基于TOF模組的智能貓盆貓砂余量精準(zhǔn)檢測設(shè)計

摘 要：本文聚焦于智能貓砂盆貓砂余量測量的關(guān)鍵問題，引入時間飛行法（TOF）模組來優(yōu)化測量方案。深入剖析了TOF模組的運作原理及其特性，并結(jié)合智能貓砂盆的實際應(yīng)用場景，設(shè)計了一種高效且精準(zhǔn)的貓砂余量測量方法。試驗結(jié)果顯示，該方法不僅具有極高的測量精度，而且誤差率低、穩(wěn)定性強(qiáng)。該方案為傳統(tǒng)貓砂余量檢測方法的不足提供了有效解決途徑，對提升智能貓砂盆的用戶體驗和智能化水平具有重要意義。

關(guān)鍵詞：TOF模組；智能貓砂盆；貓砂余量測量；精準(zhǔn)檢測；傳感器技術(shù)；智能化

中圖分類號：TP 18" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著寵物貓廣泛流行，越來越多的人開始享受養(yǎng)貓的樂趣。然而，隨著養(yǎng)貓人數(shù)增加，貓的護(hù)理問題也變得越來越突出，特別是在貓的排泄習(xí)慣方面。貓的自然習(xí)性決定了它們對排泄有特定要求，如果糞便不及時、有效地清理，它們可能會不愿意繼續(xù)使用同一個貓砂盆，甚至可能尋找其他排泄的地方。此外，貓糞的強(qiáng)烈氣味也給寵物主人帶來了不小的挑戰(zhàn)，特別是在保持家中清潔和無異味方面。為了解決這些迫切問題，人們亟需一種先進(jìn)、智能的自動貓砂盆系統(tǒng)。這個系統(tǒng)不僅需要能迅速、高效地清理貓的糞便，還需要具備監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制功能，為寵物主人提供便利和安心。此外，這個系統(tǒng)還需要能自動檢測貓砂的級別，使寵物主人能夠確定何時需要更換貓砂，并深入了解貓的排泄習(xí)慣。鑒于目前貓砂盆的局限性，本文設(shè)計了一個集實時監(jiān)控、智能提醒、數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化于一體的智能貓砂盆和貓砂余量檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用先進(jìn)技術(shù)，旨在為寵物主人提供一個全面解決排泄問題的方案，使他們在養(yǎng)貓的過程中更輕松，同時確保貓的舒適和衛(wèi)生。

1 TOF模組的工作原理與技術(shù)特點

時間飛行法（TOF）模組是一種先進(jìn)的測距傳感器，其工作原理是基于光信號的往返時間來計算距離。具體來說，TOF模組通過發(fā)射器發(fā)射調(diào)制光信號，經(jīng)物體反射后由接收器接收。通過測量光信號的往返時間并結(jié)合光速恒定原理，可以計算出目標(biāo)物體與模組間的距離[1]。與傳統(tǒng)的測距方法相比，TOF模組具有精度高、測量范圍大和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。

2 TOF模組在智能貓砂盆貓砂余量測量中的設(shè)計

2.1 智能貓砂盆整體系統(tǒng)圖

貓砂盆整體系統(tǒng)框圖如圖1所示，TOF檢測電路在整個智能貓砂盆系統(tǒng)中具有重要的作用，它和MCU主板通過總線連接，將檢測到的貓砂余量等信息實時傳輸給MCU主板。MCU主板收到相關(guān)信息后，判斷貓砂是否低于標(biāo)準(zhǔn)閾值，如果是就驅(qū)動加沙檢測傳動單元動作，從而為砂倉內(nèi)自動補(bǔ)充貓砂，同時將砂倉余糧的信息和已自動加沙的信息通過聯(lián)網(wǎng)模組通知用戶，以方便用戶準(zhǔn)確知道貓砂盆運行狀態(tài)。

2.2 TOF器件選型和安裝位置設(shè)計

在硬件選型方面，需要選擇具有合適測量范圍和精度的TOF模組。測量范圍應(yīng)足夠覆蓋貓砂的高度變化，精度決定了余量測量的準(zhǔn)確度。此外，考慮智能貓砂盆的尺寸和結(jié)構(gòu)，TOF模組的尺寸應(yīng)盡可能小，以便于安裝和固定。

對于安裝位置的設(shè)計，需要全面、細(xì)致地考慮以下因素，以確保TOF模組能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地測量貓砂余量，同時便于日常維護(hù)和清潔。

首先，對于貓砂的流動特性，需要深入了解貓砂的堆積密度、顆粒大小以及在使用過程中可能出現(xiàn)的流動模式。貓砂堆積時可能會形成不同的坡度，而被挖出時，其流動方向和速度也會有所變化。因此，TOF模組的安裝位置應(yīng)在貓砂堆積相對穩(wěn)定、流動特性較一致的區(qū)域，例如貓砂盆的一側(cè)或中心位置。這樣，無論貓砂處于何種狀態(tài)，TOF模組都能捕捉到準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。

其次，對于TOF模組的視角和盲區(qū)問題，需要根據(jù)貓砂盆的具體尺寸和形狀來設(shè)計安裝位置[2]。TOF模組的視角范圍通常有限且存在一定的盲區(qū)[3]，為了避免盲區(qū)對測量造成影響，可以將TOF模組安裝在貓砂盆的上方，以垂直向下的視角進(jìn)行測量。同時，調(diào)整TOF模組的安裝高度和角度，確保其視角能夠完全覆蓋貓砂盆內(nèi)的貓砂區(qū)域，從而避免盲區(qū)問題的出現(xiàn)。

最后，考慮貓砂盆的維護(hù)和清潔需求，TOF模組的安裝位置應(yīng)便于操作。可以將TOF模組安裝在貓砂盆的邊緣或外部支架上，日常清理和更換貓砂時就可以輕松地移除或調(diào)整TOF模組位置，避免對其造成不必要的干擾或損壞。此外，為了確保TOF模組的穩(wěn)定性和耐用性，還可以選擇使用防水、防塵材質(zhì)進(jìn)行包裝和保護(hù)。

綜上所述，考慮結(jié)合智能貓砂盆實際運行工況，TOF傳感器選用光微電子的N01傳感器。它是一款超小尺寸的TOF傳感器，內(nèi)部集成了高精度的單點TOF芯片、符合人眼安全class1的VCSEL微型激光器、先進(jìn)的微型透鏡和控制運算單元。特點是測量范圍廣、測距精度高、抗陽光干擾、抗蓋板臟污干擾且室內(nèi)外均可使用。其測試距離為2cm～100cm，滿足貓砂余量為空貓砂時距離TOF傳感器40cm、滿貓砂時距離傳感器60cm的范圍，同時N01測量精度的測量精度為2mm，滿足精準(zhǔn)測量余量高精度的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 硬件方案的設(shè)計

硬件原理框圖如圖2所示，TOF檢測電路的設(shè)計主要由5V電源輸入端口、LDO降壓穩(wěn)壓電路、MCU單片機(jī)、輸出串口以及TOF傳感器構(gòu)成。具體描述如下所示。1）5V電源輸入端口。5V電源輸入端口是TOF檢測電路的能量來源，用于接收主板提供的穩(wěn)定5V供電電壓。該設(shè)計確保了電路的穩(wěn)定性和可靠性，能為整個系統(tǒng)提供持續(xù)、穩(wěn)定的電力支持。2）LDO降壓穩(wěn)壓電路。LDO降壓穩(wěn)壓電路采用了微盟電子的ME6221CM5G芯片，其主要作用是將輸入的5V電源電壓有效降壓并穩(wěn)壓至3.3V。該設(shè)計不僅滿足了單片機(jī)和TOF傳感器對電源電壓的特定需求，同時也確保了電源的穩(wěn)定性和可靠性，避免了電壓波動對電路性能造成的不利影響。3）MCU單片機(jī)。MCU單片機(jī)采用了STM32F030F4型號，是一款具有20腳的微型控制器，用于控制和處理TOF模組采集的數(shù)據(jù)，是整個電路的核心處理單元。此外，MCU單片機(jī)還需要與主板進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果準(zhǔn)確傳遞給主板，以實現(xiàn)信息的有效交互。4）輸出串口。輸出串口是MCU單片機(jī)與主板間信息交流的橋梁，可確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸，使TOF檢測電路能夠?qū)⑻幚斫Y(jié)果實時反饋給主板，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的協(xié)同工作。5）TOF傳感器。TOF傳感器采用了光微科技的N01型號，用于采集目標(biāo)物體的距離信息。通過精確測量和數(shù)據(jù)處理，TOF傳感器為整個系統(tǒng)提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

綜上所述，TOF檢測電路的設(shè)計充分考慮了各個部分的特性和需求，通過電路設(shè)計和元件的合理選擇，確保了電路的穩(wěn)定性和可靠性。但在細(xì)節(jié)設(shè)計和具體實現(xiàn)過程方面，還需要進(jìn)一步深入研究和優(yōu)化，以提高電路的性能和效率。

該設(shè)計中包括電源、濾波、穩(wěn)壓、單片機(jī)控制和傳感器讀取等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的布局和連接。這些局部設(shè)計的詳細(xì)說明如下所示。

第一，電源輸入與濾波。電源輸入和濾波電路如圖3所示，5V電源通過端子P1接入，這是整個電路的能量來源。為了確保電源的穩(wěn)定性，本文采用C1和C2共2個濾波電容，其主要作用是濾除電源中的高頻噪聲和雜波，為后續(xù)電路提供一個更純凈的電源環(huán)境。該設(shè)計對保護(hù)電路中的敏感元件，尤其是單片機(jī)和傳感器至關(guān)重要。

第二，DC穩(wěn)壓電路設(shè)計。如圖3所示，經(jīng)過濾波后的5V電源進(jìn)入DC穩(wěn)壓芯片U2型號為ME6221CM5G，此芯片的主要功能是將輸入的電壓通過電阻R12、R13和電容C3、C4穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換為3.3V并輸出。這種設(shè)計不僅滿足了單片機(jī)和傳感器對特定電壓的需求，同時也確保了輸出電壓的穩(wěn)定性和可靠性。ME6221CM5G芯片具有出色的穩(wěn)壓性能和溫度穩(wěn)定性，能夠在各種環(huán)境下為電路提供穩(wěn)定的電源。

第三，單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計。STM32F030F4單片機(jī)最小系統(tǒng)

STM32F030F4單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖4所示。單片機(jī)U6（STM32F030F4）采用了最小系統(tǒng)設(shè)計[3]，表明本文只使用了單片機(jī)所必需的基本元件，如外部晶振X1、復(fù)位電路電阻R17和電容C8，其中單片機(jī)PA4口直接串聯(lián)電阻R21和LED4指示燈，PA13和PA14引腳直接與端子P2連接，作為燒錄口，PA2、PA3口直接連接端子P3，作為和主板通信的串口電路。這種設(shè)計有助于降低電路的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時，外部晶振電路為單片機(jī)提供了精確的時鐘信號，確保單片機(jī)能夠正常工作。

第四，TOF傳感器的通信設(shè)計。TOF傳感器電路如圖5所示，其中U1為TOF傳感器芯片型號為N01，芯片的XSHUT中斷引腳直接與對應(yīng)的U6單片機(jī)XSHUT引腳相連。GPIO引腳直接與對應(yīng)的單片機(jī)GPIO網(wǎng)絡(luò)引腳相連。芯片的I2C接口I2C_SCL、I2C_SDA通過電阻R16、R18上拉后，直接與對應(yīng)的單片機(jī)I2C_SCL、I2C_SDA引腳相連。I2C接口是一種雙向串行通信協(xié)議，允許單片機(jī)與傳感器間進(jìn)行數(shù)據(jù)高效傳輸和控制。通過這種連接方式，單片機(jī)可以讀取傳感器U1測量的距離信息，并對其進(jìn)行處理。單片機(jī)處理完U1傳感器的數(shù)據(jù)后，需要將其通過串口傳給上位機(jī)主板。串口通信是一種廣泛應(yīng)用的通信方式，具有傳輸速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。本設(shè)計采用了標(biāo)準(zhǔn)的串口通信協(xié)議，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

在實際制作和調(diào)試過程中，還需要注意元件的選型、布局和焊接等細(xì)節(jié)問題，以確保電路的性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

2.4 軟件方案的設(shè)計

在編程實現(xiàn)上，本文采用C語言作為編程語言，并將keil軟件作為編程軟件。keil軟件具有強(qiáng)大的功能和易用性，能夠滿足本文對TOF檢測電路軟件的需求。編譯后的hex文件通過JFLASH軟件、J-LINK仿真器或USB離線下載器燒錄進(jìn)STM32F030單片機(jī)中[4]，從而實現(xiàn)軟件固化。

TOF檢測電路的軟件部分是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵之一，主要由系統(tǒng)初始化程序、串口接收中斷程序、標(biāo)定程序、測量數(shù)據(jù)處理程序以及校準(zhǔn)程序等多個模塊組成。每個模塊都具有相應(yīng)作用，共同確保TOF檢測電路穩(wěn)定運行和精確測量。

TOF模組程序主流程圖如圖6所示。系統(tǒng)初始化程序是軟件啟動時的首要任務(wù)，用于配置單片機(jī)的各種寄存器、初始化串口通信參數(shù)以及設(shè)置其他必要的外圍設(shè)備。這一過程至關(guān)重要，為后續(xù)的程序運行奠定了堅實基礎(chǔ)。

標(biāo)定程序是確保測量精度的關(guān)鍵步驟。通過測量標(biāo)準(zhǔn)物體，得出系統(tǒng)的誤差范圍并進(jìn)行補(bǔ)償。這一過程需要精確控制和計算，以確保標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

測量數(shù)據(jù)處理程序是對接收的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取出有用的信息。這一過程包括濾波、平滑和擬合等操作，以消除噪聲和干擾，提高測量結(jié)果的可靠性。

校準(zhǔn)程序用于定期對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保其長期的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。通過與實際測量結(jié)果進(jìn)行比較，程序可以自動調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，使其始終保持在最佳狀態(tài)。

2.5 測量數(shù)據(jù)處理

需要對TOF模組獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以提取出準(zhǔn)確的貓砂高度信息，并根據(jù)高度信息得到貓砂的余量。檢測貓砂余量測量示意圖如圖7所示，該過程涉及關(guān)鍵環(huán)節(jié)如下。

2.5.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理時，本文對TOF模組獲取的原始距離數(shù)據(jù)進(jìn)行了多次測量，以確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。具體步驟如下所示。1）多次測量。為了獲得更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，本文對同一目標(biāo)進(jìn)行了多次測量。例如，設(shè)定每次測量間隔為1s，共進(jìn)行30次測量，以獲取一個包括30個數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)集。這樣做的好處是可以減少單次測量帶來的偶然誤差。2）濾除最大值和最小值。獲得多次測量的數(shù)據(jù)集后，本文觀察到數(shù)據(jù)中可能存在一些異常值，這些異常值可能是由環(huán)境噪聲、設(shè)備干擾或其他不可預(yù)知的因素導(dǎo)致的。為了消除這些異常值的影響，本文采用濾除最大值和最小值的方法。即去除數(shù)據(jù)集中的最大和最小數(shù)據(jù)點，只保留剩余的中間值。這樣做可有效降低噪聲和干擾對數(shù)據(jù)的影響。3）求平均值。濾除最大值和最小值后，可得一組更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，本文采用求平均值的方法來處理這組數(shù)據(jù)。通過將剩余數(shù)據(jù)點的值相加并除以數(shù)據(jù)點的數(shù)量，可以得到一個平均值，并將其作為最終處理結(jié)果。平均值可有效消除數(shù)據(jù)中的隨機(jī)誤差和波動，提高信號測量質(zhì)量。

2.5.2 高度數(shù)據(jù)提取

2.5.2.1 傳感器位置空倉距離L0

將距離傳感器設(shè)置在球形倉底部最低點的正上方，使距離傳感器發(fā)射的光線垂直射入球形倉底部的最低點，這樣的設(shè)置可使該距離傳感器測得的距離即為垂直距離，方便后期的公式計算，節(jié)省時間，無須再進(jìn)行垂直距離轉(zhuǎn)換，便于距離傳感器的安裝與固定。當(dāng)球形倉為空倉時，即當(dāng)盛放貓砂的球形倉為空，不盛放任何貓砂時，在球形倉的上方利用距離傳感器測得球形倉底部最低點的距離。

2.5.2.2 獲取初始貓砂的距離L1

根據(jù)球形倉的規(guī)格，在球形倉內(nèi)放置相應(yīng)量的初始貓砂，并將其鋪平。鋪平的初始貓砂形成一個初始平面，而TOF傳感器即檢測這個平面內(nèi)的初始貓砂到距離傳感器的距離，通過讀取測量值得出球形倉中初始貓砂的距離。

2.5.2.3 獲取剩余貓砂的距離L2

隨著貓砂不斷減少，剩余貓砂在球形倉內(nèi)呈鋪平狀態(tài)，形成一個剩余平面。無論是初始貓砂還是剩余貓砂，鋪平狀態(tài)可以通過人工實現(xiàn)，也可以通過貓砂盆鋪平實現(xiàn)。TOF傳感器檢測這個平面內(nèi)的剩余貓砂到距離傳感器的距離，得出球形倉中剩余貓砂的實時距離。

2.5.2.4 計算初始貓砂和剩余砂高度

初始平面與球形倉底部最低點間的距離H1=L0-L1；剩余貓砂即剩余平面與球形倉底部最低點間的距離H2=L0-L2。將H1與H2分別轉(zhuǎn)換為垂直距離h1和h2。由于本裝置中的距離傳感器設(shè)置在球形倉底部最低點的正上方，因此測得的距離均為垂直距離，即H1=h1，H2=h2。根據(jù)球缺體積公式分別計算初始貓砂的體積V1和剩余貓砂體積V2。

初始貓砂體積V1如公式（1）所示。

（1）

式中：L0為空倉距離；L1為初始貓砂的距離；R為球形倉半徑。

剩余貓砂體積V2如公式（2）所示。

（2）

式中：L2為剩余貓砂的距離。

由于初始貓砂和剩余貓砂在球形倉內(nèi)呈鋪平狀態(tài)，具有初始平面和剩余平面，而球形倉為一個球體，因此可以運用球缺體積公式求取初始貓砂的體積和剩余貓砂的體積。根據(jù)上述初始貓砂體積和剩余貓砂體積，可得剩余貓砂所占百分比V3為V3=·100%。

2.5.3 可擴(kuò)展性與可配置性

為了進(jìn)一步保證測量的精度，將距離傳感器與初始貓砂所在平面間的距離為10cm～100cm。由于測量球形倉時固定了距離傳感器的位置，因此可在球形倉沒有裝貓砂時做一個初始貓砂的標(biāo)記，只需要將初始貓砂加到該標(biāo)記處即可。對距離傳感器與初始貓砂所在平面間的距離做進(jìn)一步限定，避免兩者間距離過小，導(dǎo)致距離傳感器無法檢測，二者間距離過大，距離傳感器容易受到干擾，進(jìn)一步保證測量結(jié)果的精準(zhǔn)度。

為了在保證測量精度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)大距離傳感器的安裝范圍，本設(shè)備中所射光線與豎直線間的夾角低于35°，角度過大或過小均會影響測量結(jié)果。角度過大會增加安裝成本，同時影響測量精度。將距離傳感器與豎直線間呈35°設(shè)置，因此h1=H1·cos35°，h2=H2·cos35°，同時初始貓砂體積如公式（3）所示。

（3）

剩余貓砂體積如公式（4）所示。

（4）

2.6 試驗驗證

為了全面評估基于TOF模組的智能貓砂盆性能，本文設(shè)計了一系列試驗。

首先，試驗場景設(shè)置。為了模擬真實環(huán)境，本文設(shè)置了不同的貓砂余量狀態(tài)（10%～100%）和多種環(huán)境條件（如室內(nèi)光線變化、貓砂盆位置變化等）。

其次，精度與誤差分析。比較TOF模組測量結(jié)果與實際值，所得數(shù)據(jù)見表1。

通過誤差分析可發(fā)現(xiàn)測量誤差在±0.1cm以內(nèi)，滿足大多數(shù)用戶的需求。

最后，穩(wěn)定性測試。本文收集了30位用戶的使用反饋測試，數(shù)據(jù)見表2。在多種環(huán)境條件下，TOF模組的測量結(jié)果穩(wěn)定、波動小，但也有部分用戶在某些特定環(huán)境下（如夜晚光線較暗時）的測量效果略有下降。

測量與實際高度的對比、誤差范圍如圖7、圖8所示，通過比較30位用戶使用過程中貓砂余量實際高度和測量高度，可知測量結(jié)果基本一致，誤差低于0.1cm，符合設(shè)計要求，測量結(jié)果穩(wěn)定。

3 試驗結(jié)果與分析

經(jīng)過測試驗證，基于TOF模組的智能貓砂盆在貓砂余量測量方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能。試驗結(jié)果表明，該方案具有高精度、低誤差和穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點，能夠滿足實際應(yīng)用的需求。與傳統(tǒng)檢測方法相比，基于TOF模組的智能貓砂盆能夠提供更精準(zhǔn)、可靠的貓砂余量檢測服務(wù)。

4 結(jié)語

本文重點探討了TOF模組在智能貓砂盆貓砂余量測量中的設(shè)計和應(yīng)用。通過深入分析TOF模組的原理和特點，并結(jié)合智能貓砂盆的實際需求，本文提出了一種高效、精準(zhǔn)的貓砂余量測量方案。試驗結(jié)果表明，該方案具有高精度、低誤差和穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點，為解決傳統(tǒng)貓砂余量檢測方法的問題提供了有效途徑。未來將繼續(xù)優(yōu)化和完善基于TOF模組的智能貓砂盆設(shè)計，提高其自動化程度和用戶體驗，同時也將關(guān)注該技術(shù)在其他智能家居設(shè)備中的應(yīng)用前景，以期拓展其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]張濤.TOF傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2021.

[2]劉陽.3DTOF傳感器技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2022.

[3]陳忠平.STM32F030微控制器原理與實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2020.

[4]劉軍.STM32F030單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2022.