基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的寵物智能投喂系統(tǒng)設(shè)計

李冰乳，李帥東，劉昕洋，陳自力

（1.鄭州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 中牟 451450；2.新疆政法學(xué)院 信息網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院，新疆 圖木舒克 844000）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民的生活水平日漸提高，越來越多的人喜歡在家飼養(yǎng)寵物，但因工作需要，可能長期不在家，無法做到及時投喂，從而影響寵物的健康。現(xiàn)有的寵物飼養(yǎng)大多采用一次性投喂足量的食物和水等方式，使食物長期暴露在室外，容易造成細(xì)菌感染，也極易造成寵物暴飲暴食，影響寵物健康[1-5]。因此，設(shè)計一款簡單實(shí)用、價格實(shí)惠的智能投喂系統(tǒng)非常必要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)主要以51 單片機(jī)為主控芯片，由無線傳輸模塊、顯示模塊、語音系統(tǒng)、溫度監(jiān)測模塊、紅外遙控系統(tǒng)、喂水和喂食系統(tǒng)構(gòu)成[4]，如圖1 所示。

圖1 寵物智能投喂系統(tǒng)框圖

當(dāng)系統(tǒng)啟動時，顯示模塊將顯示各模塊的運(yùn)行狀態(tài)，以便用戶了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀況；系統(tǒng)正常運(yùn)行時，溫度監(jiān)測模塊將不斷監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境的溫度，當(dāng)溫度超過設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)將向用戶發(fā)送室內(nèi)溫度超標(biāo)提醒，用戶接收提醒信號后，可以通過手機(jī)客戶端指揮紅外遙控系統(tǒng)調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度；當(dāng)用戶想為寵物喂食時，可以通過手機(jī)客戶端發(fā)出控制信號，控制信號經(jīng)云端服務(wù)器傳輸?shù)綄櫸镏悄芡段瓜到y(tǒng)，系統(tǒng)接收到控制信號后，對控制信號進(jìn)行分析，根據(jù)控制信號的類型做出相應(yīng)動作[6-7]。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用STC89C52RC 單片機(jī)作為主控制芯片，通過引腳RST 與電容C3相連，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位功能，接入的R9作為下拉電阻，在正常工作時，單片機(jī)不復(fù)位，直到有按鍵按下，才強(qiáng)制復(fù)位；電容C1、C2分別與單片機(jī)引腳XTAL2、XTAL1 相連，形成耦合電容，防止電路被擊穿；11.059 2 MHz晶振X1接在C2與C3間，為單片機(jī)提供所需頻率。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖2 所示

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 ESP8266 無線模塊電路設(shè)計

該系統(tǒng)采用安信可推出的ESP8266-WiFi 模塊，其為串口型WiFi，通信穩(wěn)定，一次可傳輸幾千字節(jié)的數(shù)據(jù)，非常適合傳輸傳感器的開關(guān)量等信息。該系統(tǒng)通過杜邦線將模塊管腳與單片機(jī)的I/O 口連接，具體見表1 所列。

表1 模塊與單片機(jī)的I/O 口連接關(guān)系

2.3 喂水和投食系統(tǒng)電路設(shè)計

喂水系統(tǒng)采用5 V 小型水泵，與PNP 三極管S8850 相連，通過單片機(jī)控制引腳實(shí)現(xiàn)定量給水；喂食系統(tǒng)選用舵機(jī)，利用定時器和中斷產(chǎn)生PWM 脈沖，從而控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，打開寵物食物開關(guān)，實(shí)現(xiàn)寵物投喂。喂水和投食電路如圖3 所示。

圖3 喂水和投食系統(tǒng)

2.4 顯示模塊電路設(shè)計

該設(shè)計采用字符顯示的LCD12864F-3 液晶顯示器顯示輸出信息，LCD12864 功耗低、價格實(shí)惠、顯示內(nèi)容豐富，不僅可以顯示字符和漢字，還可以顯示圖像，滿足了本系統(tǒng)的需求。LCD12864 液晶顯示電路如圖4 所示。

圖4 LCD12864 液晶顯示電路

從圖4 可知，LCD12864 的8 位數(shù)據(jù)口LCD_D0 ～LCD_D7 與單片機(jī)的P0.0 ～P0.7 管腳連接，LCD12864的RS、RW、E 腳與單片機(jī)的P2.6、P2.5、P2.7 管腳連接，LCD12864 的RES 復(fù)位腳連接在VCC 上，其他引腳懸空。當(dāng)使用LCD12864 時，其他設(shè)備無需占用這些管腳，即使使用也僅為分時復(fù)用[8]。

2.5 溫度控制模塊

溫度檢測模塊采用體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的DS18B20 溫度傳感器，其中1 腳接地，3 腳接5 V 電源，2 腳接單片機(jī)引腳；溫度控制模塊采用紅外學(xué)習(xí)模塊，首先將紅外學(xué)習(xí)模塊與電腦相連，通過串口發(fā)送學(xué)習(xí)命令，使模塊進(jìn)入內(nèi)部或外部存儲學(xué)習(xí)模式，按空調(diào)遙控器上的按鈕，模塊會收到紅外編碼數(shù)據(jù)，把編碼數(shù)據(jù)存儲到芯片內(nèi)部FLASH 中，并按協(xié)議將控制命令發(fā)送到串口助手；然后與STC89C52RC 單片機(jī)相連，當(dāng)有控制信號到來時，單片機(jī)串口發(fā)送控制命令，此時，由模塊會通過紅外發(fā)射頭發(fā)送，進(jìn)而控制空調(diào)調(diào)節(jié)溫度[9-10]。溫度控制模塊圖示如圖5所示。

圖5 溫度控制模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

主程序流程如圖6 所示。首先對各模塊進(jìn)行系統(tǒng)初始化，使其正常工作，接著開啟ESP8266 模塊，連接云端服務(wù)器，不斷檢測遠(yuǎn)程客戶端信號；當(dāng)檢測到遠(yuǎn)程控制信號后，系統(tǒng)立即開啟串口中斷，分析信號的類型，做出相應(yīng)的投食動作。

圖6 主程序流程

3.2 無線模塊程序設(shè)計

我們使用的ESP8266 為串口型WiFi，與51 單片機(jī)通信之前，需要對單片機(jī)的串口進(jìn)行初始化操作；通過串口使WiFi 相關(guān)AT 指令傳送給模塊，對WiFi 模塊初始化，使其工作在Station+AP 混合模式下；連接室內(nèi)路由器，通過物聯(lián)網(wǎng)連接新浪云服務(wù)器，當(dāng)手機(jī)端與WiFi 模塊建立連接后，手機(jī)端發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)串口進(jìn)入中斷函數(shù)接收數(shù)據(jù)，通過判斷數(shù)據(jù)格式內(nèi)容控制系統(tǒng)相應(yīng)模塊。無線WiFi 程序流程如圖7 所示。

圖7 無線WiFi 程序流程

4 結(jié) 語

該文針對寵物飼養(yǎng)過程中的投喂需求進(jìn)行深入研究，以STC89C52RC 單片機(jī)為主控芯片，設(shè)計了一款實(shí)用型寵物智能投喂系統(tǒng)，以滿足用戶隨時給寵物喂食的需要。同時，對寵物生存環(huán)境進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)視和遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。設(shè)計過程中采用溫度傳感器、紅外傳感器和無線模塊ESP8266 等電子元件，并根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行軟硬件設(shè)計，最終實(shí)現(xiàn)了寵物智能投喂系統(tǒng)。寵物智能投喂系統(tǒng)操作簡單、安全穩(wěn)定、價格實(shí)惠并且功耗低，使用方便。隨著現(xiàn)代人們飼養(yǎng)寵物意識的增強(qiáng)以及科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，相信該寵物智能投喂系統(tǒng)必將在更廣闊的領(lǐng)域得到更深層次的應(yīng)用。

注：本文通訊作者為李帥東。