基于STM32 的寵物智能投喂裝置的設計與實現

張杰斌，謝澤奇

（鄭州西亞斯學院 電子信息工程學院，河南 鄭州450000）

1 概述

隨著信息技術的不斷發展，智能化裝置進入人們的視野，智能化設備給人們帶來很多便利，高效、可靠和方便的智能化裝置在生產生活中的應用越來越廣泛，同時其在軍事、交通、家居、農業、經濟等領域已經表現出巨大的發展潛力。同時國家政策的大力扶持與5G 時代的到來，AI 和IoT 兩大技術落地，未來物聯網發展將會突飛猛進。并且在5G 環境下網絡速率、網絡安全、網絡便捷性能夠促進物聯網的發展。

盡管智能化設備已經滲透到生活的方方面面，并且在智能家居方面已經形成了相對完整的系統，市場上的智能家居設備大多都服務于人們的衣食住行，但是市場上針對寵物服務的設備卻很少，目前市場上已有的寵物自動投喂裝置已經難以滿足寵物主人的需求。

寵物是人類忠實的朋友，同時也是人類精神的寄托。研究與設計基于STM32 的寵物智能投喂裝置，其目的是為了更好的照顧到寵物的日常生活，本文研究與設計的基于STM32 的寵物智能投喂裝置是以STM32 為核心，集溫度傳感器、光照傳感器、WiFi 模塊、實時時鐘模塊等模塊為一體，配以相對應的軟件系統。可以實現根據處于不同年齡段的寵物、每天進行定時定量的精準投喂一定量的食物和水，定時檢測寵物的生活環境并且如果檢測到高溫環境并及時進行報警，寵物主人也可以通過智能設備隨時隨地的了解寵物在家生活情況、為寵物加餐等功能。

2 系統設計

STM32 系列處理器是意法半導體ST 公司生產的一種基于ARMv7 架構的32 位、支持實時仿真和跟蹤的微控制器[1]。本文所介紹的基于STM32 的寵物智能投喂裝置采用的是以STM32F103ZET6 芯片為核心的單片機，由實時時鐘模塊、溫度傳感器、光敏傳感器、WiFi 模塊、邏輯控制單元和動作執行單元等模塊組成。圖1 為基于STM32 的寵物智能投喂裝置結構圖。

2.1 實時時鐘模塊（RTC）

本裝置使用的實時時鐘模塊是一個STM32 內部的、采用精度較高的晶體振蕩器作為時鐘源的獨立定時器，可以提供精準的實時時間。同時，該模塊具有一組連續計數的計數器，可以根據當前的時間，自己修改計數器的值，從而達到重新設置系統時間和日期的目的。

RTC 不能斷電，如果RTC 斷電的話，時間數據就會丟失，導致時間不精準。RTC 模塊和時鐘配置系統是在后備區域，不管裝置在什么狀態（運行，關閉或者復位狀態等），只要保證后備區域正常供電，即使在裝置斷電情況下，也會啟動后備電源（后備電源是一個紐扣電池，在裝置斷電時，為RTC 時鐘供電），保證RTC 時鐘不停的運行，所以我們獲得的時間和日期都是比較精準的[2]。

圖1 裝置結構圖

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器是能感受溫度并轉化成數字信號的傳感器。STM32 的內部溫度傳感器與ADC 的通道16 相連接，通過AD 轉換將傳感器輸出的電壓轉化為數值，達到測量CPU 及周圍溫度的目的[3]。STM32 的內部溫度傳感器能夠測量到的最高溫度為125℃，最低溫度為-40℃，其測量誤差為±1.5℃。

STM32 的溫度傳感器是固定在STM32 開發板上邊的，用于測量CPU 及周圍的溫度。在使用STM32 內部溫度傳感器之前，首先要激活ADC 的內部通道，并且使能其相對應ADC 的內部通道，通過設置ADC_CR2 的AWDEN 位為1 來啟用內部溫度傳感器，然后設置只讀取ADC 的通道16 的值，得到的數據就是溫度傳感器返回來的電壓值，根據這個值，經過一定的公式，就可以計算出當前溫度。

2.3 光敏傳感器

光敏傳感器是生活中最常見的傳感器之一，光敏傳感器是使用光敏元件將光信號轉化為電信號的傳感器。光敏傳感器是利用光敏二極管的特性，可以利用光照強度的強弱來改變電路中的電流，以測量光敏二極管兩端電壓值的大小，通過ADC 讀取電壓值，從而判斷光線的強弱。本文所介紹的基于STM32 寵物智能投喂裝置是使用STM32 的ADC3 的通道6 來讀取光敏二極管的電壓變化，從而獲得光照強度。

2.4 WIFI 模塊（ATK-ESP8266）

ATK-ESP8266 是一款高性能的UART-WiFi（串口-無線）模塊，使用其透傳功能可以進行數據傳輸，并且有很高的可靠性[4]。ATK-ESP8266WiFi 模塊功能強大，ATK-ESP8266 模塊支持LVTTL 串口，只需簡單的配置即可通過網絡與串口設備傳輸數據。

ATK-ESP8266 模塊支持STA/AP/STA+AP 三種工作模式。

AP 模式：該模塊作為熱點，手機、電腦或者其他智能設備可以通過WiFi 連接熱點，與模塊進行數據傳送或者局域網無線控制。

STA 模式：該模塊通過路由器連接互聯網，手機、電腦或者其他智能設備通過接入互聯網，與模塊進行通信或遠程控制。

AP+STA：兩種模式共存，既可以實現局域網內連接熱點進行通信或無線控制，也可以實現智能設備聯網進行通信或遠程控制，這樣的好處是可以實現局域網與廣域網的無縫切換，使操作更加方便，適用場景更加廣泛。

每個模式又包含TCP 服務器，TCP 客戶端，UDP 三個子模式，既可以作為客戶端，也可以作為服務器。

2.5 動作執行單元（MG995 舵機）

動作執行功能由舵機完成。使用的是MG995 舵機，工作電流為100mA，使用電壓為3～7.2V，結構材質為金屬銅齒、空心杯電機，雙滾珠軸承，轉動角度最大為180度，脈沖寬度范圍為0.5ms 到2.5ms 時，舵機轉動范圍-90°到90°，舵機轉動的角度與脈沖寬度為正比[5]。在使用舵機之前，需要給舵機一個20ms 的時基脈沖，通過調節PWM 信號的占空比控制其轉過不同的角度，如圖2 為舵機的輸出轉軸角與輸入信號的脈沖寬度之間的關系圖。

圖2 舵機的輸出轉軸角與輸入信號的脈沖寬度之間的關系圖

在該寵物投喂器中通過定時器與PWM 同時控制MG995 舵機打開固定的角度和固定的時間后關閉，以達到定時為寵物投喂適量的食物。

2.6 邏輯控制單元

邏輯控制單元采用STM32F103ZET6 芯片。該芯片是基于CortexTM-M3 核心、有512K 字節閃存、64k 靜態隨機存取存儲器的32 位微控制單元[6]。STM32 擁有超多的外設，并且具有極高的集成度，本文中提到的基于STM32的寵物智能投喂裝置的研究與設計使用到的有：ADC、DAC、USB、RTC、TIMER、GPIO 等外設及功能。

邏輯控制單元是該裝置的核心，目前已經實現的功能有：

功能一：通過按鍵選擇模式針對不同年齡段的寵物進行投喂（若未檢測到按鍵，則在30s 后自動進入普通模式），進入工作模式后，定時采集與分析寵物生活的環境信息，有危險的話會發出警報。

功能二：然后通過判斷是否在寵物的飯點和定時器精準定時，來控制舵機旋轉一定的時間以達到自動投喂適合當前模式年齡段的寵物的目的。

功能三：然后通過互聯網與模塊將工作時間和得到的環境數據發送給寵物主人，使主人隨時隨地了解寵物的生活情況，寵物主人也可以根據寵物的生活情況隨時隨地通過手機對寵物進行加餐。

3 功能測試

自上而下方框中的數據分別為開機自動獲取的日期時間及環境數據、輸入指令date 獲取的環境數據、輸入指令work 執行動作后獲得的數據。圖3 為功能測試結果圖，說明已經完成了該裝置的預期功能。

圖3 功能測試結果圖

圖4 工作流程圖

4 軟件設計

首先，當系統上電后會反饋寵物生活環境數據（包括溫度、光照強度、實時時間）。然后會有30s 的時間，進行選擇工作模式，會提示選擇到的工作模式適用于哪個年齡段的寵物，如果選錯了，我們可以通過按裝置上的RESET 鍵進行復位。最后，根據選擇的模式進行每天定時定量的投喂和定時進行環境檢測及高溫報警，如果接收到智能終端設備發送的指令，就會根據指令，進行相對的操作，然后反饋操作信息。

5 結束語

本文所介紹的基于STM32 的寵物智能投喂裝置有三個優勢：

優勢一：該裝置打破了傳統人工飼養寵物的方法，使用寵物智能投喂，分別有三個模式針對不同年齡段的寵物進行定時定量的投喂。

優勢二：具有環境監測及高溫報警功能，時時刻刻保證寵物生活環境安全，也顯得其更具有人性化。

優勢三：手機等智能設備可以通過WIFI 模塊隨時隨地查看寵物生活環境數據，以及給寵物加餐，顯得其更加智能化。

基于STM32 的寵物智能投喂裝置是在互聯網影響之下物聯化的體現。本設計所研究的寵物智能投喂裝置不僅僅是一款智能設備，它更是連接主人與愛寵的紐帶，而且功能強大，時刻檢測寵物的生活環境，照顧到寵物的健康飲食。并且通過APP 將寵物與主人聯系在一起，未來基于STM32 的寵物智能投喂裝置會基于投喂和環境監測等基礎功能之上進一步開拓新的空間。