基于Arduino 智能寵物屋的研究與設(shè)計(jì)

胡西雷 楊云飛 沈培林 張藝祥 曾 毅*（鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州450000）

1 設(shè)計(jì)目的

設(shè)計(jì)這個(gè)產(chǎn)品的目的是為了減輕用戶負(fù)擔(dān)、寵物生活舒適、減少細(xì)菌侵害、保護(hù)家庭環(huán)境。智能寵物屋能夠幫助用戶照顧寵物的日常生活，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)寵物屋內(nèi)的溫濕度，并調(diào)節(jié)溫濕度、寵物屋空氣凈化、殺菌消毒、紅外傳感器監(jiān)測(cè)寵物休息情況、esp8266WiFi 芯片聯(lián)網(wǎng)、監(jiān)控、喂食喝水等功能。本次設(shè)計(jì)在寵物屋的側(cè)面預(yù)留空間，方便喂食器安裝和拆卸，使用戶使用方便。該寵物屋的設(shè)計(jì)比較人性化，解決了用戶不在家時(shí)寵物也能夠正常生存的問(wèn)題。

2 設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)在養(yǎng)寵物的家庭一般都會(huì)為了方便照顧寵物而給寵物準(zhǔn)備小屋。傳統(tǒng)的寵物屋是木制的，雖然是通風(fēng)防潮濕，但寵物的健康問(wèn)題得不到保障。新型的寵物屋雖然能通過(guò)陽(yáng)光浴殺菌消毒，但是在陰雨天，寵物的健康問(wèn)題仍然得不到保障。我們?cè)O(shè)計(jì)的寵物屋考慮到了這幾個(gè)方面。

第一，寵物屋的環(huán)境問(wèn)題。包括寵物產(chǎn)生的異味、毛發(fā)，寵物屋里面的潮氣和細(xì)菌，這些問(wèn)題會(huì)給用戶帶來(lái)煩惱，因此在寵物屋內(nèi)部后面裝上空氣凈化器，除去異味。在寵物屋內(nèi)壁上放置5 個(gè)UV 紫外線發(fā)光二極管，具備殺菌和消毒功能。用防靜電面料減少屋內(nèi)掉毛發(fā)，在寵物屋左右后邊開(kāi)三個(gè)通風(fēng)口，防止寵物在寵物屋里面被悶死。

第二，寵物的健康問(wèn)題。對(duì)于愛(ài)寵之人，主人也會(huì)關(guān)心寵物的健康問(wèn)題。利用紅外感應(yīng)和紅外測(cè)溫傳感器分別來(lái)監(jiān)測(cè)寵物在窩內(nèi)的休息時(shí)間和測(cè)體溫，保證寵物充足的睡眠，在睡前和醒后分別測(cè)一次體溫。

第三，寵物的生存問(wèn)題。如果主人上班、出差或旅游，主人就無(wú)法照顧寵物。因此專門設(shè)計(jì)喂食裝置固定在寵物屋旁邊，可以通過(guò)手機(jī)APP 打開(kāi)食物和水的閥門，每天按時(shí)按量喂養(yǎng)寵物。

第四，節(jié)能環(huán)保問(wèn)題。如果用戶讓寵物屋一天24 小時(shí)不間斷地工作，會(huì)消耗很多電量，不但增加了用戶養(yǎng)寵物的成本，而且耗電量大也帶了環(huán)保問(wèn)題，因此采用降壓穩(wěn)壓模塊，降低寵物屋的能耗。

第五，可視化操作界面。主人可以將設(shè)計(jì)好的人機(jī)控制界面下載到手機(jī)上，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)，APP 將收集到的Arduino數(shù)據(jù)分析運(yùn)算，在手機(jī)人機(jī)控制界面可以實(shí)現(xiàn)顯示溫濕度信息，調(diào)節(jié)溫濕度，調(diào)節(jié)攝像頭舵機(jī)的角度查看畫面，監(jiān)測(cè)寵物睡眠時(shí)間，打開(kāi)喂食和水的閥門喂養(yǎng)寵物等等。

3 工作原理

3.1 通過(guò)Arduino 控制DHT11 溫濕度傳感器，DHT11 溫濕度傳感器將采集的溫濕度信號(hào)經(jīng)Arduino UNO 主控芯片分析運(yùn)算后，在12864OLED 顯示屏上顯示溫濕度信息[2]，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)esp8266WiFi 芯片傳輸?shù)绞謾C(jī)的APP 上，手機(jī)的人機(jī)控制界面輸入溫濕度數(shù)值反饋給Arduino UNO 主控芯片，當(dāng)溫度沒(méi)有達(dá)到設(shè)定的值時(shí)，就會(huì)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體陶瓷進(jìn)行工作，達(dá)到升溫降溫的目的，當(dāng)濕度沒(méi)有達(dá)到要求，會(huì)驅(qū)動(dòng)加濕器工作。

圖1 實(shí)現(xiàn)溫濕度調(diào)節(jié)原理圖

3.2 紅外感應(yīng)傳感器和紅外測(cè)溫傳感器測(cè)到的信號(hào)可以反饋到Arduino UNO 主控芯片，Arduino UNO 主控芯片分析運(yùn)算之后通過(guò)esp8266WiFi 芯片傳輸?shù)绞謾C(jī)APP 上，主人可以查看寵物休憩情況和體溫。

3.3 空氣凈化器具有除異味、細(xì)菌分解能力，負(fù)離子主動(dòng)捕捉空氣中的有害物質(zhì)、凈化空氣，HEPA 是一種高效過(guò)濾材料，可以有效地過(guò)濾空氣中的懸浮顆粒物。[5]光觸媒濾芯在UV 紫外線燈的作用下分解異味、抑制細(xì)菌、強(qiáng)效凈化空氣。[6]這是一個(gè)獨(dú)立的模塊，額定電壓是12V，只需要接入電源模塊就可以使用。

3.4 監(jiān)控系統(tǒng)是由舵機(jī)Sg90，esp32CAM 攝像頭構(gòu)成，舵機(jī)可以讓攝像頭180 度旋轉(zhuǎn)，這個(gè)角度足夠查看寵物的動(dòng)態(tài)和寵物屋的工作狀態(tài)，攝像頭采集到的視頻流通過(guò)esp32 芯片，將視頻流上傳到機(jī)智云平臺(tái)，在手機(jī)的人機(jī)控制界面上顯示出來(lái)，用戶可以通過(guò)手機(jī)查看寵物的動(dòng)態(tài)和寵物屋的工作情況。

3.5 喂食裝置只需要Arduino UNO主控芯片、兩個(gè)Sg90 舵機(jī)、夏普距離傳感器、esp8266WiFi 芯片、手機(jī)APP 就可以實(shí)現(xiàn)讓寵物吃食物和喝水。夏普距離傳感器檢測(cè)碗里面沒(méi)有食物時(shí)，就會(huì)把信號(hào)反饋到手機(jī)APP，手機(jī)的人機(jī)控制界面把打開(kāi)舵機(jī)信號(hào)通過(guò)esp8266WiFi芯片發(fā)送到Arduino UNO 主控芯片，驅(qū)動(dòng)Sg90 舵機(jī)打開(kāi)閥門，食物和水就會(huì)自動(dòng)進(jìn)到碗里面。

還有一個(gè)重要的就是寵物的毛發(fā)問(wèn)題，這不需要任何電子產(chǎn)品處理，只需要采用防靜電面料鋪在寵物屋里面的底板上。經(jīng)查閱資料，寵物毛發(fā)中帶有電荷，而多數(shù)材料都對(duì)含有電荷的毛發(fā)有吸附作用，從而出現(xiàn)粘毛的現(xiàn)象。根據(jù)這一現(xiàn)象，想到了把采用防靜電材料放在寵物屋內(nèi)壁上和底板上，這種材料使用了滌錦復(fù)合超細(xì)纖維紗和導(dǎo)電紗為原料，通過(guò)織造、染整處理、超凈清洗等工藝加工成超細(xì)纖維型潔凈防靜電的面料。[4]這種材料能更大程度的吸附寵物毛發(fā)，由此解決了寵物掉毛發(fā)的問(wèn)題。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊分析

本產(chǎn)品系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)共分為兩個(gè)部分：硬件部分和軟件部分。

4.1 硬件部分

寵物屋的控制系統(tǒng)如圖2 所示，寵物屋設(shè)計(jì)采用Arduino UNO 作為總控芯片，通過(guò)I/O 接口連接WiFi 模塊、溫濕度傳感器模塊、半導(dǎo)體陶瓷和加濕器模塊、喂食喝水模塊、esp32CAM攝像頭模塊、紅外感應(yīng)和測(cè)溫模塊、UV 紫外線燈模塊、空氣凈化模塊、風(fēng)扇模塊、RGB 燈模塊。這些模塊組成可以實(shí)現(xiàn)五個(gè)功能，分別是溫濕度調(diào)節(jié)、監(jiān)控功能、寵物休憩監(jiān)測(cè)和測(cè)溫、除異味殺菌消毒功能、喂食功能。

4.2 軟件部分

軟件部分根據(jù)系統(tǒng)功能模塊化設(shè)計(jì)編程，智能寵物屋的工作流程如圖3 所示，智能寵物屋系統(tǒng)功能的具體實(shí)現(xiàn)是利用程序來(lái)控制12864OLED 顯示屏的顯示、esp8266WiFi 的信號(hào)檢測(cè)、溫濕度傳感器信號(hào)檢測(cè)、紅外感應(yīng)傳感器信號(hào)檢測(cè)、紅外傳感器信號(hào)檢測(cè)、空氣凈化器和UV 紫外線發(fā)光二極管的控制、esp32CAM攝像頭信號(hào)檢測(cè)、繼電器電路信號(hào)檢測(cè)，舵機(jī)的工作狀態(tài)、風(fēng)扇和加濕器的控制、喂食器的控制。

軟件系統(tǒng)的程序編寫，是用來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能。軟件系統(tǒng)主要由主程序和子程序組成[3]，模塊化的設(shè)計(jì)編程，方便各個(gè)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)功能，提高了運(yùn)行的效率。

5 結(jié)論

圖2 寵物屋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

智能寵物屋整體系統(tǒng)采用Arduino UNO 開(kāi)發(fā)板作為總控制芯片，實(shí)現(xiàn)了溫濕度調(diào)節(jié)、休憩監(jiān)測(cè)和測(cè)溫、寵物屋內(nèi)空氣凈化殺菌消毒、監(jiān)控畫面、喂食喝水等功能，還解決了寵物屋內(nèi)防止掉毛發(fā)的問(wèn)題。這款寵物屋的側(cè)面還為附加裝置預(yù)留了銜接空間，方便與未來(lái)的智能家居相結(jié)合使用，這款低能耗、環(huán)保的產(chǎn)品適合融入智能家居，讓未來(lái)的生活更加智能化。本次產(chǎn)品的研究和設(shè)計(jì)更好的融合了電子信息知識(shí)和計(jì)算機(jī)知識(shí)，讓我們的知識(shí)面也得以擴(kuò)展，進(jìn)一步培養(yǎng)了我們學(xué)習(xí)電子和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的欲望。