基于STM32單片機的智能寵物穿戴設備的設計與開發(fā)

馮欣悅，劉李河，姚佳露

（佛山職業(yè)技術學院，廣東佛山，528000）

0 引言

近年來隨著人們生活水平的提高，飼養(yǎng)寵物的家庭越來越多，寵物可穿戴設備成為當前一個熱點研究課題。數(shù)據(jù)顯示，全球?qū)櫸镫娮釉O備市場規(guī)模到2024年將達到至少25億美元，中國的市場份額將超過20%。國內(nèi)寵物智能產(chǎn)品從創(chuàng)新設計、研發(fā)再到銷售,都逐漸進入社會市場中,越來越多的人們開始接受、并開始改變養(yǎng)寵方式。從長遠看,寵物智能穿戴設備的需求將會越來越大?；诖耍疚脑O計和開發(fā)除了一款基于STM32單片機的智能寵物穿戴設備。

1 系統(tǒng)功能概述

本文所設計的智能寵物穿戴設備，主要包括健康指標檢測、心電圖、語音交互、精準定位、實時傳輸、系統(tǒng)化管理、云端數(shù)據(jù)同步等功能。

(1)健康指標檢測：系統(tǒng)可檢測寵物心率，血氧濃度，脈搏等健康指標。

(2)心電圖功能：可實時輸出寵物心電（ECG）顯示在LCD電容屏幕上。

(3)語音交互功能：語音識別加語音播報功能，可識別亦可反饋，通過語音控制系統(tǒng)。

(4)精準定位功能：系統(tǒng)采用NEO-M8N+GPS+北斗三重定位芯片，可迅速精準定位寵物位置。

(5)實時傳輸功能：采用GSM模塊，可將寵物健康指標與位置信息通過短信發(fā)送至指定手機號碼。

(6)系統(tǒng)化管理：采用WIFI模塊將系統(tǒng)采集到的各項數(shù)據(jù)上傳至手機APP，可在線管理分析。

(7)云端數(shù)據(jù)同步：系統(tǒng)將各項數(shù)據(jù)實時上傳至中移物聯(lián)云端，通過數(shù)據(jù)分析與處理，得到更加精準的寵物健康信息。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件整體連接示意圖如圖1所示。由于系統(tǒng)各功能模塊較多，功能模塊多采用串口通信，為了滿足這些功能模塊通信接口需求，采用一片STM32F103芯片和一片STM32F407芯片進行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理。STM32F103芯片與NBIOT模塊和GSM模塊連接。STM32F407芯片與GPS模塊、心電監(jiān)測模塊等其他模塊連接。STM32F103芯片與STM32F407芯片之間是通過串行外設接口（SPI）通信。SPI是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳。

圖1 系統(tǒng)硬件整體連接圖

2.1 STM32F103最小系統(tǒng)設計

選用STM32F103RCT6作為系統(tǒng)控制核心。STM32F 103RCT6是一種嵌入式-微控制器的集成電路(IC)，芯體尺寸是32位，主頻是72MHz，程序存儲器容量是256KB，程序存儲器類型是FLASH，RAM容量是48K。該芯片使用ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核，具有外設接口豐富、高性能、低成本和低功耗的優(yōu)點。

本項目主要使用該芯片的串口外設資源。其中，UART2與NBIOT連接；UART3與SIM900A連接；UART1作為調(diào)試串口，方便開發(fā)過程軟件調(diào)試；SPI1與STM32F407通信。其他外設資源可以為功能擴展預留。

2.2 STM32F407最小系統(tǒng)設計

該最小系統(tǒng)選用STM32F407VET6芯片作為控制核心。STM32F407VET6使用ARM Cortex-M4處理器內(nèi)核，具有強大的浮點運算功能，主頻是168MHz，外設接口豐富。項目中感知模塊、GPS模塊、WIFI模塊、語音識別模塊和語音播報模塊都與其連接。STM32F407VET6芯片采集GPS數(shù)據(jù)、心電數(shù)據(jù)、血氧數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)和心率數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理；通過OLED模塊顯示指標數(shù)據(jù)；通過WIFI模塊將健康指標數(shù)據(jù)發(fā)送到手機客戶端。

寵物智能穿戴設備連接的模塊多，需要處理較多數(shù)據(jù)，因此需要處理芯片外設多、實時數(shù)據(jù)處理能力強，STM32F407VET6顯然能夠勝任該需求。

2.3 心率、血氧模塊介紹

MAX30102是一個集成的脈搏血氧和心率監(jiān)測生物傳感器模塊。它集成一個紅光LED、光電檢測器、光器件，以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路。適用于穿戴設備進行心率和血氧采集和檢測。MAX30102采用標準的I2C兼容的通信接口，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C進行處理。

2.4 心電監(jiān)測模塊介紹

系統(tǒng)使用AD8232模塊來實時監(jiān)測寵物心率。AD8232是一款用于ECG及其他生物測量應用的集成信號調(diào)理模塊。該模塊主要用于在運動或遠程電極放置產(chǎn)生的噪聲的情況下提取、放大及過濾微弱的生物信號，適用于心電信號采集。AD8232模塊輸出心電信號范圍是0~3.3V,通過STM32F407的AD轉(zhuǎn)換外設以50Hz頻率讀取模擬電壓信號，并轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信號。

2.5 語音交互模塊電路設計

系統(tǒng)的語音交互功能包括語音識別、語音播報和邏輯控制。

語音播報功能由MP3模塊實現(xiàn)。MP3模塊原理圖如圖2所示。MP3模塊自帶SD卡槽，將存有語音文件的SD卡插入，通過串口給MP3模塊發(fā)送播放指令，MP3模塊會使用外接的揚聲器播放語音。其中端口RX和TX分別是UART接收端口和發(fā)送端口，它們分別與STM32F407的TX和RX連接。SPK1和SPK2是連接揚聲器。

圖2 MP3模塊接線原理圖

語音識別功能由LD3320模塊實現(xiàn)。它與STM32F407通過UART串口連接。模塊具有口令識別模式和普通模式。其中口令模式又分為一級口令和二級口令。系統(tǒng)使用LD3320的口令識別模式，一級口令用于喚醒識別功能，二級口令用于發(fā)出指令。LD3320模塊識別到指令后，通過串口將指令發(fā)送到STM32F407。STM32F407根據(jù)指令執(zhí)行相應任務（語音播報、指標發(fā)送等）。LD3320模塊的指令可以根據(jù)需要設置，但是STM32F407程序中要有對應的指令處理流程。

2.6 GPS模塊電路設計

系統(tǒng)使用中微GPS模塊定位。該模塊支持北斗、GPS和GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng)。模塊通過串口將GPS數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32F407，由STM32F407進行數(shù)據(jù)解析。中微GPS模塊定位精度10m左右，需要在室外才能收到衛(wèi)星信號，因此在室內(nèi)是無法完成定位的。中微GPS模塊還可以為系統(tǒng)提供準確的時間。GPS模塊電路原理圖如圖3所示。

圖3 GPS模塊電路原理圖

2.7 WIFI模塊電路設計

系統(tǒng)使用ESP8226串口WIFI模塊。該模塊具有成本低、穩(wěn)定性好和抗干擾能力強的特點。模塊內(nèi)部使用LWIP協(xié)議，支持AP、STA和AP+STA三種模式。采用AT指令對模塊進行讀寫操作，簡單高效。

在系統(tǒng)中，使用WIFI模塊將寵物指標發(fā)送到移動客戶端，發(fā)送頻率為1Hz。

2.8 溫度檢測模塊電路設計

系統(tǒng)使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器測量寵物的體溫。DS18B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器。其測溫范圍是-55℃~+125℃，最大分別按率達0.5℃。

2.9 OLED顯示屏模塊

系統(tǒng)使用0.96寸的OLED顯示屏模塊顯示主要參數(shù)指標，分辨率為128×64，采用SSD1306作為驅(qū)動芯片。OLED顯示屏具有自發(fā)光的特性，其上有非常薄的有機材料涂層和基板，當有電流通過時，這些有機材料就會發(fā)光，而且屏幕可視角大（大于160°）、功耗低、反應速度快。OLED顯示屏通過I2C總線與STM32F407通信。

2.10 NBIOT模塊

系統(tǒng)通過NBIOT模塊云端數(shù)據(jù)同步，通過數(shù)據(jù)分析與處理，得到更加精準的寵物健康信息。STM32F407將采集到的寵物健康指標數(shù)據(jù)通過SPI串口發(fā)送到STM32F103，STM32F103通過UART串口將寵物健康指標數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到NBIOT模塊，最后由NBIOT模塊發(fā)送到云端服務器。

2.11 GPRS/GSM模塊

GPRS/GSM模塊選用型號為SIM9000A，它搭載GA6-B模組。GA6-B模組采用2G通信標準，覆蓋范圍廣。GA6-B模組傳輸速度快，支持85.6kbps峰值傳輸速率。采用UART與單片機通信，使用方便。

3 設備軟件設計

軟件設置如圖4所示，系統(tǒng)上電后首先初始化單片機外設和各功能模塊。初始化完成后就進入系統(tǒng)軟件主循環(huán)。每一次循環(huán)都會從相應模塊中獲取數(shù)據(jù)并進行計算，得到最終的寵物健康指標。然后根據(jù)初始化的情況分別執(zhí)行相應的動作。如果OLED初始化成功，則會實時顯示健康指標。健康指標顯示的刷新頻率是1Hz。如果WIFI連接，則系統(tǒng)會以1Hz的頻率向移動客戶端發(fā)送寵物健康指標信息。如果NBIOT模塊運行正常，則會以1Hz的頻率將寵物健康指標同步到云端。當系統(tǒng)檢測到寵物指標有異常，會將異常提示以短信的形式發(fā)送時到寵物主人手機。

圖4 系統(tǒng)軟件設計圖

4 測試及結(jié)果分析

主要進行了三個測試，分別為語音控制寵物健康指標數(shù)據(jù)發(fā)送（通過短信發(fā)送到手機），WIFI發(fā)送寵物健康指標數(shù)據(jù)到手機APP，模擬移動客戶端接收數(shù)據(jù)，通過NBIOT將寵物健康指標數(shù)據(jù)同步到云端，使用騰訊云服務器模擬云端服務器。

4.1 語音控制指標發(fā)送

語音控制指標發(fā)送流程為：

(1)用戶說“小杰”作為一級指令，喚醒語音模塊。

(2)系統(tǒng)識別到一級指令，回復“我在，請吩咐”，此時用戶可以說二級指令。如果系統(tǒng)未識別到正確的指令，則會回復“聽不清，請重新說”，返回第一步。

(3)用戶說“指標發(fā)送”作為二級指令，控制短信發(fā)送指標到手機。

(4)系統(tǒng)識別到二級指令，則通過SIM900A模塊發(fā)送指標到指定手機。如果系統(tǒng)未識別二級指令，則回復“聽不清，請重新說”，此時返回第三步。

測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 手機短信接收指標數(shù)據(jù)實驗結(jié)果

4.2 WIFI發(fā)送寵物健康指標數(shù)據(jù)

系統(tǒng)正常運行時，會以1Hz的頻率發(fā)送寵物健康指標到指定的移動客戶端。該測試使用手機APP模擬移動客戶端。APP接收結(jié)果如圖6所示。

圖6 手機APP接收寵物數(shù)據(jù)實驗結(jié)果

4.3 云端同步寵物健康指標數(shù)據(jù)

系統(tǒng)正常運行時，NBIOT模塊會以1Hz的頻率發(fā)送寵物健康指標到指定的服務器。實驗使用騰訊云服務器打開網(wǎng)絡調(diào)試工具接收系統(tǒng)發(fā)送出來的數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖7所示。

5 結(jié)語

在本設計中通過STM32單片機實現(xiàn)了智能寵物穿戴設備的健康指標檢測、心電圖、語音交互、精準定位、實時傳輸、數(shù)據(jù)實施監(jiān)控等功能。本設計可以通過GPS定位，向主人發(fā)送寵物位置信息，脫離既定的活動范圍會向主人發(fā)出警報，這樣可以很大程度上防止寵物走失。本設計可以監(jiān)測寵物的心率和呼吸速率的功能。呼吸、心率數(shù)據(jù)也會發(fā)到云端分析，一旦數(shù)據(jù)異常，主人手機上的客戶端就會建議主人帶寵物上醫(yī)院。作為守護寵物健康的先頭部隊。