基于互聯(lián)網(wǎng)+及云存儲(chǔ)的寵物自動(dòng)喂食嵌入式系統(tǒng)

胡名睿，郝曉健，王昊辰，李佳靜，周雨笛，張小輝

（合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽合肥，230601）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的人選擇購(gòu)買(mǎi)并喂養(yǎng)寵物，寵物已經(jīng)變成他們的生活寄托[1]。然而我們意識(shí)到，現(xiàn)在有許許多多獨(dú)居，并且養(yǎng)寵物的年輕人，由于繁忙的工作、學(xué)習(xí)，他們可能沒(méi)有足夠的時(shí)間于精力隨時(shí)照看寵物[2]，那么寵物身體不適乃至生病等狀況就有可能發(fā)生。因此我們認(rèn)為，在需要寵物獨(dú)處的這段時(shí)間中，如何飼養(yǎng)寵物已經(jīng)成為了這些用戶的一大難題。為此，我們需要設(shè)計(jì)出一款能夠解決用戶困難的產(chǎn)品。

經(jīng)過(guò)前期的市場(chǎng)調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)：隨著飼養(yǎng)寵物的人數(shù)越來(lái)越多，寵物相關(guān)行業(yè)得到了快速發(fā)展，專(zhuān)門(mén)為寵物設(shè)計(jì)的用品呈現(xiàn)多元化，但智能寵物用品的研發(fā)情況相對(duì)較少。經(jīng)過(guò)我們團(tuán)隊(duì)的討論，我們決定自行設(shè)計(jì)一款智能寵物自動(dòng)喂食器，幫助用戶仔細(xì)照顧寵物，方便用戶的個(gè)人生活。

1 系統(tǒng)分析

■1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

根據(jù)我們團(tuán)隊(duì)討論的結(jié)果，我們準(zhǔn)備制作的產(chǎn)品如下：利用STM32單片機(jī)作為嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)。STM32單片機(jī)是以ARMCortex為基礎(chǔ)架構(gòu)的STMicroelectronics嵌入式32位微處理器, 具有成本低、性能高、功能多，能耗少等優(yōu)點(diǎn)[3]，還包含定時(shí)器程序存儲(chǔ)器等硬件，不需要外接其他存儲(chǔ)器芯片和定時(shí)器件，方便構(gòu)成一個(gè)最小系統(tǒng)[4]；通過(guò)連接HX711壓力傳感器模塊、OLED顯示模塊、SYN6288語(yǔ)音播報(bào)模塊、DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、HC-SR501紅外檢測(cè)模塊、EC20物聯(lián)網(wǎng)模塊等電子元件，實(shí)現(xiàn)稱(chēng)量寵物飼料、顯示操作界面、語(yǔ)音提示當(dāng)前操作、顯示時(shí)間、檢測(cè)寵物活動(dòng)以及向用戶手機(jī)發(fā)送短信，提示當(dāng)前寵物進(jìn)食數(shù)據(jù)等功能。在短信的提示下，用戶可以對(duì)寵物的身體狀況做出大致的判斷。我們相信，在這些具有強(qiáng)大功能的模塊的組合下，我們的產(chǎn)品一定能夠代替用戶照顧好每一只寵物，能夠很好的解決無(wú)人在家時(shí)的寵物喂養(yǎng)功能, 成為主人和寵物之間良好的“中間體”[5]。

■1.2 原理分析

根據(jù)我們團(tuán)隊(duì)討論的結(jié)果，我們制作了一張整體工作流程圖，如圖1所示。

圖1 寵物喂食器的整體工作流程圖

首先OLED顯示模塊會(huì)顯示當(dāng)前的實(shí)時(shí)時(shí)間。我們采用紅外傳感器模塊探測(cè)寵物是否處在喂食器的前方。如果寵物在喂食器的前方停留時(shí)間超過(guò)5秒，那么我們認(rèn)為寵物處于饑餓狀態(tài)，需要進(jìn)食，此時(shí)喂食器內(nèi)置的存放飼料的儲(chǔ)物箱會(huì)打開(kāi)。當(dāng)飼料投放到喂食器的底部托盤(pán)中時(shí)，托盤(pán)下方的壓力傳感器模塊就會(huì)測(cè)量飼料的質(zhì)量，并且顯示在OLED顯示屏上。當(dāng)寵物進(jìn)食完成后，壓力傳感器模塊會(huì)再次測(cè)量剩余食物的質(zhì)量，兩次測(cè)得的值只差就是寵物進(jìn)食的質(zhì)量。接下來(lái)，EC20物聯(lián)網(wǎng)4G模塊上傳至阿里云或OneNet等云端進(jìn)行處理。當(dāng)用戶登錄云端賬戶時(shí)，就能通過(guò)這些信息了解所有的進(jìn)食信息，再根據(jù)相關(guān)論文支撐能對(duì)寵物身體狀況做出大致的推測(cè)判斷。

另外，我們的產(chǎn)品還會(huì)提供人工設(shè)置功能。產(chǎn)品上自帶4個(gè)按鍵，便于用戶修改時(shí)間、修改食物投放質(zhì)量等參數(shù)；同時(shí)，由于顯示界面中存在多級(jí)菜單，因此按鍵也有著前往下一級(jí)或返回上一級(jí)的功能。產(chǎn)品同時(shí)自帶LED小燈，用于顯示供電是否正確、硬件是否存在故障。

圖2 寵物喂食器的模塊構(gòu)成詳解圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)我們團(tuán)隊(duì)討論的結(jié)果，我們利用XMind軟件制作了一張所需模塊的構(gòu)思圖，如圖2所示。

我們給出整體實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 寵物喂食器整體實(shí)物圖

■2.2 系統(tǒng)組成模塊說(shuō)明及測(cè)試

下面將依次介紹該系統(tǒng)的主要模塊組成及測(cè)試。

2.2.1 OLED顯示模塊

OLED顯示模塊（2.42寸）的核心芯片為SSD1309，該模塊具有低功耗、超高對(duì)比度等特點(diǎn)，利用IIC協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行通信。這里我們采用軟件IIC的形式實(shí)現(xiàn)通信。

接下來(lái)我們對(duì)這一模塊進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)程序下載入單片機(jī)時(shí)，OLED會(huì)顯示當(dāng)前時(shí)間。當(dāng)我們按下按鍵后，可以進(jìn)入初始目錄，通過(guò)按鍵的控制，我們可以控制指示箭頭指向不同的操作指令，如圖4所示。

2.2.2 HC-SR501紅外檢測(cè)模塊

HC-SR501紅外檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)引腳可輸出高、低兩種電平。當(dāng)模塊檢測(cè)到有物體在模塊前活動(dòng)時(shí)輸出高電平，若檢測(cè)不到輸出低電平。

接下來(lái)我們對(duì)這一模塊進(jìn)行測(cè)試。我們規(guī)定，當(dāng)模塊檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，綠色的LED燈亮，反之紅色LED燈亮。由于初始測(cè)試時(shí)輸出的電平不穩(wěn)定，LED燈不斷變換顏色，因此依照按鍵的消抖原理，我們?cè)谳敵鲭娖角疤砑恿搜訒r(shí)語(yǔ)句。通過(guò)我們的測(cè)試，當(dāng)我們?cè)谀K前方活動(dòng)時(shí)，綠色的LED燈能夠正常顯示；而當(dāng)我們遠(yuǎn)離模塊時(shí)，紅色的LED燈能夠正常顯示，此時(shí)模塊輸出的電平穩(wěn)定，如圖5所示。

2.2.3 SYN6288語(yǔ)音播報(bào)模塊

SYN6288語(yǔ)音播報(bào)模塊采用UART通信方式，操作簡(jiǎn)單，只需要向串口發(fā)送固定文本，該模塊就能通過(guò)外接揚(yáng)聲器播放文本。

圖4 OLED模塊顯示主界面

圖5 SYN6288模塊檢測(cè)到人物活動(dòng)

接下來(lái)我們對(duì)這一模塊進(jìn)行測(cè)試。我們?cè)谥骱瘮?shù)中設(shè)置固定語(yǔ)音文本“溫馨提示正在補(bǔ)充食物”，給單片機(jī)上電后我們發(fā)現(xiàn)模塊能夠正常閱讀文本；另外我們使用串口調(diào)試助手軟件，可以發(fā)現(xiàn)模塊的串口能夠正常的接收數(shù)據(jù)，如圖6-7所示。

圖6 SYN6288模塊可播放聲音

2.2.4 HX711壓力傳感器模塊

HX711壓力傳感器模塊采用SPI通信的變式方式。根據(jù)芯片手冊(cè)提供的資料，時(shí)鐘引腳會(huì)輸出25個(gè)到27個(gè)不等的時(shí)鐘脈沖，其中前24位時(shí)鐘信號(hào)用于發(fā)送數(shù)據(jù)，第25位到27位用于選擇下一次的A/D轉(zhuǎn)換通道與增益。

圖7 串口接收數(shù)據(jù)為固定文本

接下來(lái)我們對(duì)這一模塊進(jìn)行測(cè)試。我們打開(kāi)電腦中的串口調(diào)試助手，規(guī)定波特率115200，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，打開(kāi)串口后，我們可以發(fā)現(xiàn)在接收窗口中出現(xiàn)了模塊上方重物的質(zhì)量，如圖8-9所示。

圖8 HX711連接STM32

圖9 串口調(diào)試助手接收到重物的質(zhì)量

2.2.5 DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊采用SPI通信方式，內(nèi)置8個(gè)寄存器，用于存放年、月、日等時(shí)間的BCD碼。這里我們采用軟件IIC的形式實(shí)現(xiàn)通信。

接下來(lái)我們對(duì)這一模塊進(jìn)行測(cè)試。我們首先對(duì)DS1302初始化，向其中寫(xiě)入0時(shí)0分，我們利用SPI的底層讀字節(jié)函數(shù)，將8個(gè)寄存器的值讀出，并顯示在OLED顯示模塊上，我們可以發(fā)現(xiàn)顯示模塊能夠正常顯示，如圖10所示。

2.2.6 EC20物聯(lián)網(wǎng)模塊

EC20物聯(lián)網(wǎng)4G模塊采用USB協(xié)議進(jìn)行通信，同時(shí)內(nèi)置了MQTT協(xié)議。MQTT傳輸協(xié)議具有簡(jiǎn)潔、小巧、可擴(kuò)展性強(qiáng)、省流量、低功耗等特點(diǎn)，可確保MQTT客戶端的持久耐用[6]。實(shí)現(xiàn)了將其他傳感器模塊上檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送到OneNet云端的功能，通過(guò)壓力傳感器、溫濕度傳感器等模塊采集到溫度、濕度以及寵物吃掉的食物的重量，將這些數(shù)據(jù)傳送到OneNet云端做進(jìn)一步處理。

圖10 DS1302模塊顯示當(dāng)前時(shí)間

接下來(lái)我們對(duì)該模塊進(jìn)行測(cè)試。在單片機(jī)上電后會(huì)發(fā)送注冊(cè)信息到OneNet，請(qǐng)求注冊(cè)設(shè)備，注冊(cè)成功會(huì)返回設(shè)備ID。然后讀取溫濕度，轉(zhuǎn)換為MQTT數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，將采集到的溫度和濕度的數(shù)據(jù)通過(guò)EC20模塊傳送到OneNet云端，在相應(yīng)的OneNet控制端接收到來(lái)自單片機(jī)傳送過(guò)來(lái)的溫濕度的數(shù)據(jù)，如圖11-12所示。

圖11 EC20模塊連接STM32

圖12 EC20模塊向OneNet平臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)

3 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用前景

我們研制的產(chǎn)品主要的創(chuàng)新點(diǎn)在于：使用到了EC20模塊。我們用到了MQTT協(xié)議，將EC20模塊與我們的開(kāi)發(fā)板進(jìn)行相連，使用netassist軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。將寵物的進(jìn)食信息上傳至云端，并對(duì)寵物的健康狀態(tài)進(jìn)行初步判斷，通過(guò)信息處理使得寵物信息數(shù)據(jù)可視化，便于用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)寵物的身體異常。

在引言中我們也提到，目前養(yǎng)寵物的人越來(lái)越多，與寵物相關(guān)的市場(chǎng)逐漸擴(kuò)大，同時(shí)，受到越來(lái)越大的生活壓力以及以996為代表的加班文化的影響，人們?cè)絹?lái)越傾向于選擇機(jī)器代替人工，寵物喂食器也會(huì)被更多用戶選擇。同時(shí)，我們對(duì)寵物喂食器的前景進(jìn)行了預(yù)測(cè)。我們認(rèn)為，將來(lái)的寵物家電必將涉足于目前一片空白的寵物健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。這不僅因?yàn)楦鞣N健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的逐步完善，更有我國(guó)特殊國(guó)情——高額的寵物醫(yī)療收費(fèi)的影響。雖然受制于技術(shù)因素，當(dāng)前寵物健康監(jiān)測(cè)設(shè)備還難以推廣，但我們的喂食器通過(guò)另外一種方式達(dá)到了類(lèi)似效果：喂食器將通過(guò)大數(shù)據(jù)比對(duì)，及時(shí)監(jiān)測(cè)出寵物異常進(jìn)食，并對(duì)寵物的健康狀況做出初步判斷，若使得寵物在患病初期便能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，做到早發(fā)現(xiàn)早治療，在保護(hù)寵物健康的同時(shí)減少用戶在醫(yī)療方面的開(kāi)支。除此之外，寵物喂食器配套的APP還會(huì)添加社區(qū)功能，所有用戶都能發(fā)表心得、寵物常見(jiàn)疾病和相關(guān)急救措施，這樣能夠構(gòu)建和睦的軟硬件生態(tài)。綜上，我們認(rèn)為我們的寵物喂食器有著非常良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語(yǔ)

本論文詳細(xì)介紹了以STM32為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的寵物自動(dòng)喂食器，通過(guò)HX711壓力傳感器、OLED顯示模塊、SYN6288語(yǔ)音播報(bào)模塊、DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、HCSR501紅外檢測(cè)模塊、EC20物聯(lián)網(wǎng)模塊等電子元件，實(shí)現(xiàn)稱(chēng)量寵物飼料、顯示操作界面、語(yǔ)音提示當(dāng)前操作、顯示時(shí)間、檢測(cè)寵物活動(dòng)以及向用戶手機(jī)發(fā)送短信，提示當(dāng)前寵物進(jìn)食數(shù)據(jù)等功能。經(jīng)過(guò)我們的驗(yàn)證，本產(chǎn)品能夠初步實(shí)現(xiàn)寵物自動(dòng)喂食功能，方便用戶的生活。