基于物聯(lián)網(wǎng)和云存儲的寵物定位與監(jiān)控系統(tǒng)設計

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)和云存儲技術的快速發(fā)展，寵物定位與監(jiān)控系統(tǒng)成為了一個備受關注的研究方向。鑒于此，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和云存儲的寵物定位與監(jiān)控系統(tǒng)，旨在幫助寵物主人實時監(jiān)控、召回寵物。系統(tǒng)包含寵物項圈和軟件系統(tǒng)，項圈通過GPS和溫濕度模塊采集寵物狀態(tài)信息和定位數(shù)據(jù)，并通過4G模塊上傳至云端服務器，軟件系統(tǒng)為寵物主人提供實時監(jiān)控和寵物召回等功能。該設計有望提高寵物的安全性，為寵物主人提供更好的寵物飼養(yǎng)體驗。

關鍵詞：云存儲；物聯(lián)網(wǎng)；STM32單片機；4G數(shù)據(jù)傳輸；寵物定位與監(jiān)控；寵物項圈

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-00-03

0 引 言

近幾年，隨著我國經(jīng)濟水平持續(xù)提高，人們的生活質量也在穩(wěn)步上升，飼養(yǎng)寵物已經(jīng)成為了一種新的流行趨勢[1]。但寵物在給人們的生活帶來快樂的同時，也會產(chǎn)生諸如寵物走失、寵物溺水等問題，因此如何有效地對寵物進行定位與監(jiān)控管理，是需要解決的問題。

經(jīng)過調研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)存的寵物項圈只能監(jiān)測寵物活動情況或GPS定位信息，且通常使用藍牙技術，功能較為單一，傳輸距離較近，難以滿足遠距離數(shù)據(jù)傳輸和用戶遠程訪問的需求。同時某些大型寵物還存在多動性、活動范圍廣、活動地形復雜等問題，導致定位項圈難以準確定位寵物位置。

針對以上問題，本文基于物聯(lián)網(wǎng)和云存儲技術設計了新型寵物項圈，不僅可以準確定位，還可以通過召回系統(tǒng)輔助寵物自己找到回家的路，并且能實時測量寵物所處環(huán)境的溫濕度以防寵物溺水，同時還提供了一款APP可供寵物主人實時監(jiān)控寵物狀態(tài)[2]。

1 系統(tǒng)架構及工作原理

寵物監(jiān)控與定位系統(tǒng)對寵物所在環(huán)境和位置的數(shù)據(jù)進行采集，寵物主人可以通過APP遠程監(jiān)控寵物的實時狀態(tài)。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、阿里云服務器和數(shù)據(jù)訪問終端組成，其總體設計如圖1所示。其工作流程為GPS、溫濕度傳感器、三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器，微處理器解析接收數(shù)據(jù)，通過4G模塊上傳數(shù)據(jù)到阿里云物聯(lián)網(wǎng)IoT平臺上對應的設備。然后，阿里云平臺將數(shù)據(jù)發(fā)送至特定端口的阿里云ECS實例。在接收端的ECS實例上進行數(shù)據(jù)解碼和解析，并提取所需信息，最后將其存入數(shù)據(jù)庫。用戶可以通過手機APP遠程監(jiān)控寵物實時狀態(tài)。

2 硬件設計

本系統(tǒng)主要監(jiān)控寵物所處環(huán)境的實時溫度和濕度、地理位置等信息。使用可充電鋰電池可以避免頻繁更換電池的麻煩。設計選用STM32F103C8T6作為主控制芯片。

用戶實時監(jiān)視佩戴項圈的寵物的 GPS 位置信息。當主人發(fā)現(xiàn)寵物走失時，可以通過手機上的寵物召回功能，設定以寵物為中心的30°圓弧區(qū)域為工作區(qū)域，其余330°為空閑狀態(tài)。系統(tǒng)根據(jù)GPS數(shù)據(jù)、陀螺儀數(shù)據(jù)和加速度傳感器數(shù)據(jù)來確定寵物頭部的朝向。當寵物頭部朝向回家的方向時，系統(tǒng)會播放預先錄制的主人聲音。寵物聽到主人熟悉的聲音后會朝著家的方向移動。如果寵物朝其他方向移動，則系統(tǒng)不做任何反應。通過不斷更新回家的方向，系統(tǒng)能夠準確地引導寵物回家。系統(tǒng)硬件設計如圖2所示。

2.1 微控制器

系統(tǒng)采用了STM32C8T6微控制器，如圖3所示，它是一款基于ARM的32位微控制器，具備64 KB的閃存。該微控制器的工作電壓范圍為2.0～3.6 V，工作溫度范圍為-40～85 ℃。STM32處理器支持睡眠、停機和待機三種低功耗模式。在低功耗狀態(tài)下，單片機的喚醒時間可以達到微秒級[3]。

2.2 溫濕度采集模塊

DHT11是一種數(shù)字式溫濕度傳感器，用于測量周圍環(huán)境的溫度和相對濕度。它采用單線數(shù)字接口，并集成了溫度和濕度傳感器元件以及信號調理電路。DHT11具有低功耗、高精度、穩(wěn)定性好和響應速度快等優(yōu)點[4]。工作電壓范圍為3.3～5 V，輸出的溫度和濕度信號為數(shù)字信號，可直接連接到微處理器的數(shù)字輸入口。

在使用DHT11之前，單片機需要發(fā)送一次開始信號，使DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，并等待主機發(fā)送開始信號結束。DHT11會發(fā)送響應信號，然后傳輸40位的數(shù)據(jù)，分為濕度數(shù)據(jù)（16位）、溫度數(shù)據(jù)（16位）和校驗和（8位）三部分。接收到數(shù)據(jù)后，通過校驗來驗證數(shù)據(jù)的準確性，校驗和應等于濕度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的和的低8位。然后將接收到的濕度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)轉換為實際的濕度值和溫度值?？梢愿鶕?jù)需求對濕度值和溫度值進行處理，并將其應用于系統(tǒng)中。完成數(shù)據(jù)采集后，DHT11會重新切換到低功耗模式。如果沒有接收到主機發(fā)送的開始信號，DHT11不會主動進行溫濕度采集。

2.3 GPS模塊

GPS模塊選用的是北斗GPS模塊ATK-1218-BD，它是一種性能優(yōu)異、功耗低、易于集成的定位模塊。該模塊支持GPS/北斗定位數(shù)據(jù)，并采用NMEA-0183協(xié)議（默認），控制協(xié)議為SkyTraq協(xié)議。NMEA-0183協(xié)議使用ASCII碼傳遞信息，其中$GNGGA 語句表示GPS定位信息。因為該模塊可以采集的信息比較多，所以我們要對GPS采集的數(shù)據(jù)進行處理。

因為NMEA-0183數(shù)據(jù)是通過ASCII碼來傳遞的，所以要將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)轉換為可處理的格式。將轉換完的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)通過單片機發(fā)送給4G模塊。轉換公式為：

Lo=D+（M/60）" " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

La=D+（M/60）" " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

式中：Lo表示經(jīng)度；La表示緯度；D表示度數(shù)；M表示分數(shù)。

2.4 4G模塊

4G模塊采用的是移遠EC600N模塊。移遠EC600N是一款高性能的4G LTE Cat.4模塊，支持多種網(wǎng)絡制式。該模塊采用高性能ARM Cortex A7處理器，運行速度快，能夠處理復雜的數(shù)據(jù)和應用程序。同時，EC600N還擁有豐富的外圍設備接口，方便用戶進行外圍設備的連接和控制。該模塊還支持藍牙4.0和WiFi功能，方便用戶進行無線通信和數(shù)據(jù)傳輸。

EC600N通過STM32F103C8T6的串口通信獲取到經(jīng)緯度和溫濕度數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)上傳到云平臺進行存儲。

4G模塊啟動后會先檢查是否插了SIM卡或者SIM卡是否插好，如果有問題會通過EC600N配套的喇叭進行語音提示，當SIM卡插好后會進行聯(lián)網(wǎng)。

3 數(shù)據(jù)存儲與訪問

云存儲技術是在網(wǎng)絡技術飛速發(fā)展的背景下興起的一種新型存儲技術，近年來被廣泛應用于各個領域[5]。隨著網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，使用云盤存儲信息已成為許多應用程序存儲內部素材和資源的首選方式[6]。

阿里云服務器是一種高效的計算服務，可以彈性地處理數(shù)據(jù)，并方便地建立數(shù)據(jù)中心以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和訪問。在使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺時，需要創(chuàng)建產(chǎn)品和設備，定義物聯(lián)網(wǎng)模型，并建立設備與平臺的連接。服務端可以訂閱設備消息，云端可以下發(fā)指令。每個創(chuàng)建的產(chǎn)品對應一類設備，每個平臺設備對應一個實際的物聯(lián)網(wǎng)設備。創(chuàng)建設備后，會得到平臺提供的設備三元組（ProductKey、DeviceName和DeviceSecret）。根據(jù)協(xié)議規(guī)則，可獲取Username、Password、ClientID、IP等參數(shù)，并將其作為連接阿里云的身份驗證信息寫入物聯(lián)網(wǎng)設備[7]。

在阿里云服務器端，可以通過運行一個數(shù)據(jù)接收程序并使用MySQL數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)信息的接收和存儲，優(yōu)點在于數(shù)據(jù)庫體積小、存儲速度快。數(shù)據(jù)接收程序使用Java Socket通信技術來實現(xiàn)，通過解析接收到的字節(jié)數(shù)組，將其中的各個字段數(shù)據(jù)存入MySQL數(shù)據(jù)庫，寵托師信息見表1所列。通過手機APP，用戶可以遠程監(jiān)控寵物的實時狀態(tài)。

4 軟件設計

寵物項圈系統(tǒng)的軟件開發(fā)采用了Keil平臺，它是一個集成了代碼編輯、編譯、調試等功能的開發(fā)環(huán)境，在嵌入式系統(tǒng)領域被廣泛應用，能夠滿足本系統(tǒng)的開發(fā)需求[8]。軟件程序包含了外出模式、居家模式和丟失召回模式等，并具備以下子程序：中心控制程序、GPS程序、溫濕度采集程序和4G模塊數(shù)據(jù)處理程序。

在軟件開發(fā)過程中選擇C語言作為主要編程語言具有諸多優(yōu)點。首先，C語言具有較快的運行速度和強大的功能；其次，C語言具有簡短、靈活多變的語法結構，提供了豐富的運算符和數(shù)據(jù)類型，沒有嚴格的語法限制，使得編程工作更加自由。此外，C語言具備現(xiàn)代語言的特點，編寫的程序具有較高的可移植性，便于今后的項目技術迭代[9]。

在正常使用時，入網(wǎng)成功后，GPS系統(tǒng)將執(zhí)行搜星和定位操作，每30 s向服務器上報信息（包括溫濕度和GPS定位）。具體流程如圖4所示，此時整個系統(tǒng)會進入低功耗模式。如果入網(wǎng)失敗，則系統(tǒng)切換至離線工作模式，所有活動軌跡信息將被記錄在存儲模塊中[10]。

丟失模式可通過觸發(fā)防盜模塊或手動開啟，設備將會向服務器發(fā)出警告和位置信息。即使設備被關閉，重新啟動后也會繼續(xù)發(fā)送警告消息。寵物跟蹤的功能模塊設計原理是調用百度地圖的API，同時也可以實現(xiàn)地圖的縮放功能。在溫度和濕度頁面可以查看寵物的歷史數(shù)據(jù)，如圖5所示。用戶端使用APICloud進行編寫，它是由用友網(wǎng)絡旗下的YonBuilder移動低代碼開發(fā)平臺提供的，旨在解放開發(fā)者，減少繁瑣、重復的開發(fā)工作，以便快速構建企業(yè)級應用[11]。

5 結 語

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術和云存儲技術設計了寵物定位與監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對寵物的實時定位和遠程監(jiān)控。系統(tǒng)具備良好的可擴展性和穩(wěn)定性，能夠滿足寵物主人對寵物安全的需求。系統(tǒng)采用GPS定位技術，可將寵物的位置信息準確地傳輸?shù)皆拼鎯ζ脚_，并提供給用戶進行實時查看和跟蹤。這有助于寵物主人隨時了解寵物的行動軌跡，及時采取相應措施。

寵物定位與監(jiān)控系統(tǒng)采用云存儲技術，將寵物的監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲在云端，用戶可以通過網(wǎng)絡隨時隨地訪問和管理這些數(shù)據(jù)。云存儲還提供可靠的數(shù)據(jù)存儲和備份機制，確保數(shù)據(jù)的安全性和持續(xù)性。本系統(tǒng)在寵物定位和監(jiān)控方面具備一定的優(yōu)勢和創(chuàng)新性，不僅提供了追蹤寵物位置的功能，還支持用戶通過智能手機或電腦進行遠程監(jiān)控，保障寵物的安全。

注：本文通訊作者為石明翔。

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