基于物聯(lián)網的寵物智能飼喂系統(tǒng)設計

王 伸，常 奇，程 鵬，王紫薇，王炣萱

(山西農業(yè)大學，山西 太原 030801)

0 引言

寵物一般指在個人家中飼養(yǎng)、可以觀賞、陪伴主人日常生活的小型動物，例如貓、狗、鳥、魚、爬行動物等。雖然與國外相比國內寵物行業(yè)起步相對較晚，但是隨著人們生活水平的不斷提高和老齡化人口數量的持續(xù)增多，寵物行業(yè)呈現高速發(fā)展的趨勢，與寵物有關的各類市場逐漸擴大。

圖1 2017—2021年中國寵物行業(yè)市場規(guī)模統(tǒng)計

預計未來幾年，中國的寵物飼養(yǎng)量將以10%左右的復合增速持續(xù)增長。人們由于外出工作、外出旅行以及近幾年疫情原因等眾多因素，沒有時間或者沒有條件去精心照管寵物,以至于出現了一系列寵物無人照看的問題，所以現在對飼養(yǎng)寵物系統(tǒng)的需求越來越高。物聯(lián)網作為一個信息技術綜合應用的代名詞，成為人們信息世界的重要領域。物聯(lián)網主要是通過一些硬件設備，按照規(guī)定協(xié)議，將人們生活中的任意物體和互聯(lián)網連接起來，進行信息的交換和通信，實現對任意物體智能化操作的一種網絡，極大地影響了人們生活的方方面面。

為此，胡名睿等[1]設計了寵物自動喂食嵌入式系統(tǒng)，可將采集到的寵物信息通過短信發(fā)送至用戶手機；龍小麗等[2]研究了基于單片機的智能寵物投食系統(tǒng)；張世清等[3]設計了基于STM32的寵物喂食系統(tǒng)，用戶可以通過登錄OneNET物聯(lián)網隨時查看寵物的情況；李曉茹等[4]設計了基于Raspber-ry Pi 的物聯(lián)網智能寵物看護系統(tǒng)，重點實現了寵物高效監(jiān)控的功能；劉忠臣等[5]發(fā)明了一種動物引導裝置，極大地解決了動物進門引導裝置不可靠的問題；類維青[6]介紹了寵物犬的日常飼養(yǎng)管理與疾病防控,敘述了寵物犬的日常飼養(yǎng)方法和疾病防控等知識；郭兵等[7]主要對寵物犬的飼養(yǎng)及疾病防治進行了探討，通過科學合理的飼養(yǎng)方案，極大地降低了寵物犬的發(fā)病率；楊婷婷等[8]分析了傳統(tǒng)寵物社區(qū)店的經營困境，并提出了相應的解決對策。

從研究現狀來看，當前飼養(yǎng)寵物系統(tǒng)的研究與設計，主要將重心放在系統(tǒng)硬件上。為此，本文基于無線網絡在人們生活中的廣泛使用，提出通過使用無線網絡的方法代替以往短信、郵件等形式，實現對寵物飼喂系統(tǒng)的控制。本文以STM32為控制核心，將ESP8266模塊作為傳感器的通信設備，再連接服務器，服務器再將數據連接到指定的IP設備上，最終可以在設備上顯示采集的數據，實現對寵物的智能喂養(yǎng)與管理。應用現代的信息技術對寵物進行準時準點的喂養(yǎng)，避免了人為因素對寵物造成身體的危害，還能及時地采集寵物的身體信息，隨時了解寵物的身體狀況。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)主要功能

本寵物智能飼喂系統(tǒng)可以實現寵物定時定點飼喂、寵物活動位置的感應、測量寵物體溫、體重等數據，主要通過運用STM32主控芯片將各個感應傳感器硬件連接起來。

(1)通過定時器播放音樂，吸引寵物覓食，使寵物養(yǎng)成定時定點吃飯的習慣。

(2)通過在寵物身上佩戴射頻卡，讓智能飼喂系統(tǒng)感應到寵物的到來，以實現智能飼喂系統(tǒng)對寵物行為的更準確識別。

(3)在飼喂寵物時，測量寵物的體溫、體重等數據，選用ESP8266模塊作為傳感器的通信設備，將采集到的信息傳入云端，使其可以輕松了解自家寵物的身體狀況，及時處理寵物出現的各種問題。

此外，本裝置還有一塊小型液晶顯示器，用以將室溫、室內空氣質量、寵物的體重、溫度等檢測到的數據實時顯示出來，方便用戶查看。

1.2 總體方案設計

寵物智能飼喂系統(tǒng)主要由傳感數據(體溫、體重、感應)采集模塊、視頻圖像處理模塊、數據傳輸和終端用戶監(jiān)測平臺組成。具體系統(tǒng)組成如圖2所示。系統(tǒng)以STM32處理器為核心，通過對各個傳感器模塊和攝像頭采集的圖像進行處理，最后得到寵物的基本信息。各模塊將數據信息傳送給STM32最小系統(tǒng)板，STM32處理器通過無線通信模塊對信息進行采集與處理，之后通過WiFi無線通信網絡將信息傳輸到物聯(lián)網云平臺，服務器將數據轉換成TCP/IP數據上傳到指定IP。用戶終端監(jiān)測平臺對云服務器指定的IP地址進行訪問。接收到相應的數據后對TCP/IP數據進行解包并將數據存入數據庫，進而獲得傳感器與視頻監(jiān)測數據。

圖2 寵物智能飼喂系統(tǒng)

2 模塊設計

2.1 控制模塊

控制模塊主要使用STM32F103ZET6芯片，實現對各傳感器節(jié)點的控制。該芯片數據總線為32 bit,最大時鐘頻率為72 MHz，存儲器大小為512 KB，采用ARM微控制器-MCU。F是表示芯片子系列,103表示增強型,Z表示144引腳,E表示512 K字節(jié)Flash,T表示LQFP封裝方式,6表示工作溫度-40/85度。它還擁有睡眠、停止和待機3種低功耗模式，并且可用電池為RTC和備份寄存器供電，還配有存儲器等硬件，具有成本低、功能強、功耗小等優(yōu)點。

如圖3所示通過連接RFID射頻感知芯片、HX711稱重芯片、DHT11溫度感應模塊以及攝像頭等電子元器件，可以實現寵物定時定量飼喂，識別寵物的活動位置，還可以測量出它們的體溫、體重等數據。

圖3 STM32連接模塊

2.2 感應模塊

采用RFID芯片為射頻感知模塊，RFID芯片的mosi引腳把數據傳入STM32，并且RFID芯片可快速地掃描數個標簽，從而傳輸多條數據。

HX711芯片為稱重模塊，DHT11芯片為溫度模塊，它們的date引腳通過時鐘型號傳入STM32。

Openmv攝像頭模塊搭配無線傳輸模塊ESP8266，實現圖像的捕捉、處理和傳輸，在固定的地方安裝攝像頭，用戶便能夠隨時查看攝像頭拍到的視頻畫面。而且攝像頭也可以搭載ESP8266無線傳輸模塊，只需要遵循無線傳輸協(xié)議，便可以使每一個攝像頭都能夠單獨進行數據的處理和上傳。

這些傳感器模塊為實現遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)、對監(jiān)控數據的管理以及視頻網絡傳輸等提供了解決方案。

2.3 通信模塊

通信模塊將選用ESP8266模塊，它有softAP 模式、station 模式和softAP + station 共存模式3種。此模塊僅需要通過串口使用AT指令控制，就能滿足大部分的網絡功能需求。通信模塊可以通過STA模式，搜索當前附近的WiFi，通過輸入匹配的密碼便能連入互聯(lián)網。通信模塊也可以通過AP 模式產生WiFi熱點，只需設置WiFi名稱和密碼即可使用。

ESP8266模塊中也實現了TCP/IP協(xié)議棧，用戶端可以使用AT指令向服務端發(fā)起TCP連接。連接TCP服務器并開啟傳輸模式后，模塊串口收到的數據就能夠通過TCP連接傳輸到服務端，服務器將數據轉換成TCP/IP數據上傳到指定IP，用戶終端設備對云服務器指定的IP地址進行訪問。接收到相應的數據后對TCP/IP數據進行解包并將數據存入數據庫，進而獲得傳感器與視頻監(jiān)測數據，實現了軟硬的結合，最終將傳輸的數據顯示在設備中。

圖4 通信傳輸流程

2.4 軟件模塊

無線通信模塊將數據打包上傳至物聯(lián)網云平臺，云平臺負責接收上傳到數據庫。用戶端僅通過將用戶設備與寵物飼喂系統(tǒng)連接到同一段WiFi上，就可以輕松實現設備與硬件系統(tǒng)的連接，進而實現如下功能。

(1)定時投喂功能。

定時投喂功能主要是用戶自己為寵物設置固定的投喂時間、投喂量和播放定時音樂來吸引寵物覓食。

(2)實時監(jiān)控功能。

實時監(jiān)控功能包括實時測量室內溫度、實時檢測寵物的體重、溫度以及通過安裝攝像頭的方法，查看每一段時間內寵物的狀態(tài)，及時發(fā)現寵物的問題。

(3)輔助功能。

輔助功能主要有寵物稱重、獲取寵物的活動位置和行動軌跡等。

本系統(tǒng)通過連接網絡，實現用戶端對寵物飼喂系統(tǒng)的遠程控制和對自家寵物的監(jiān)控，具有靈活性、及時性、方便性等特點。

3 結語

隨著近幾年傳感器技術的發(fā)展成熟和物聯(lián)網的蓬勃發(fā)展，信息監(jiān)控設備已經普遍使用，數據轉發(fā)、存儲、分析技術日趨完善?；诖耍疚脑O計了一款基于物聯(lián)網的寵物飼喂系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103ZET6芯片為核心控制，實現了寵物的智能飼喂、寵物信息采集等功能，可以將收集到的寵物信息傳輸到用戶設備上，供用戶隨時查看。本系統(tǒng)操作簡單便捷，功能實用，占用空間小，解決了由于人們工作、外出以及近幾年疫情原因等眾多因素無暇精心照管寵物的問題,極大地便利了用戶對寵物的管理與監(jiān)控，降低了寵物突發(fā)疾病的死亡率，增進了人與寵物之間的互動，有利于提高養(yǎng)寵人群的生活幸福指數，推動寵物行業(yè)的智能化發(fā)展。