基于Arduino的寵物可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)

莫尹宇

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 525200）

一、設(shè)計(jì)背景

據(jù)2018年《2018年中國寵物行業(yè)白皮書》①現(xiàn)中國城鎮(zhèn)共有9149萬只貓和狗，2018中國寵物（犬貓）市場規(guī)模高達(dá)1708億。全年單只寵物平均消費(fèi)5016元。人們很舍得為萌寵花錢，為寵物市場爆發(fā)提供充足的動力。而且養(yǎng)寵物的人群主要集中在高知白領(lǐng)人士，這也為智能設(shè)備的推廣提供了背景。本文志在探索設(shè)計(jì)一款集精準(zhǔn)定位、健康檢測和用戶討論于一體的寵物智能穿戴設(shè)備，有效解決寵物丟失，疾病多發(fā)等問題。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)采用Arduino 作為為處理控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)距離通信和工作響應(yīng)。Arduino電路板的設(shè)計(jì)使用了各種微處理器和控制器，這些電路板配有一組數(shù)字和模擬輸入/輸出（I/O）引腳，可以連接各種擴(kuò)展板或面包板（屏蔽板）和其他電路。在微處理控制器上通過收集各部分傳感器模塊的信息和GPRS/Wi-Fi通信，實(shí)現(xiàn)定位、健康檢測功能，在APP用戶層界面可以及時得到反饋信息。系統(tǒng)整體框圖設(shè)計(jì)如下圖1。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

(二)系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)方法

1.Arduino單片機(jī)

Arduino是一個開源軟硬件平臺生態(tài)圈，相對于其他市面上的嵌入系統(tǒng)而言具有操作簡單，包含硬件部分各種型號的操作板和軟件部分的IDE編程環(huán)境。本設(shè)計(jì)選用低成本、體積小的Arduino uno R3作為核心控制器，它具低功耗的ATmega328內(nèi)核，集成32KB的flash儲存器、1KBEEPROM以及14個IO口滿足設(shè)計(jì)要求。

2.定位功能

本設(shè)計(jì)通過目前被最廣泛應(yīng)用的GPS定位技術(shù)來實(shí)現(xiàn)寵物的定位功能，采用U-box公司推出的NEO-6M模塊采集數(shù)據(jù)，NEO-6M不僅低成本而且體積小性能好還自帶可充電電池，再掉電時可保留數(shù)據(jù)。通過其智能化功率管理功能，達(dá)到功耗低同時使電池壽命增長。同時NEO-6M所能捕獲到的相關(guān)引擎數(shù)量提升到兩百萬，再提高微弱信號捕獲能力的同時，更大大縮短了定位時間。

當(dāng)NEO-6M模塊接收到定位信息后，將通過串口與Arduino微處理控制器進(jìn)行通信，接收到定位信息后Arduino單片機(jī)再將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到GSM/Wi-Fi模塊上，最終由它們將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器，再由云端服務(wù)器發(fā)送到用戶的客戶端上，實(shí)現(xiàn)獲取動物實(shí)時定位信息的功能。GPS模塊與Arduino的連接如下圖2所示

圖2 GPS模塊與Arduino連接圖

3.健康監(jiān)測

在寵物的各項(xiàng)生物特征中，溫度、心率是重要的反映寵物是否健康的參數(shù)。設(shè)計(jì)中采用DS18B20溫度傳感器和MAX30102心率監(jiān)測模塊，輔之加速度傳感器ADXL346，可以記錄寵物的日常運(yùn)動習(xí)慣。

DS18B20是現(xiàn)今最常用的數(shù)字測溫模塊，僅需一條I/O線就可以實(shí)現(xiàn)與微控制處理器進(jìn)行串口通信和充電，更擁有體積小、成本低、抗干擾能力強(qiáng)和精讀高的特點(diǎn)。它的測溫范圍在-55℃～125℃，分辨率可達(dá)0.0625℃,一般犬貓的體溫都在36℃～40℃，傳感器符合要求。

MAX30102心率監(jiān)測模塊經(jīng)常被用在可穿戴設(shè)備上，是一種光電反射式模擬傳感器。不會對生物體造成傷害，是一種無創(chuàng)式的心率監(jiān)測模塊。它能夠?qū)崟r測量體溫，體積微小，精度準(zhǔn)確，成本低，具有實(shí)際應(yīng)用價值，符合該設(shè)計(jì)的定位。

ADXL335加速度傳感器是常用的計(jì)步模塊，它具有小巧纖薄的特點(diǎn)，不容易出現(xiàn)誤測。對于運(yùn)用電池供電的可穿戴設(shè)備來說，各部分原件的功耗極其關(guān)鍵，而ADXL335在測量模式的功耗為40微安，待機(jī)時更低至0.1微安，功耗極低，符合本設(shè)計(jì)的要求。

健康監(jiān)測的各個傳感器均能與Arduino進(jìn)行串口通信，然后再由Arduino將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾PRS/Wi-Fi模塊上上傳至云端服務(wù)器，再進(jìn)行信息處理，發(fā)送到各個客戶端。

4.數(shù)據(jù)傳送

（1）近距離傳輸

近距離傳輸采用ESP8266Wi-Fi模塊，該模塊具有超低功耗的，傳輸性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。能直接與Arduino進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而其所搭載的高速緩存器也可以降低內(nèi)存。

（2）遠(yuǎn)距離傳輸

遠(yuǎn)距離傳輸選用SIM300模塊，SIM300模塊具有低功耗，并且同時具有GSM以及在900MHz、1800MHz以及1900MHz三個頻率工作的小體積實(shí)時高速傳輸模塊。支持TCP/IP協(xié)議棧。再插入SIM卡后，Arduino微控制器可以發(fā)送AT指令, 使已經(jīng)處理好的各傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS，再由GPRS建立TCP/IP連接，向云端服務(wù)器發(fā)起HTTP請求并發(fā)送數(shù)據(jù)。

5.App用戶層

采用Java語言編寫App，并通過Socket編程與租用的云服務(wù)器進(jìn)行通信。用戶可以通過手機(jī)App查詢寵物現(xiàn)在的健康信息和定位信息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)動物有異常數(shù)據(jù)時立即發(fā)送警告，并自動推送附近的寵物醫(yī)院。手機(jī)App工作流程圖3所示。

圖3 手機(jī)App工作流程圖

三、結(jié)束語

本設(shè)計(jì)通過Arduino單片機(jī)和多種傳感器實(shí)現(xiàn)了對寵物進(jìn)行運(yùn)動監(jiān)測、實(shí)時定位的功能。使使用者可以實(shí)時的掌握寵物的位置信息和寵物的身體狀況。解決了用戶寵物丟失的煩惱，同時為寵物健康情況的判斷提供了數(shù)據(jù)。

注釋：

①：數(shù)據(jù)來源于https://lingdang.m.goumin.com/article/34926作者簡介：1999年生 女 壯 廣東省清遠(yuǎn)人 本科三年級學(xué)生 主要研究嵌入式軟件開發(fā)。