基于STM32 的寵物智能投喂裝置的設計與實現(xiàn)

張杰斌，謝澤奇

（鄭州西亞斯學院 電子信息工程學院，河南 鄭州450000）

1 概述

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化裝置進入人們的視野，智能化設備給人們帶來很多便利，高效、可靠和方便的智能化裝置在生產(chǎn)生活中的應用越來越廣泛，同時其在軍事、交通、家居、農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟等領域已經(jīng)表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。同時國家政策的大力扶持與5G 時代的到來，AI 和IoT 兩大技術(shù)落地，未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展將會突飛猛進。并且在5G 環(huán)境下網(wǎng)絡速率、網(wǎng)絡安全、網(wǎng)絡便捷性能夠促進物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

盡管智能化設備已經(jīng)滲透到生活的方方面面，并且在智能家居方面已經(jīng)形成了相對完整的系統(tǒng)，市場上的智能家居設備大多都服務于人們的衣食住行，但是市場上針對寵物服務的設備卻很少，目前市場上已有的寵物自動投喂裝置已經(jīng)難以滿足寵物主人的需求。

寵物是人類忠實的朋友，同時也是人類精神的寄托。研究與設計基于STM32 的寵物智能投喂裝置，其目的是為了更好的照顧到寵物的日常生活，本文研究與設計的基于STM32 的寵物智能投喂裝置是以STM32 為核心，集溫度傳感器、光照傳感器、WiFi 模塊、實時時鐘模塊等模塊為一體，配以相對應的軟件系統(tǒng)?？梢詫崿F(xiàn)根據(jù)處于不同年齡段的寵物、每天進行定時定量的精準投喂一定量的食物和水，定時檢測寵物的生活環(huán)境并且如果檢測到高溫環(huán)境并及時進行報警，寵物主人也可以通過智能設備隨時隨地的了解寵物在家生活情況、為寵物加餐等功能。

2 系統(tǒng)設計

STM32 系列處理器是意法半導體ST 公司生產(chǎn)的一種基于ARMv7 架構(gòu)的32 位、支持實時仿真和跟蹤的微控制器[1]。本文所介紹的基于STM32 的寵物智能投喂裝置采用的是以STM32F103ZET6 芯片為核心的單片機，由實時時鐘模塊、溫度傳感器、光敏傳感器、WiFi 模塊、邏輯控制單元和動作執(zhí)行單元等模塊組成。圖1 為基于STM32 的寵物智能投喂裝置結(jié)構(gòu)圖。

2.1 實時時鐘模塊（RTC）

本裝置使用的實時時鐘模塊是一個STM32 內(nèi)部的、采用精度較高的晶體振蕩器作為時鐘源的獨立定時器，可以提供精準的實時時間。同時，該模塊具有一組連續(xù)計數(shù)的計數(shù)器，可以根據(jù)當前的時間，自己修改計數(shù)器的值，從而達到重新設置系統(tǒng)時間和日期的目的。

RTC 不能斷電，如果RTC 斷電的話，時間數(shù)據(jù)就會丟失，導致時間不精準。RTC 模塊和時鐘配置系統(tǒng)是在后備區(qū)域，不管裝置在什么狀態(tài)（運行，關閉或者復位狀態(tài)等），只要保證后備區(qū)域正常供電，即使在裝置斷電情況下，也會啟動后備電源（后備電源是一個紐扣電池，在裝置斷電時，為RTC 時鐘供電），保證RTC 時鐘不停的運行，所以我們獲得的時間和日期都是比較精準的[2]。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器是能感受溫度并轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號的傳感器。STM32 的內(nèi)部溫度傳感器與ADC 的通道16 相連接，通過AD 轉(zhuǎn)換將傳感器輸出的電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)值，達到測量CPU 及周圍溫度的目的[3]。STM32 的內(nèi)部溫度傳感器能夠測量到的最高溫度為125℃，最低溫度為-40℃，其測量誤差為±1.5℃。

STM32 的溫度傳感器是固定在STM32 開發(fā)板上邊的，用于測量CPU 及周圍的溫度。在使用STM32 內(nèi)部溫度傳感器之前，首先要激活ADC 的內(nèi)部通道，并且使能其相對應ADC 的內(nèi)部通道，通過設置ADC_CR2 的AWDEN 位為1 來啟用內(nèi)部溫度傳感器，然后設置只讀取ADC 的通道16 的值，得到的數(shù)據(jù)就是溫度傳感器返回來的電壓值，根據(jù)這個值，經(jīng)過一定的公式，就可以計算出當前溫度。

2.3 光敏傳感器

光敏傳感器是生活中最常見的傳感器之一，光敏傳感器是使用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)化為電信號的傳感器。光敏傳感器是利用光敏二極管的特性，可以利用光照強度的強弱來改變電路中的電流，以測量光敏二極管兩端電壓值的大小，通過ADC 讀取電壓值，從而判斷光線的強弱。本文所介紹的基于STM32 寵物智能投喂裝置是使用STM32 的ADC3 的通道6 來讀取光敏二極管的電壓變化，從而獲得光照強度。

2.4 WIFI 模塊（ATK-ESP8266）

ATK-ESP8266 是一款高性能的UART-WiFi（串口-無線）模塊，使用其透傳功能可以進行數(shù)據(jù)傳輸，并且有很高的可靠性[4]。ATK-ESP8266WiFi 模塊功能強大，ATK-ESP8266 模塊支持LVTTL 串口，只需簡單的配置即可通過網(wǎng)絡與串口設備傳輸數(shù)據(jù)。

ATK-ESP8266 模塊支持STA/AP/STA+AP 三種工作模式。

AP 模式：該模塊作為熱點，手機、電腦或者其他智能設備可以通過WiFi 連接熱點，與模塊進行數(shù)據(jù)傳送或者局域網(wǎng)無線控制。

STA 模式：該模塊通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，手機、電腦或者其他智能設備通過接入互聯(lián)網(wǎng)，與模塊進行通信或遠程控制。

AP+STA：兩種模式共存，既可以實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)連接熱點進行通信或無線控制，也可以實現(xiàn)智能設備聯(lián)網(wǎng)進行通信或遠程控制，這樣的好處是可以實現(xiàn)局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的無縫切換，使操作更加方便，適用場景更加廣泛。

每個模式又包含TCP 服務器，TCP 客戶端，UDP 三個子模式，既可以作為客戶端，也可以作為服務器。

2.5 動作執(zhí)行單元（MG995 舵機）

動作執(zhí)行功能由舵機完成。使用的是MG995 舵機，工作電流為100mA，使用電壓為3～7.2V，結(jié)構(gòu)材質(zhì)為金屬銅齒、空心杯電機，雙滾珠軸承，轉(zhuǎn)動角度最大為180度，脈沖寬度范圍為0.5ms 到2.5ms 時，舵機轉(zhuǎn)動范圍-90°到90°，舵機轉(zhuǎn)動的角度與脈沖寬度為正比[5]。在使用舵機之前，需要給舵機一個20ms 的時基脈沖，通過調(diào)節(jié)PWM 信號的占空比控制其轉(zhuǎn)過不同的角度，如圖2 為舵機的輸出轉(zhuǎn)軸角與輸入信號的脈沖寬度之間的關系圖。

圖2 舵機的輸出轉(zhuǎn)軸角與輸入信號的脈沖寬度之間的關系圖

在該寵物投喂器中通過定時器與PWM 同時控制MG995 舵機打開固定的角度和固定的時間后關閉，以達到定時為寵物投喂適量的食物。

2.6 邏輯控制單元

邏輯控制單元采用STM32F103ZET6 芯片。該芯片是基于CortexTM-M3 核心、有512K 字節(jié)閃存、64k 靜態(tài)隨機存取存儲器的32 位微控制單元[6]。STM32 擁有超多的外設，并且具有極高的集成度，本文中提到的基于STM32的寵物智能投喂裝置的研究與設計使用到的有：ADC、DAC、USB、RTC、TIMER、GPIO 等外設及功能。

邏輯控制單元是該裝置的核心，目前已經(jīng)實現(xiàn)的功能有：

功能一：通過按鍵選擇模式針對不同年齡段的寵物進行投喂（若未檢測到按鍵，則在30s 后自動進入普通模式），進入工作模式后，定時采集與分析寵物生活的環(huán)境信息，有危險的話會發(fā)出警報。

功能二：然后通過判斷是否在寵物的飯點和定時器精準定時，來控制舵機旋轉(zhuǎn)一定的時間以達到自動投喂適合當前模式年齡段的寵物的目的。

功能三：然后通過互聯(lián)網(wǎng)與模塊將工作時間和得到的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給寵物主人，使主人隨時隨地了解寵物的生活情況，寵物主人也可以根據(jù)寵物的生活情況隨時隨地通過手機對寵物進行加餐。

3 功能測試

自上而下方框中的數(shù)據(jù)分別為開機自動獲取的日期時間及環(huán)境數(shù)據(jù)、輸入指令date 獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)、輸入指令work 執(zhí)行動作后獲得的數(shù)據(jù)。圖3 為功能測試結(jié)果圖，說明已經(jīng)完成了該裝置的預期功能。

圖3 功能測試結(jié)果圖

圖4 工作流程圖

4 軟件設計

首先，當系統(tǒng)上電后會反饋寵物生活環(huán)境數(shù)據(jù)（包括溫度、光照強度、實時時間）。然后會有30s 的時間，進行選擇工作模式，會提示選擇到的工作模式適用于哪個年齡段的寵物，如果選錯了，我們可以通過按裝置上的RESET 鍵進行復位。最后，根據(jù)選擇的模式進行每天定時定量的投喂和定時進行環(huán)境檢測及高溫報警，如果接收到智能終端設備發(fā)送的指令，就會根據(jù)指令，進行相對的操作，然后反饋操作信息。

5 結(jié)束語

本文所介紹的基于STM32 的寵物智能投喂裝置有三個優(yōu)勢：

優(yōu)勢一：該裝置打破了傳統(tǒng)人工飼養(yǎng)寵物的方法，使用寵物智能投喂，分別有三個模式針對不同年齡段的寵物進行定時定量的投喂。

優(yōu)勢二：具有環(huán)境監(jiān)測及高溫報警功能，時時刻刻保證寵物生活環(huán)境安全，也顯得其更具有人性化。

優(yōu)勢三：手機等智能設備可以通過WIFI 模塊隨時隨地查看寵物生活環(huán)境數(shù)據(jù)，以及給寵物加餐，顯得其更加智能化。

基于STM32 的寵物智能投喂裝置是在互聯(lián)網(wǎng)影響之下物聯(lián)化的體現(xiàn)。本設計所研究的寵物智能投喂裝置不僅僅是一款智能設備，它更是連接主人與愛寵的紐帶，而且功能強大，時刻檢測寵物的生活環(huán)境，照顧到寵物的健康飲食。并且通過APP 將寵物與主人聯(lián)系在一起，未來基于STM32 的寵物智能投喂裝置會基于投喂和環(huán)境監(jiān)測等基礎功能之上進一步開拓新的空間。