基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型智能寵物屋設(shè)計與研究

摘 要：隨著人們生活水平的提高，寵物作為家庭的一員，其生活質(zhì)量越來越受到重視。為了改善寵物居住環(huán)境，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)了一款智能寵物屋。智能寵物屋以STM32F103C8T6單片機控制器為核心，通過傳感器各模塊實現(xiàn)溫度、濕度、有害氣體體積分數(shù)等環(huán)境參數(shù)的檢測；同時實現(xiàn)APP和小屋之間的數(shù)據(jù)傳輸和交互。通過阿里云建立穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)了云養(yǎng)寵的新模式，利用云平臺的數(shù)據(jù)存儲和分享功能，寵物主人可以與其他養(yǎng)寵人士進行交流和學(xué)習(xí)。寵物主人還能隨時隨地通過攝像頭觀察小屋內(nèi)情況并控制各項功能，如智能投喂、實時監(jiān)控寵物狀態(tài)、紫外線消毒等，從而為寵物提供一個舒適、健康的居住環(huán)境。

關(guān)鍵詞：智能寵物屋；STM32；紫外燈；物聯(lián)網(wǎng)；溫濕度傳感器；APP；云平臺

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-00-04

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們收入水平顯著提高，消費等級也逐漸上升。在追求高品質(zhì)生活體驗的過程中，養(yǎng)寵物成為一種潮流，這為智能寵物屋等高端寵物用品提供了市場。智能寵物屋能更好地協(xié)助主人照顧寵物，減輕主人負擔(dān)，滿足寵物主人對便捷、高效生活的追求。文獻[1]提出了一種新型智能寵物家居的研究與設(shè)計方案。該家居系統(tǒng)通過ESP8266芯片連接WiFi，溫濕度傳感器將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫供用戶使用。借助數(shù)據(jù)可視化，用戶可通過手機端查看數(shù)據(jù)，若溫濕度不在設(shè)定區(qū)間，系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié)。該產(chǎn)品的創(chuàng)新之處在于借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成各功能模塊于一體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，有助于科學(xué)照顧寵物。本文在此基礎(chǔ)上基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一款智能寵物屋。該智能寵物屋通過各傳感器模塊采集溫濕度、水和食物的質(zhì)量等數(shù)據(jù)，寵物主人通過APP可以控制寵物排泄物收集、智能調(diào)溫、智能殺菌、智能監(jiān)控、智能交互等功能，實現(xiàn)云養(yǎng)寵的新模式。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能寵物屋的系統(tǒng)總體設(shè)計分為兩個部分：實體硬件設(shè)計與軟件設(shè)計。硬件部分由STM32、傳感器模塊、執(zhí)行器模塊構(gòu)成。軟件部分包括云平臺和APP兩部分。云平臺部分：STM32通過通信模塊連接云平臺。APP部分：用戶通過APP與云平臺進行通信，最終實現(xiàn)通過APP接收數(shù)據(jù)和下發(fā)指令到單片機。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

2 功能設(shè)計

2.1 溫濕度檢測與調(diào)控

DHT11溫濕度傳感器集成度高，能夠同時測量當(dāng)前環(huán)境的溫度與濕度。與分別采用溫度和濕度傳感器采集信息的傳感器節(jié)點相比，其電路硬件接口設(shè)計更為簡單，只需采用單線制接口就能與控制器相連[2]。該產(chǎn)品的溫濕度檢測依靠DHT11采集溫濕度數(shù)據(jù)，溫度調(diào)控則通過排氣扇實現(xiàn)，用戶可通過APP向單片機下發(fā)指令以控制風(fēng)扇開關(guān)。

2.2 飼料與飲用水投喂

ULN2003內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。ULN2003具有7對達林頓管，并且每對達林頓管都有一個2.7 kΩ的串聯(lián)電阻，在5 V的工作電壓下，它能夠與TTL和CMOS電路相互連接，可直接進行原本需要標準邏輯緩沖器的數(shù)據(jù)處理[3]。其輸入端直接連接單片機引腳，通過電平控制，輸出端接步進電機，輸入5 V電平，輸出最高可達500 mA/50 V，進而實現(xiàn)對步進電機的控制。

28BYJ-48是一種使用方便、性能（耐壓方面）優(yōu)越的步進電機。該步進電機工作電壓高、電流大，自帶齒輪減速器，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲低[4]。用戶可通過APP向單片機下發(fā)指令，單片機控制ULN2003驅(qū)動板驅(qū)動28BYJ-48步進電機旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)對飼料和水的投喂控制。

2.3 消毒與排泄物收集

紫外燈是一種能發(fā)射紫外線（波長范圍在10～400 nm，為可見紫色光以外的一段電磁輻射）的裝置。保持清潔對寵物的健康至關(guān)重要，而紫外燈具有強大的殺菌消毒能力且耗能少，所以可采用紫外燈作為殺菌消毒模塊，用戶能夠通過APP控制紫外燈對寵物屋進行消毒殺菌。SG90是一款微型舵機，它尺寸小巧、重量輕、功耗低，精度較高、角度范圍可調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速適中，但扭矩和輸出能力相對較低，適用于精密控制和輕載應(yīng)用。利用SG90舵機的旋轉(zhuǎn)來完成排泄物的收集，能夠保持寵物屋干凈衛(wèi)生，從而預(yù)防寵物生病。

OV2640是OmniVision Technologies公司設(shè)計的一款高性能圖像處理傳感器。它的像素為200萬，采用CMOS技術(shù)，并且支持自動白平衡、自動曝光等控制功能。OV2640具備高性能、低功耗以及優(yōu)秀的圖像處理能力等優(yōu)點，所以被廣泛應(yīng)用于智能家居、醫(yī)療設(shè)備、無人機等領(lǐng)域。

用戶能夠通過APP控制舵機旋轉(zhuǎn)逗貓棒來逗貓，從而拉近與寵物的距離，實現(xiàn)遠程互動功能。還可以通過ESP32CAM攝像頭在APP上實時監(jiān)控寵物屋內(nèi)的情況。攝像頭和逗貓棒搭配使用，達成與寵物的遠程交互。

3 硬件設(shè)計

3.1 ESP32CAM最小系統(tǒng)

由于STM32F103C8T6的軟硬件資源存在限制，該產(chǎn)品的視頻采集功能由OV2640和ESP32CAM共同完成。其中，ESP32CAM與OV2640能夠相互配合，具備圖像傳輸與處理能力。ESP32可通過SPI或I2C接口與OV2640通信，獲取OV2640所捕獲的圖像數(shù)據(jù)，并且ESP32能夠?qū)@些圖像數(shù)據(jù)進行一系列處理，如壓縮、編碼、濾波等操作，以此提高圖像質(zhì)量和傳輸效率[5-7]。

3.2 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)

該產(chǎn)品采用72 MHz主頻，此主頻是通過外部8 MHz晶振倍頻得到的。STM32F103C8T6與用于檢測溫濕度、光照強度的傳感器、舵機、風(fēng)扇等執(zhí)行器以及ESP8266-01S WiFi通信模塊相連接，電路設(shè)計如圖3所示。由于單片機的驅(qū)動能力有限，喂食電機、水泵、風(fēng)扇通過ULN2003D1013TR中轉(zhuǎn)來增強驅(qū)動能力。STM32F103C8T6對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理，匯總之后通過ESP8266-01S將數(shù)據(jù)發(fā)送至阿里云平臺；同時，用戶操作命令也經(jīng)由ESP8266-01S發(fā)送至STM32F103C8T6，從而驅(qū)動執(zhí)行器完成相關(guān)操作。

3.3 電源電路設(shè)計

電源模塊由5 V與3.3 V電壓驅(qū)動，其中包含電機等大電流元件。LM2596是一款常用的DC/DC降壓芯片，因此本模塊采用LM2596作為5 V電源。LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器屬于降壓型電源管理單片集成電路，可輸出最大3 A的驅(qū)動電流，且具備良好的線性和負載調(diào)節(jié)特性[8]。

STM32F103C8T6主控等其他模塊需要穩(wěn)定的3.3 V電源供應(yīng)，所以使用AMS1117將LM2596產(chǎn)生的5 V電壓降為3.3 V。在電路中，AMS1117與LM2596的輸入與輸出端均并聯(lián)電容，以此減少電源噪聲。電源電路設(shè)計圖如圖4所示。

3.4 大功率元件電路設(shè)計

該產(chǎn)品為實現(xiàn)喂水、喂食和通風(fēng)功能，選用了多個馬達元件。由于所有功能同時啟動會產(chǎn)生較大功耗，而STM32F103C8T6的I/O口無法直接驅(qū)動馬達元件，所以選用ULN2003作為驅(qū)動。ULN2003的輸入端直接接單片機的引腳，通過電平控制；輸出端接步進電機。具體連接方式為：使用STM32F103C8T6單片機4個I/O口連接至ULN2003的1～4引腳；喂食器的28BYJ48型步進電機驅(qū)動線連接至ULN2003的13～16引腳，電源線連接至5 V電壓。通風(fēng)功能使用的風(fēng)扇GND引腳連接至ULN2003的17引腳；喂水功能使用的馬達GND引腳連接至ULN2003的18引腳；ULN2003的5～6引腳連接至STM32F103C8T6。當(dāng)STM32F103C8T6的對應(yīng)引腳置低電平時，水泵或風(fēng)扇會啟動，從而完成換氣功能和加水功能的執(zhí)行。

4 軟件設(shè)計

4.1 嵌入式軟件開發(fā)

系統(tǒng)上電后，各模塊進行初始化操作。單片機通過串口向ESP8266-01S發(fā)送AT命令，之后等待ESP8266-01S返回“OK”；在此期間，OLED屏顯示“Linking...”。隨后，系統(tǒng)等待ESP8266-01S連接阿里云平臺：若連接成功，OLED屏?xí)@示一秒智能寵物小屋，然后進入數(shù)據(jù)顯示界面；若連接失敗，則OLED屏顯示“publish failed”。連接成功后，傳感器采集數(shù)據(jù)并傳輸給單片機，單片機將數(shù)據(jù)上傳至阿里云平臺，阿里云平臺再把數(shù)據(jù)傳給用戶APP，這樣用戶就能在APP上觀察到溫濕度、氣體體積分數(shù)、水和食物重量數(shù)據(jù)的變化。另外，用戶可通過APP上傳命令到阿里云平臺，阿里云平臺會下發(fā)指令到單片機，單片機控制執(zhí)行器，例如風(fēng)扇、水泵等。系統(tǒng)運行流程如圖5所示。

4.2 APP開發(fā)

APP使用的是阿里云飛燕平臺提供的云智能APP，在此平臺可以設(shè)計APP的頁面、顏色以及關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品。APP顯示溫濕度、食物和水的重量、氣體體積分數(shù)數(shù)據(jù)以及各執(zhí)行器的狀態(tài)。用戶可使用APP與單片機通信，從而控制喂養(yǎng)裝置和排泄物清理裝置，在APP上可隨時觀察寵物的活動狀態(tài)。為了可以實時監(jiān)控寵物的活動狀態(tài)，該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，由ESP8266與云平臺通信，并將硬件系統(tǒng)各層的協(xié)議和接口相互結(jié)合。硬件系統(tǒng)通過WiFi連接模式創(chuàng)建數(shù)據(jù)熱點，通過APP連接硬件，實現(xiàn)終端控制，并顯示寵物的狀態(tài)及寵物屋的相關(guān)數(shù)據(jù)信息[9]。APP界面如圖6所示。

4.3 云平臺開發(fā)

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺功能強大，旨在助力企業(yè)融合設(shè)備數(shù)據(jù)與應(yīng)用數(shù)據(jù)，推動設(shè)備智能化升級。該平臺擁有諸多能力，如設(shè)備管理、數(shù)據(jù)安全通信、消息訂閱和數(shù)據(jù)服務(wù)等。它支持海量設(shè)備連接，具備高性能、高可靠、高安全的優(yōu)勢。平臺提供豐富的設(shè)備端SDK驅(qū)動和軟件包，方便不同設(shè)備、網(wǎng)關(guān)輕松接入。其設(shè)備端SDK支持MQTT、CoAP、HTTP/HTTPS等多種協(xié)議。此外，平臺還具備完整的設(shè)備生命周期管理功能，涵蓋設(shè)備注冊、功能定義、數(shù)據(jù)解析、在線調(diào)試、遠程配置、固件升級、遠程維護、實時監(jiān)控、分組管理、設(shè)備刪除等功能[10]。

云平臺采用的是阿里云平臺。它具有多種功能：一方面，可接收單片機上傳的數(shù)據(jù)或向單片機下發(fā)指令；另一方面，能夠下發(fā)數(shù)據(jù)或接收APP發(fā)出的命令，相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，起到“橋梁”的作用。阿里云平臺利用MQTT協(xié)議接入阿里云。MQTT是基于TCP/IP協(xié)議棧構(gòu)建的異步通信消息協(xié)議，屬于一種輕量級的發(fā)布、訂閱信息傳輸協(xié)議[11]。具體而言，單片機通過WiFi通信模塊連接阿里云，將寵物屋內(nèi)的各種數(shù)據(jù)（如溫濕度、光照強度、食物和水的質(zhì)量等）實時上傳至阿里云平臺。阿里云平臺會對這些數(shù)據(jù)進行存儲和分析。之后，平臺再將相關(guān)指令下發(fā)到單片機，單片機依據(jù)接收到的指令控制執(zhí)行器開展相應(yīng)操作，例如調(diào)節(jié)LED燈的亮度、控制舵機開關(guān)門窗、啟動水泵為寵物供水等。

5 系統(tǒng)測試

測試結(jié)果顯示，智能寵物屋可精確獲取寵物屋內(nèi)溫濕度、水和食物質(zhì)量等信息。用戶能通過APP知曉寵物屋的數(shù)據(jù)信息，還能查看寵物屋內(nèi)執(zhí)行器是否啟動。經(jīng)測試與檢驗，寵物屋數(shù)值準確。智能寵物屋實物與測試效果圖如圖7所示。

6 結(jié) 語

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能家居興起的大背景下，本文針對寵物主人在養(yǎng)寵過程中遇到的難題，并結(jié)合寵物的現(xiàn)實生活特征習(xí)性，設(shè)計了一款智能寵物屋。該寵物屋能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度檢測、有害氣體檢測、智能投喂、智能清理排泄物、智能控溫、智能遠程逗貓、紫外線消毒等功能，旨在打造一個讓寵物主人放心、滿意的產(chǎn)品，為每一位寵物提供最好的關(guān)懷與照顧。

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收稿日期：2024-05-01 修回日期：2024-06-04

作者簡介：盧科宇（2003—），男，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)工程。

黃天翔（2003—），男，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)工程。

李惜源（2003—），男，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)工程。

駱 怡（2004—），女，研究方向為數(shù)據(jù)科學(xué)與大數(shù)據(jù)技術(shù)。

朱敏如（2003—），女，研究方向為工商管理。