基于Arduino的寵物可穿戴設備設計

莫尹宇

（佛山科學技術學院，廣東 佛山 525200）

一、設計背景

據2018年《2018年中國寵物行業白皮書》①現中國城鎮共有9149萬只貓和狗，2018中國寵物（犬貓）市場規模高達1708億。全年單只寵物平均消費5016元。人們很舍得為萌寵花錢，為寵物市場爆發提供充足的動力。而且養寵物的人群主要集中在高知白領人士，這也為智能設備的推廣提供了背景。本文志在探索設計一款集精準定位、健康檢測和用戶討論于一體的寵物智能穿戴設備，有效解決寵物丟失，疾病多發等問題。

二、系統設計

（一）系統整體設計方案

設計采用Arduino 作為為處理控制器進行數據傳輸、數據分析、遠距離通信和工作響應。Arduino電路板的設計使用了各種微處理器和控制器，這些電路板配有一組數字和模擬輸入/輸出（I/O）引腳，可以連接各種擴展板或面包板（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，實現定位、健康檢測功能，在APP用戶層界面可以及時得到反饋信息。系統整體框圖設計如下圖1。

圖1 系統整體框圖

(二)系統主要功能實現方法

1.Arduino單片機

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

2.定位功能

本設計通過目前被最廣泛應用的GPS定位技術來實現寵物的定位功能，采用U-box公司推出的NEO-6M模塊采集數據，NEO-6M不僅低成本而且體積小性能好還自帶可充電電池，再掉電時可保留數據。通過其智能化功率管理功能，達到功耗低同時使電池壽命增長。同時NEO-6M所能捕獲到的相關引擎數量提升到兩百萬，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微處理控制器進行通信，接收到定位信息后Arduino單片機再將數據通過串口發送到GSM/Wi-Fi模塊上，最終由它們將數據發送到云端服務器，再由云端服務器發送到用戶的客戶端上，實現獲取動物實時定位信息的功能。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.健康監測

在寵物的各項生物特征中，溫度、心率是重要的反映寵物是否健康的參數。設計中采用DS18B20溫度傳感器和MAX30102心率監測模塊，輔之加速度傳感器ADXL346，可以記錄寵物的日常運動習慣。

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

MAX30102心率監測模塊經常被用在可穿戴設備上，是一種光電反射式模擬傳感器。不會對生物體造成傷害，是一種無創式的心率監測模塊。它能夠實時測量體溫，體積微小，精度準確，成本低，具有實際應用價值，符合該設計的定位。

ADXL335加速度傳感器是常用的計步模塊，它具有小巧纖薄的特點，不容易出現誤測。對于運用電池供電的可穿戴設備來說，各部分原件的功耗極其關鍵，而ADXL335在測量模式的功耗為40微安，待機時更低至0.1微安，功耗極低，符合本設計的要求。

健康監測的各個傳感器均能與Arduino進行串口通信，然后再由Arduino將數據傳輸到GPRS/Wi-Fi模塊上上傳至云端服務器，再進行信息處理，發送到各個客戶端。

4.數據傳送

（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，傳輸性能穩定等特點。能直接與Arduino進行數據傳輸，而其所搭載的高速緩存器也可以降低內存。

（2）遠距離傳輸

遠距離傳輸選用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時高速傳輸模塊。支持TCP/IP協議棧。再插入SIM卡后，Arduino微控制器可以發送AT指令, 使已經處理好的各傳感器數據發送給GPRS，再由GPRS建立TCP/IP連接，向云端服務器發起HTTP請求并發送數據。

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器進行通信。用戶可以通過手機App查詢寵物現在的健康信息和定位信息，當發現動物有異常數據時立即發送警告，并自動推送附近的寵物醫院。手機App工作流程圖3所示。

圖3 手機App工作流程圖

三、結束語

本設計通過Arduino單片機和多種傳感器實現了對寵物進行運動監測、實時定位的功能。使使用者可以實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據。

注釋：

①：數據來源于https://lingdang.m.goumin.com/article/34926作者簡介：1999年生 女 壯 廣東省清遠人 本科三年級學生 主要研究嵌入式軟件開發。