基于用戶體驗的互聯(lián)網(wǎng)+寵物管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

葉軍　華旭奮　孫曉艷

摘 ?要：針對目前寵物管理系統(tǒng)功能設計單一的現(xiàn)狀，基于以用戶體驗為中心設計一種多功能寵物管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過人機交互界面、互聯(lián)網(wǎng)平臺對寵物進行智能化系統(tǒng)管理，運用Arduino單片機與ESP8266、HMI、手機APP的多重結合實現(xiàn)不同用戶均可控制寵物管理系統(tǒng)的多用戶需求。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠近程實時管理寵物，包括寵物投食、喂水、體重監(jiān)測、糞便處理，從根本上解決了因某些原因不能實時實地管理寵物、特殊人群不會控制寵物管理系統(tǒng)的問題。

關鍵詞：用戶體驗;互聯(lián)網(wǎng)+;寵物管理

中圖分類號：TN99 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）31-0087-03

Abstract： In view of the current situation of single functional design of pet management system， a multi-functional pet management system is designed based on user experience. The system carries on the intelligent system management to the pet through the man-machine interface and the Internet platform， and uses the multiple combination of Arduino single chip microcomputer and ESP8266， HMI， mobile phone APP to realize that different users can control the multi-user needs of the pet management system. The system can realize the real-time pet management in long and short ranges， including pet feeding， water feeding， weight monitoring and fecal disposal， which fundamentally solves the problems， e.g. pets can not be managed in real time for some reasons， and special people can not control the pet management system.

Keywords： user experience; Internet Plus; pet management

引言

目前市場上的寵物管理系統(tǒng)的管理方法大多是手動和半自動的，產(chǎn)品較單一，其價格也是非常的昂貴，普通人群無法接受其價格在一定程度上根本無法滿足我們的需求。體驗經(jīng)濟正促使傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計思想革新，一種全新的設計理念——“以用戶為中心”的設計已經(jīng)得到了廣泛認同[1]。針對目前的需求，整合市場上部分單一產(chǎn)品的優(yōu)點，不同類型的用戶就有不同的需求，他們的體驗也就不同。而產(chǎn)品作為喚起人們體驗經(jīng)歷的“道具”，這就要求產(chǎn)品設計向著更高層次發(fā)展，設計的重心由產(chǎn)品功能性和可用性擴展到關注產(chǎn)品的用戶體驗及產(chǎn)品與用戶間的互動、產(chǎn)品與所在環(huán)境之間的交互以及產(chǎn)品對消費者生活形態(tài)的相互影響等[2]?；趯櫸镲曫B(yǎng)者和寵物之間的雙重視角，在此基礎上設計既能滿足寵物基本的生理需求，也要體現(xiàn)飼養(yǎng)寵物對人類身心健康帶來積極影響。

1 系統(tǒng)架構

寵物管理系統(tǒng)主要由4個板塊構成，分別是寵物屋板塊，集智能寵物屋、智能投食喂水器、監(jiān)控等設備于一體。自動化投喂板塊，WIFI模塊連接外部投食機，可定時，定量投食、喂水，語音呼喚寵物進食。人機交互觸控屏板塊，主要便于老人、小孩操作，無縫對接主人與寵物。智能鏟屎板塊，主要用于除味鏟屎，對糞便物自動打包處理。

系統(tǒng)總體架構如圖1所示，這4個板塊主要由HMI模塊、電源模塊、傳感器模塊、WIFI模塊、喂食模塊、攝像頭模塊組成。

圖1 系統(tǒng)總體架構

人機交互觸控屏方便老人與小孩在家看護寵屋，所有信息都呈現(xiàn)在觸控屏上，老人或小孩可通過簡單的培訓學會觸摸屏的使用，查看相關信息，方便部分不會使用智能手機的老人和小孩操作。專門為特殊兒童設計播放器，播放音樂時訓練寵物與特殊兒童玩耍，以緩解特殊小孩內(nèi)心的孤寂感。傳感器模塊獲得寵物屋溫濕度、寵物體重等數(shù)據(jù)。攝像頭模塊實時查看寵物屋內(nèi)的實景，觀看寵物狀態(tài)。電機模塊用于自動化寵物糞便清理裝置，控制過濾網(wǎng)翻轉(zhuǎn)上下的移動。

2 傳感器的選擇

2.1 壓力傳感器

主要用于給寵物稱量體重以推測健康情況，從成本考慮選用了具有5kG范圍的壓力傳感器，一般情況下足夠適用。通過搜索發(fā)現(xiàn)了一款HX711的壓力傳感器。外部給定一個壓力，壓力傳感器就可以通過轉(zhuǎn)換這個壓力變成模擬量輸出。通過更換應變片能實現(xiàn)多量程的轉(zhuǎn)化，而且校準很輕松。輸出的數(shù)值可達小數(shù)點后兩位，滿足系統(tǒng)的要求。

2.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器用來監(jiān)視寵物屋內(nèi)的溫度和濕度的變化，并將測量得到的數(shù)據(jù)實時發(fā)送到顯示屏和手機APP端，以供主人參考，若溫度過高，可開啟超聲波霧化片和小風扇進行加濕降溫;若溫度過低，將提醒主人注意寵物的保暖，以防寵物在長時間溫度低的環(huán)境下被凍傷。

選用一般常用的DHT11。DHT11和 DS18B20一樣都是采用單總線數(shù)據(jù)格式，沒有復雜的外圍電路[3]。板載溫度傳感器和濕度傳感器，可以直接接在8位單片機上。通過一部分電路連接，可以實時測量出當下環(huán)境中的局部濕度和溫度。

3 軟件設計

軟件部分的設計是整個寵物管理系統(tǒng)的技術核心，如圖2軟件結構圖，此系統(tǒng)可以在手機和觸摸屏2個終端進行控制，采用的方法是ESP8266、HMI、OneNET平臺和Arduino的多重結合。

圖2 軟件結構圖

3.1 APP控制

首先將手機和ESP8266同時搭載在OneNET平臺上，在電腦端點開串口調(diào)試助手， 按照下面的順序指令發(fā)送AT指令配置完成WIFI模組。

（1）首先對模式進行選擇，要想選擇STA模式，就要使AT+CWMODE=1。

（2）然后對系統(tǒng)進行復位操作，命令為AT+RST。

（3）將WIFI模塊與現(xiàn)有局域網(wǎng)相連接，比如：AT+CWJAP=“ZHINENG”。

（4）傳送AT+CIPMUX=1的指令啟用多連接的功能。

（5）使用服務器功能，確定其端口號，AT+CIPSERVER=1，8080。

（6）通過AT+CIFSR的指令，調(diào)看當前模式下的IP地址，比如：STAIP，“192.16

8.0.003”。

（7）在手機端的“EasyTCP_20”，進行IP地址和對應端口號的配置。

（8）長按APP界面中的對應塊，輸入命令及其對應的功能。如圖3輸入指令界面，A00101A2是使繼電器吸合，A00100A1使是繼電器斷開。

（9）點擊相應塊即可通過終端輸送

不同串口指令控制繼電器。

將Arduino的IO口與之對應的控制口相結合就可以實現(xiàn)通過一個ESP8266控制多個繼電器的通斷。

3.2 HMI控制

HMI智能串口屏是可編輯的智能LCD觸摸顯示屏，擁有先進的人機界面處理系統(tǒng)和美觀的嵌入式圖形界面[4]。單片機的RX接屏的TX，單片機的TX接屏的RX。如圖3HMI編輯工具界面所示單片機的通信波特率要和屏的一致，據(jù)了解，電容屏的默認波特率是9600，數(shù)據(jù)格式有4位。單片機控制屏的指令格式，一條控制指令，一條結束符，控制指令見指令集的指令，結束符是16進制的3個FF。界面上的控件使用UTF-8編碼的字庫，然后在頁面初始化里根據(jù)不同語言為控件的txt屬性賦不同的值。

HMI通過串口傳輸將按鈕按下所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息傳給單片機處理，單片機通過對其處理再來控制相關元器件的閉合。Arduino的IO口發(fā)送相關信號控制相關器件的通斷，通過這種方式導入編寫到HMI中，就可以在觸摸屏上進行器件的通斷操作。

對所有的控件進行定義完成后，如圖4所示與傳統(tǒng)的機械按鈕相比，電容式觸摸感應技術有助于創(chuàng)造出更為優(yōu)雅的觸摸界面[5]。

3.3 Arduino編程

Arduino單片機的編程語言簡單清晰，它所有的庫函數(shù)都是開源的，開發(fā)者可以根據(jù)自身的需求對相應的庫函數(shù)進行修改[6]。編程語法類似于C語言，最重要的是它是一個跨平臺的環(huán)境，支持windows、Linux和Mac操作系統(tǒng)，它還可以添加C++庫來增強編程選項[7]。如圖5，Arduino編程架構一般為系統(tǒng)的初始化、串口通訊的設置、函數(shù)調(diào)用、設置引腳狀態(tài)。

圖5 Arduino編程架構

4 測試

如圖6所示，電源給Arduino單片機供電，Arduino單片機對LED燈進行控制。LED燈根據(jù)光照傳感器的光照模擬量大小自動實現(xiàn)光照強度的變化，光照傳感器的光照模擬量傳輸?shù)紸rduino單片機上。Arduino單片機上采集到的模擬量將全部實時顯示在電容觸摸屏上，包括當前光照量、溫濕度、時間、寵物門狀態(tài)、攝像頭狀態(tài)、寵物體重的狀態(tài)。通過電容觸摸屏可以對LED燈、攝像頭、水泵進行操作。當寵物屋不干凈時，通過Arduino單片機對水泵的控制。將水從水箱中抽出，輸送到三個噴水頭處。實現(xiàn)清潔寵物屋的作用。當寵物屋溫度過高時，超聲波霧化器通過頻率改變震動使水變成水霧，將水霧化完后有小風扇吹出的風將霧吹至寵物屋里，可以起到降溫、除異味的功能，營造舒適的環(huán)境。

壓力傳感器的模擬量通過WIFI模塊傳輸?shù)绞謾CApp上，通過Arduino單片機傳輸?shù)诫娙萦|摸屏上。在手機App上和電容觸摸屏上均可對自動門進行控制。

電源連接電容觸摸屏、LED燈、光照傳感器、WIFI模塊、Arduino單片機、水泵、壓力傳感器、自動門。水箱連接水泵和噴水頭。電源在水箱后面。攝像頭在寵物屋的左上角。電容觸摸屏通過電線連接位于寵物屋的上面。

寵物投食機放在寵物屋中，受觸摸屏和手機App控制。電源連接Arduino單片機、LED燈、攝像頭、WIFI模塊、加熱管、電磁閥。

食物儲存?zhèn)}與飲用水儲存?zhèn)}分別儲存食料和飲用水。加熱管1與加熱管2分別用來單獨使食料和飲用水加熱，電磁閥1與電磁閥2分別控制食物輸送管和飲用水輸送管的通斷。

電源給Arduino單片機供電，單片機連接WIFI模塊，WIFI模塊通過手機App端控制電磁閥1和電磁閥2的通斷，當寵物需要進食時，電磁閥1打開，食料通過食物輸送管輸送適量食物到食物槽中，當寵物需要喝水時，電磁閥2打開飲用水將通過飲用水輸送管分別輸送到飲用水槽中。冬天時，通過手機App控制加熱管1和2的通斷對食物輸送管和飲用水輸送管中的食料和飲用水進行加熱。溫度傳感器檢測到適當溫度，溫度模擬量發(fā)送到App端，并切斷加熱管加熱實現(xiàn)自動加熱。

夜間時，通過WIFI模塊遠程點亮LED燈，LED燈將照亮食物槽和飲用水槽使寵物夜間也能進食與飲水。食物殘渣落到擋板上。將擋板平行抽出，食物殘渣將掉到殘渣儲存盒中。

5 結束語

本課題設計了一個寵物管理系統(tǒng)，眾多家庭把寵物當成一員，高效便捷的管理寵物需求也越來越多。本系統(tǒng)可面向多個對象使用，簡單易上手，但其仍然還存在著許多問題，面臨著系統(tǒng)優(yōu)化、成本降低等問題。未來，智能制造趨勢向好，期待未來的寵物管理產(chǎn)品可以更加智能化、集成化。

參考文獻：

[1]鐘明.交互設計中基于用戶目標的任務分析方法及流程研究[D].湖南大學，2009.

[2]華梅立.交互設計中的原型構建研究[D].江南大學，2009.

[3]李博，尹禮鵬.基于STM32的智能家居的電路與設計[J].電子設計工程，2020，28（07）：177-180.

[4]劉寺杰，徐敏，張晨宇，等.基于HMI智能串口屏顯示的溫濕度測量系統(tǒng)[J].科教導刊（下旬），2018（08）：59-60+84.

[5]YIDING LUO.HMI：設計電容式觸摸傳感界面的注意事項[J].今日電子，2018（06）：39-40.

[6]王兵.基于Arduino單片機的半導體制冷箱設計[D].西南交通大學，2019.

[7]Njekwa Kota Sawekema. A Cost Efficient Wireless Sensor Network for Grain Storage and Environmental Monitoring Based on Zigbee and Arduino[D].華南理工大學，2018.