基于STM32的家用智能寵物投食器的設(shè)計(jì)與研究

摘要：隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，國(guó)民生活水平不斷提高，寵物行業(yè)也得到了飛速發(fā)展。家庭寵物的飼養(yǎng)已成為城市居民生活消遣的新方式。但寵物的喂養(yǎng)需要花費(fèi)大量時(shí)間，導(dǎo)致人們常常為此而煩惱。本文研究了一款寵物自動(dòng)喂食系統(tǒng)，以STM32F103單片機(jī)為核心，通過(guò)手機(jī)端微信小程序的設(shè)定，發(fā)送到云端服務(wù)器，服務(wù)器再進(jìn)行簡(jiǎn)單處理。當(dāng)?shù)竭_(dá)這一時(shí)間點(diǎn)后，云端的服務(wù)器向終端的自動(dòng)投食器發(fā)送喂食命令，底層的微處理器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制向?qū)櫸锿段辜Z食的進(jìn)食量。該系統(tǒng)解決了日常生活中無(wú)法按時(shí)喂養(yǎng)寵物，以及“新手”主人難控制食量的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：寵物喂養(yǎng)；STM32F103；云服務(wù)器；智能投喂

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）23-0114-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

智能寵物投食器可用于家養(yǎng)小寵物，例如寵物貓和寵物狗的喂食和喂水，為寵物的小主人提供了極大的便利。目前，市面上已有的寵物投食器在使用過(guò)程中存在一系列問(wèn)題，具體如下：用戶(hù)在使用過(guò)程中需要手動(dòng)調(diào)節(jié)，才能實(shí)現(xiàn)寵物的定時(shí)定量喂食，無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能投喂；當(dāng)寵物需要喝水時(shí)，用戶(hù)必須手動(dòng)旋轉(zhuǎn)水嘴開(kāi)關(guān)進(jìn)行喂水，無(wú)法在用戶(hù)不在家時(shí)根據(jù)寵物的需求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供水功能；當(dāng)喂養(yǎng)的寵物種類(lèi)不同或者隨著年齡增長(zhǎng)而食量增加時(shí)，無(wú)法靈活調(diào)節(jié)供食時(shí)間和供食量等參數(shù)。王岳等人對(duì)野外自動(dòng)化鴨舍進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)的野外鴨舍實(shí)現(xiàn)了早晨自動(dòng)開(kāi)門(mén)、晚上自動(dòng)奏樂(lè)喚鴨回舍，以及自動(dòng)關(guān)門(mén)、自動(dòng)補(bǔ)料和統(tǒng)計(jì)回舍鴨子數(shù)量等功能[1]；孔愛(ài)菊等人設(shè)計(jì)的野外鴨舍喂水控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以進(jìn)行水箱液位檢測(cè)和水泵驅(qū)動(dòng)，具有水箱低水位自動(dòng)補(bǔ)水和高水位防止溢出等功能，實(shí)現(xiàn)了野外鴨舍喂水的自動(dòng)控制[2]；設(shè)計(jì)了一款可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投喂的智能化家養(yǎng)寵物喂食器，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際使用需求，設(shè)置喂食時(shí)間、數(shù)量、次數(shù)等內(nèi)容，并設(shè)有錄音等輔助功能，以確保喂食器能夠更好地完成投喂工作[3]；楊傳升等設(shè)計(jì)的小型全自動(dòng)喂食機(jī)實(shí)現(xiàn)了飼料投放、消毒清潔、自動(dòng)喂水、自動(dòng)換氣和無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)裙δ埽拐麄€(gè)操作過(guò)程基本脫離人工干預(yù)[4]。針對(duì)現(xiàn)有寵物投食器存在的問(wèn)題，并結(jié)合野外自動(dòng)化鴨舍的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本設(shè)計(jì)提出了一種基于STM32F103微處理器的智能寵物投食器自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；設(shè)計(jì)中使用步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了寵物的食物供給，采用電子秤模塊來(lái)感應(yīng)投喂食物的量，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的速度，同時(shí)還提供了一款微信小程序來(lái)達(dá)到遠(yuǎn)程控制。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本設(shè)計(jì)中包含電源電路模塊，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源輸入；電子秤模塊，用于測(cè)量喂食桶中的剩余量；語(yǔ)音輸出模塊，在投喂器執(zhí)行喂食動(dòng)作后，用于提示小寵物進(jìn)行喂食；溫濕度模塊，用于檢測(cè)投喂器周?chē)沫h(huán)境溫濕度；Wi-Fi模塊和電動(dòng)機(jī)模塊。通過(guò)Wi-Fi模塊與服務(wù)器對(duì)接微信小程序的設(shè)置，達(dá)到設(shè)定時(shí)間后向微處理器發(fā)送命令，從而控制電動(dòng)機(jī)模塊向?qū)櫸锿段故澄铩?/p>

2 系統(tǒng)功能

基于STM32的智能寵物投食器系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以底層硬件設(shè)計(jì)為主，輔以微信端小程序應(yīng)用程序的軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)根據(jù)智能自動(dòng)寵物投食器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能：可定時(shí)自動(dòng)添加食物到喂食盤(pán)，通過(guò)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)將食物運(yùn)送到喂食盤(pán)；可以顯示存量桶（6KG以?xún)?nèi)）和喂食盤(pán)（0.5KG以?xún)?nèi)）中的重量；能顯示室內(nèi)溫度（-50～70℃）和濕度（10%～99%）；可以連接網(wǎng)絡(luò)在手機(jī)上顯示與設(shè)置。

3 軟件設(shè)計(jì)

主程序以人機(jī)交互為主線(xiàn)，分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分。物理層包括數(shù)據(jù)采集、語(yǔ)音播報(bào)、信號(hào)發(fā)生和信號(hào)檢測(cè)等功能；網(wǎng)絡(luò)層由新大陸云平臺(tái)提供的服務(wù)器和Wi-Fi組網(wǎng)等組成；應(yīng)用層則為手機(jī)端的微信小程序。整個(gè)設(shè)計(jì)的主程序詳細(xì)流程如圖3所示，其開(kāi)始是3dklNOO15c2xD4VUAc/ITriTAb8QxgZeeh/Y4YH3/dY=由底層硬件層和微信小程序的應(yīng)用層一起完成初始化。在底層方面，打開(kāi)電源，等待系統(tǒng)初始化完成。底層的Wi-Fi模塊開(kāi)始連接網(wǎng)絡(luò)，連接后登錄到設(shè)定好的新大陸云平臺(tái)。然后檢測(cè)存量桶糧食的重量和喂食桶周?chē)h(huán)境的溫濕度，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。底層硬件在上傳數(shù)據(jù)之后，檢測(cè)是否收到服務(wù)器下達(dá)的命令。當(dāng)沒(méi)有收到時(shí)，則繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)并上傳。當(dāng)收到命令后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始工作，同時(shí)喂食盤(pán)下的電子秤也開(kāi)始檢測(cè)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)對(duì)比。當(dāng)檢測(cè)到的重量與服務(wù)器命令中的重量一致時(shí)，電動(dòng)機(jī)和喂食盤(pán)下的電子秤模塊停止工作，并打開(kāi)語(yǔ)音模塊播放音樂(lè)吸引寵物過(guò)來(lái)進(jìn)食，之后繼續(xù)回到等待命令的過(guò)程。這樣完成了整個(gè)喂食過(guò)程。

4 實(shí)物制作及數(shù)據(jù)分析

通過(guò)上述對(duì)智能寵物投食器的方案論證、硬件設(shè)計(jì)分析和軟件設(shè)計(jì)分析，制作出智能寵物投食器的大致模型。使用KILE5軟件的C語(yǔ)言編寫(xiě)底層由微控制器STM32F103控制的相應(yīng)模塊。

4.1 微信小程序的制作

根據(jù)上述所需功能，使用微信開(kāi)發(fā)者工具通過(guò)JavaScript簡(jiǎn)單制作了一個(gè)微信小程序界面。借助新大陸云平臺(tái)提供的服務(wù)器，建立了網(wǎng)絡(luò)連接。在設(shè)計(jì)了喂食時(shí)間后，應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送至新大陸云平臺(tái)，以保存喂食時(shí)間和重量。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的時(shí)間后，平臺(tái)會(huì)向底層的微處理器發(fā)送數(shù)據(jù)，微處理器隨即開(kāi)始工作。

4.2 新大陸云平臺(tái)服務(wù)器調(diào)試

新大陸云平臺(tái)是國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)——新大陸科技集團(tuán)下的一款可供免費(fèi)使用的服務(wù)器。本設(shè)計(jì)運(yùn)用新大陸云平臺(tái)的服務(wù)器完成了微信小程序和微處理器的數(shù)據(jù)交換，并進(jìn)行了相應(yīng)的處理。微信小程序端發(fā)送過(guò)來(lái)的定時(shí)喂食時(shí)間和數(shù)量的數(shù)據(jù)上傳到新大陸云平臺(tái)的服務(wù)器，經(jīng)過(guò)一些簡(jiǎn)單的處理，形成一個(gè)個(gè)策略。策略的作用是在達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，將發(fā)送一組數(shù)據(jù)給底層微處理器，即喂食命令。底層微處理器檢測(cè)到數(shù)據(jù)，通過(guò)Wi-Fi模塊上傳到新大陸云平臺(tái)的服務(wù)器。它會(huì)將獲得的數(shù)據(jù)保存，并刷新之前的數(shù)據(jù)，等待微信小程序來(lái)獲取。

4.3 硬件制作

通過(guò)KILE5創(chuàng)建工程，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行程序編寫(xiě)和調(diào)試，完成實(shí)物的制作。在使用串口調(diào)試Wi-Fi模塊的過(guò)程中，首先向其發(fā)送AT命令，如果連接成功，則會(huì)回復(fù)OK。然后可以進(jìn)行一些基礎(chǔ)設(shè)置。而在使用微處理器對(duì)其初始化時(shí)，首先要設(shè)置STK，STK的作用是連接熱點(diǎn)。連接熱點(diǎn)后，就可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)了。

在本設(shè)計(jì)中，Wi-Fi模塊在接收到數(shù)據(jù)后會(huì)進(jìn)入中斷模式，優(yōu)先處理接收到的數(shù)據(jù)信息。圖5展示了使用新大陸云平臺(tái)服務(wù)器向Wi-Fi模塊發(fā)送喂食21克糧食的指令。電子秤模塊初始化時(shí)，GPIO口的兩個(gè)數(shù)據(jù)端口分別設(shè)為一個(gè)輸出和一個(gè)輸入。將SCK端口設(shè)置為推挽輸出50Hz模式，而B(niǎo)+數(shù)據(jù)口則設(shè)置為輸入模式。在獲取數(shù)據(jù)時(shí)，首先將SCK連接的PB8拉高，延時(shí)2毫秒后，可以在B+數(shù)據(jù)IO口獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。溫濕度模塊的初始化相對(duì)復(fù)雜。該模塊只有一根數(shù)據(jù)總線(xiàn)，需要同時(shí)用于發(fā)送收集模塊數(shù)據(jù)的命令和接收數(shù)據(jù)。因此，對(duì)這根數(shù)據(jù)線(xiàn)的初始化需要反復(fù)調(diào)整。在未發(fā)送獲取數(shù)據(jù)指令之前，默認(rèn)設(shè)置為輸出模式。在發(fā)送獲取數(shù)據(jù)指令后，則須更改為輸入模式。待40位數(shù)據(jù)獲取完畢后，再將IO口設(shè)置回默認(rèn)的輸出模式。圖6顯示，在調(diào)試過(guò)程中，電子秤模塊偶爾出現(xiàn)靈敏度變化，導(dǎo)致測(cè)量值忽大忽小。這一變化在整個(gè)調(diào)試過(guò)程中花費(fèi)了最長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。最終，根據(jù)多次的調(diào)整，取其多次平均值作為最終換算數(shù)值。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)共分為三層，分別為物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。首先，在物理層上，采用以STM32F103為核心的最小系統(tǒng)，結(jié)合Wi-Fi技術(shù)、傳感器技術(shù)和電機(jī)技術(shù)等制作而成，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫濕度的檢測(cè)、存量桶內(nèi)部重量的檢測(cè)、語(yǔ)音播報(bào)功能以及Wi-Fi數(shù)據(jù)上傳功能。在網(wǎng)絡(luò)層上，以新大陸云平臺(tái)提供的免費(fèi)服務(wù)器作為平臺(tái)，連接了物理層的硬件和應(yīng)用層的微信小程序，主要進(jìn)行雙方的數(shù)據(jù)交換和簡(jiǎn)單處理工作。應(yīng)用層的微信小程序是基于微信載體的一種無(wú)須下載的應(yīng)用，主要功能是為了讓用戶(hù)隨時(shí)隨地控制家中的智能寵物投食器。系統(tǒng)通過(guò)仿真調(diào)試和實(shí)物制作基本上完成了設(shè)計(jì)要求。

由于知識(shí)儲(chǔ)備不足，本設(shè)計(jì)仍存在一些缺陷：1） 實(shí)物制作較為粗糙，在某些細(xì)節(jié)處理上未能做到位，例如食物運(yùn)送盤(pán)的螺旋槳應(yīng)緊貼容器壁；2） 語(yǔ)音模塊的異常觸發(fā)，設(shè)計(jì)中應(yīng)使用上升沿形式觸發(fā)并發(fā)出語(yǔ)音。但在某些特殊情況下，當(dāng)控制端接了一根杜邦線(xiàn)而另一端懸空時(shí)，語(yǔ)音模塊也會(huì)被意外觸發(fā)；3） 設(shè)計(jì)初期考慮加入攝像頭模塊以觀看寵物，但由于知識(shí)體系的不足，最終只能選擇舍棄該模塊。本設(shè)計(jì)在細(xì)節(jié)上仍有很大的改進(jìn)空間，未來(lái)在參加工作后，豐富知識(shí)儲(chǔ)備后將回過(guò)頭來(lái)完善本次設(shè)計(jì)，努力將其推向市場(chǎng)。通過(guò)此次設(shè)計(jì)深入了解物聯(lián)網(wǎng)，使人們領(lǐng)略到物聯(lián)網(wǎng)在生活中的強(qiáng)大之處，科技的進(jìn)步引領(lǐng)人們過(guò)上更加舒適的生活。相信在不久的將來(lái)，所有人都能享受到物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的便利，所有的小寵物都會(huì)擁有更精良的投食器。

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