冷器、霧化器、紫外殺菌裝置進(jìn)行工作，系統(tǒng)采用12 V 直流電源與太陽(yáng)能供電。

圖2 為傳感器反饋機(jī)制結(jié)構(gòu)圖，通過(guò)模擬信號(hào)采集電路與單片機(jī)ADC 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，采用濾波算法，得出精確的傳感器數(shù)值，為手機(jī)App 端與PC 端提供精確的傳感器數(shù)值，便于微控器更精確的控制各項(xiàng)負(fù)載。

圖3 為無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，智能寵物屋通過(guò)單片機(jī)采集寵物屋環(huán)境信息，之后生成數(shù)據(jù)包，設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)→運(yùn)營(yíng)商IoT 平臺(tái)→機(jī)智云平臺(tái)→手機(jī)端App，下發(fā)設(shè)備控制數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備控制。手機(jī)App 端對(duì)智能寵物屋的控制流程工作圖：手機(jī)App 端→機(jī)智云平臺(tái)→運(yùn)營(yíng)商IoT 平臺(tái)→單片機(jī)設(shè)備端接收數(shù)據(jù)。

圖1 環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳感器反饋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

圖3 無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

STM32-F103C8T6單片機(jī)通過(guò)刷寫(xiě)GAgent固件的ESP8266物聯(lián)網(wǎng)模塊，接入機(jī)智云平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制操作等功能。STM32F103C8T6 單片機(jī)需要寫(xiě)：定時(shí)器在1 ms 中斷、串口發(fā)送、串口中斷接收等程序，最后與ESP8266 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

該設(shè)計(jì)中的智能寵物休養(yǎng)屋系統(tǒng)主要是針對(duì)動(dòng)物，營(yíng)造一個(gè)動(dòng)物休養(yǎng)的最適環(huán)境，包括各項(xiàng)指標(biāo)，例如濕度、溫度、風(fēng)速、光線(xiàn)等參數(shù)，同時(shí)選擇合適的反饋控制，對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，可根據(jù)其具體情況進(jìn)行不同的狀態(tài)反饋，從而實(shí)時(shí)地進(jìn)行調(diào)節(jié)，該裝置能夠全面地反映系統(tǒng)的內(nèi)部特性，并有效改善系統(tǒng)性能，同時(shí)還可以對(duì)環(huán)境調(diào)控過(guò)程以及變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)動(dòng)物在不同參數(shù)下的恢復(fù)速度，進(jìn)而確定當(dāng)前各量是否合理以及其調(diào)節(jié)的大體趨勢(shì)。在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，擬采用PID 控制方法，建立完善的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

通過(guò)采用仿真軟件模擬系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，以此來(lái)研究算法結(jié)構(gòu)的可行性，并最終尋求系統(tǒng)最優(yōu)結(jié)構(gòu)和算法。擬用半實(shí)物仿真的方式，將已選用的傳感器與部分控制組件作為子系統(tǒng)，代替部分計(jì)算機(jī)仿真模型進(jìn)行半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，以提高仿真精度。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)說(shuō)明

該智能寵物屋系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，在軟件方面采用Keil5 單片機(jī)編程，主要是通過(guò)編程控制單片機(jī)采集傳感器數(shù)值、控制驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載操縱。主要用到STM32F103C8T6 控制器的3 個(gè)串口、ADC、定時(shí)器、中斷、串口通信協(xié)議設(shè)定、GPIO 等外設(shè)資源。而硬件方面則包括機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、采集電路的設(shè)計(jì)、負(fù)載驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)、控制接口等。將各部分硬件結(jié)構(gòu)搭建完成后，進(jìn)行軟硬件的結(jié)合，使系統(tǒng)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與控制等活動(dòng)，然后進(jìn)行系統(tǒng)的整體調(diào)試，通過(guò)仿真軟件在線(xiàn)仿真，并隨時(shí)觀察寄存器數(shù)值的變化，修正軟件仿真與實(shí)際應(yīng)用之間存在的差異，從而使系統(tǒng)能夠更好地修改環(huán)境參數(shù)因子、統(tǒng)計(jì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)和對(duì)輸出量的控制，最后與寵物恢復(fù)狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析，完善反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。

ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)模塊是該設(shè)計(jì)的核心部分，也是實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，單片機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)模塊通過(guò)串口進(jìn)行通信，并且通過(guò)配網(wǎng)文件gizwitsSetMode 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入功能。通過(guò)UserHandle 函數(shù)完成數(shù)據(jù)采集并上報(bào)邏輯、數(shù)據(jù)。單片機(jī)串口3 用于與ESP8266 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，定時(shí)器用于毫秒中斷設(shè)定、復(fù)位設(shè)定，單片機(jī)串口1 用于printf 函數(shù)打印，調(diào)試并觀察數(shù)據(jù)變化，主要用于調(diào)試。通過(guò)串口燒錄了GAgent 固件的ESP8266 模塊，接入機(jī)智云之后會(huì)觸發(fā)gizwits 邏輯，將gizPutData 數(shù)據(jù)發(fā)送至緩沖區(qū)，并抓包解析，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及中斷事件處理。

4 結(jié)語(yǔ)

該文從機(jī)械結(jié)構(gòu)、App 軟件、硬件電路、數(shù)據(jù)處理算法4 個(gè)方面完成了自動(dòng)追光的智能互聯(lián)寵物休養(yǎng)機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在機(jī)械設(shè)計(jì)方面采用二自由度三維舵機(jī)結(jié)構(gòu)，完成太陽(yáng)能自動(dòng)采光功能，并給主系統(tǒng)供電。軟件方面優(yōu)化了數(shù)據(jù)處理算法、軟件App 協(xié)議設(shè)定，App 界面設(shè)計(jì)、控件設(shè)計(jì)。硬件方面包括系統(tǒng)供電電路設(shè)計(jì)、傳感器數(shù)據(jù)采集電路、PC 端以及控制接口設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)模塊固件燒錄、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等。實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能應(yīng)用與智能寵物屋結(jié)合，尤其是我國(guó)的太陽(yáng)能資源十分豐富，分布范圍廣，充分利用太陽(yáng)能對(duì)解決我國(guó)當(dāng)前的能源問(wèn)題有著十分重要的能源戰(zhàn)略意義，符合當(dāng)今社會(huì)綠色低碳的發(fā)展要求。