基于微信小程序的寵物自動喂食系統

蒲小年 戚慧珊 李智豪 陳澤業 梁廣彬 唐小煜

摘 要：文中設計了一款以STM32F103XE嵌入式系統為核心，將ESP-WROOM-02無線網絡模塊作為網絡接入端，帶減速齒輪的直流電機及雙門單開結構的料斗為機械驅動結構，以微信小程序為遠程控制端的智能家居系統，由此實現對家中寵物按計劃定時定量自動投喂、取食反饋等功能。基于μC/OS-II和STemWin搭建本地控制界面，以便同時實現網絡遠程管理和本地設置計劃、覆蓋、緩存等功能。實物化后，經過長時間的聯網測試表明，該系統已具備較高的穩定性，初步具備了部署能力，可成功實現預期目標。

關鍵詞：物聯網；智能家居；微信小程序；自動控制；嵌入式系統

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-00-03

0 引 言

現代家庭常有飼養寵物的習慣，但寵物的喂養卻成了一大難題，一方面是飼養者通常需要在工作日外出上班導致無法及時喂食；另一方面，人工喂食的量不易控制，飼養者因為其他事情忘記投喂也時常發生。這些問題都極大地影響了人與動物的和諧相處，更增添了飼養者的煩惱。為解決以上問題，筆者基于STM32嵌入式核心設計并制作了一套聯網自動喂食系統，不同于以往的脫機自動喂食器，本系統通過接入互聯網，可有效將設置計劃-進行投喂-寵物取食-推送通知反饋形成閉環消息鏈路，實現對寵物喂食的自動化控制，將熱愛寵物卻忙于工作的“上班族”解救出來。

1 自動喂食系統的設計

1.1 整體框架

自動喂食系統結構如圖1所示。

1.2 控制部分

自動喂食系統的控制部分以STM32F103VET6大容量增強型芯片為核心。該型號的嵌入式核心為ARM Cortex-M3架構，具備512 kb FLASH，64 kb RAM，足以支撐STemWin圖形界面的運轉，十分適合移植μC/OS-II嵌入式實時系統。此外，該核心還含有4個用于控制TFT-LCD屏幕的FSMC接口以及80多個I/O口，能夠十分方便地操作市面上常見的TFT-LCD觸摸屏且不會造成I/O口緊張。系統會在上電后初始化網絡模塊和本地GUI模塊，從服務器獲取本設備的計劃任務，最后保存至本地，即使網絡斷開，喂食器也能從本地緩存中讀取計劃進行投喂。

1.3 通信部分

無線網絡通信芯片采用國產的ESP-WROOM-02模組，該模組由樂鑫公司生產。基于ESP8266EX芯片設計開發的物聯網模組集成有TCP/IP協議棧，32位低功耗單片機，10 bits ADC及UART，HSPI，I2C，I2S，PWM接口。此外，該模組的長和寬僅為18 mm及20 mm，易于集成到空間受限的產品當中。ESP-WROOM-02的低功耗模式性能優異，保持WiFi連接僅需1.2 mW，同時，該模組還配置了16 Mbits的SPI閃存，可用于存儲用戶程序和固件。

1.4 機械部分

對于定量出料的喂食器，其出料料斗必須具備精準控制出料量的能力，因此參考醫院的氣閘室，設計雙門結構料斗從一個大容器中取料，在保證兩個方向的門不會同時開啟后，即可實現緩沖及定量取料。

2 自動喂食系統的具體實現

2.1 自動喂食系統控制部分的軟件實現

系統上電后首先將操作系統及圖形化界面（GUI）初始化，若存在已經連接過的無線網絡則嘗試自動連接，否則等待用戶通過本地設置界面連接。聯網后將生成兩個進程，其中一個使用HTTP協議訪問指定的PHP頁面，通過GET方式獲取當前的網絡時間和計劃任務，在此之后將進入5 s一次的輪詢狀態以隨時感知計劃變更。另一任務則是判斷當前時間是否為投喂時間，如果是則按照設定的次數進行投喂。自動喂食系統控制部分流程如圖2所示。

STM32主控芯片與ESP8266EX模組（即ESP-WROOM-02）通過串口上的字符串指令——“AT”進行控制，當系統初始化完畢后，STM32將發送指令使無線網絡模塊進入透傳模式，此時等效于主控芯片直接與服務器通信，可快速傳遞數據，包括飼料余量、取食狀態等。自動喂食系統狀態流程如圖3所示。

2.2 自動喂食系統的電路實現

2.2.1 ESP-WROOM-02電路設計

自動喂食系統通信模塊電路如圖4所示。本電路將ESP-WROOM-02的多個I/O口引出，并將TXD/RXD串口與CH340G連接，實現在電腦等上位機中進行程序燒錄及協議分析。ASM1117為正向低壓降LDO穩壓電源，量產時間早，價格低廉，性能穩定，常用于輸出電流小于1 A的場景，本系統將其作為ESP-WROOM-02無線網絡模塊的電源。

2.2.2 喂食驅動電路設計

喂食驅動電路采用四IR2104芯片及IR7843場效應管搭建雙H橋進行驅動。IR2104是由美國International Rectifier公司生產的半橋驅動器，可通過控制輸入PWM信號的占空比來控制驅動輸出的電流大小，通過IN1，IN2的反轉控制電機的轉動方向。自動喂食系統驅動模塊電路如圖5所示，具體組合方式見表1所列。

2.3 自動喂食系統的機械實現

初始狀態時，由于儲糧容器中貓糧的重力作用，料斗處于水平狀態，并與瓶口緊貼，使得飼料不會外漏。預備存儲時的投喂料斗如圖6所示。

投料時，料斗后退，由于斜板的阻擋作用，料斗將順勢上移并開口向下，又因為料斗下方的開口并沒有阻擋，因此料斗內的飼料可順利下落。此時料斗結構的擋板同時后退，封閉儲糧瓶口，使得儲糧容器飼料不外漏。出料時投喂料斗示意圖如圖7所示。通過反復設計和調整，將每次滿載的料斗所能承載的重量設定為M克，這樣就可以得到投喂量Efeed、容器內飼料余量Eremain與電機運行次數C的關系：

使用以上兩式可以計算出本次投喂電機需要運行的次數及容器內的余量，在飼料余量不足時通知飼養者，同時用于程序計算以顯示余量。

2.4 自動喂食系統的遠程控制端

本系統的遠程控制端使用微信小程序實現。每套喂食器擁有唯一的PIN碼和對應SN碼，用戶注冊賬號后，輸入設備的SN和PIN碼，通過HASH計算無誤后成功綁定該設備，此后該設備的所有操作及狀態都會與綁定的微信號關聯，包括投喂、取食、余量不足等信息都會推送至綁定的用戶微信，讓飼養者隨時掌握自動喂食系統的狀態。每個用戶可以綁定多套設備，分別設置不同的計劃，方便使用不同食盆的寵物按照自己的習慣進食。喂食系統的遠程控制端界面如圖8所示。

2.5 自動喂食系統的實物測試

根據上述設計方法，我們制作了如圖9所示的實物。其中上部為飼料容器，左中部為LCD屏幕及開發板，右中部為出料斜坡，左下方為ESP-WROOM2-02無線網絡模塊，右下方為接料容器，寵物將直接在該容器中進食。圖10所示為本地設置所用的GUI界面，使用者可以直接觸屏控制，使用自行編寫的軟鍵盤進行輸入。

完成實物制作后，我們進行了一系列的出料穩定性測試。出料穩定性主要由料斗等出料機械設計決定，鑒于存放飼料的容器有兩種邊界狀態，即滿載和空載，而實際應用時因為喂食器會及時提醒，所以正常情況下不會出現完全空載的情況，使用者加料時通常也不會完全填滿容器，所以我們選取了接近臨界狀態的兩種情況進行出料穩定性測試，通過設定不同的出料量，比較實際出料量和理論出料量的差別并計算其誤差百分比。穩定性測試結果見表2所列。

由上文可知，系統在容器較滿時更加穩定，單次出料量較大。

3 結 語

自動寵物喂食系統以雙門單開結構的出料機械結構為基礎，以高性能STM32嵌入式芯片為核心，以ESP-WROOM-02無線網絡模塊為關鍵拓展，以微信小程序為用戶頂層界面，從底層到頂層、從具體到抽象，實現了本系統的所有預期功能，適用具體人群的具體問題，具有一定的社會經濟效益。

參考文獻

[1]凱文.R.福爾. TCP/IP詳解（卷一）[M]. 北京：機械工業出版社，2017.

[2]謝希仁.計算機網絡[M].北京：電子工業出版社，2013.

[3]榮蓉.實戰微信小程序（第六版）[M].北京：電子工業出版社，2017.

[4]楊家軍.機械原理（第2版）[M].北京：北京大學出版社，2010.

[5]王田苗.嵌入式系統設計與實例開發（第3版）[M].北京：清華大學出版社，2007.

[6]周鼎，曹以龍.基于Web版微信與ZigBee網絡的智能家居設計[J].物聯網技術，2018，8（1）：105-107.

[7]鄭艷華，蔡佳林.一種基于微信平臺的智能家居系統[J].物聯網技術，2016，6（12）：45-47.

[8]張雪云，牟艷，張九博.基于微信小程序的電源監測管理系統設計[J].計算機與現代化，2017（12）：98-102.