嵌入式系統寵物引導車設計和市場分析

秦興琳　蔣焜　葉一陽　鄭桂鋒

摘要：物聯網的提出和使用讓人與物有效通信，滿足快節奏生活、不能外出陪同寵物的要求，解決寵物管控不嚴，擾亂社會秩序安全[9]的問題，設計出一個物聯網時代能引導寵物外出，基于北斗滿足主人實時監控寵物，4G、5G大背景下無線控制及圖像識別，使之規定路線移動的智能寵物引導車。對超聲波和紅外組合避障、主人原聲安撫和傳感器DSP技術等方面單獨研究，設計出較傳統單一形式更為精確合理化的方案。

關鍵詞：5G;物聯網;北斗;傳感器;寵物引導

中圖分類號：TD302? ? ?文獻標識碼： A

文章編號：1009-3044（2021）04-0237-03

Abstract： The proposal and use of the Internet of things enable people to communicate with things effectively， meeting the requirements of fast-paced life and can not going out to accompany pets， and solve the problem that pets are not strictly controlled so that disturbing the socials safety. In the era of Internet of things， the pet can be guided to go out. Based on Beidou， the owner can monitor the pet in real time. The wireless control and image recognition under the background of 4G and 5g are designed to specify the route about Mobile intelligent pet guiding car. Under the ultrasonic and infrared combination obstacle avoidance， the host acoustic comfort and sensor DSP technology being studied separately， a more accurate and reasonable scheme is designed than the traditional single form.

Key words： 5g; Internet of thing; Beidou; Sensorpet guiding

1 概述

目前，中國北斗系統，具備動態分米級、靜態厘米級的精密定位服務能力;5G低延時的特性加快通信，使定位信息和攝影圖像傳送速度和精確性都有大幅度的提高，嵌入式開發5G模塊很快就會普及，5G的高速率、低延遲通信，將會使得寵物引導車更加智能的服務于主人和寵物。

基于物聯網技術，實現對物品的智能化定位、跟蹤、監控和管理，在互聯網的基礎上實現人物相連。機器人、語言識別、圖像識別和自然語言處理等人工智能的大范圍普及[2]。實現“app客戶端+云平臺+智能機器”，在物聯網大背景下實現讓寵物可以按照命令和需求移動。

本文研究并完善了引導車的應用性，無論身在何方，只要一部手機，可以隨時管理和監控寵物的情況，具有普適性和前瞻性。

2 系統設計

尋求新的設計模式，通過功能車的傳感器、小應用、無線傳輸這些完整的小生態，建立“app客戶端+云平臺+智能機器”一體化系統，解決寵物外出的生理需求難題。

2.1 避障測距設計

超聲波傳感器受環境影響小，但波束發散嚴重，距障礙物較遠時，方向定位精度較差;紅外線反應速度快，且光束發散小，但對于近似黑體的物體無法檢測距離;激光技術，用于獲得數據并生成精確的DEM（數字高程模型），測距精度可達厘米級，但價格昂貴，必要性不大[4]。

此系統采用超聲波和紅外結合對周圍環境進行距離的測控，紅外與超聲波結合相對于單一超聲波傳感器，其定向精度有了很大的提高。而且，采用反應速度更快的光感應紅外線傳感器（如光導紅外傳感器，其響應時間達到了微秒級）來消除超聲波傳感器盲區，提高系統的整體性能[3]。如圖1，傳感器發出和接收超聲波和紅外線，遇到障礙物產生回波信號，傳感器接收到信號后，經控制器進行數據處理，判斷出車體與障礙物之間的距離。

對于測距功能，本系統擬使用CD4051電路和超聲波接收芯片CX20106實現超聲波的發射與接收。[5][6]

2.2語音播報設計

通過壓力傳感器采集繩端壓力數據信息，傳入單片機內，對傳感器不通模擬量的輸入通過模式識別算法，得到不同的音頻輸出。壓力傳感器狀態控制單片機，不同壓力輸出不同模擬或數字信號，單片機做AD檢測。

以便在寵物失控或者突發情況發生時能夠起到警示作用控制音頻的播放，壓力傳感器傳回數據的處理通過單片機來控制繼電器作為音頻的開關，實現上述功能。加入語音控制模塊實現智能化的人機交互，使得人語言命令后能夠得到音頻反饋。

2.3定位設計

定位模塊，比如中國北斗系統的泰斗的N303-3，接收衛星信號，將接收到的信息通過串口通信方式發送到單片機中，單片機處理采集到的數據。定位系統，一方面，幫助定位出自身的具體方位，如圖2所示;另一方面，規劃遛狗機器人到達目的地的最佳路線。

中國北斗系統，其超高追蹤靈敏度大大擴大了其定位的覆蓋面，包含普通GPS接收模塊不能定位的地方。小體積、高集成等特性使其非常適用于便攜式設備像導航儀，手機、相機和車輛導航系統。

利用差分GPS（DGPS）技術，接收機收到該修正數后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準確的位置。

3 算法處理

3.1 5G通信

在5G加速發展的大背景下，傳統媒體許多功能都可能被物聯網、云技術替代，媒體融合將是大勢所趨，新技術的發展，將會深遠地影響新的業態形成。[7]

如圖3所示，5G的開發使BBU功能拆分，核心網下沉，延時度降低，這些為手機端遠程控制總體移動路線提供了基礎，主人、客戶端、智能牽引機器人、寵物的聯系捆綁，實現讓寵物可以按照命令和需求移動。[1]

3.2 路徑規劃

在開發Android APP的過程中，APP會將目的地設置于對應的控件，路徑規劃功能調用百度地圖路徑規劃端口，當需要使用此功能時，通過實例化一個路線規劃對象，之后將起點與目的地存放于節點中，并調用對象下的路徑規劃算法進行規劃，然而，調用算法得出的路線是不能直接在地圖中顯示的，我們需要將結果的路線轉化成一段一段的線段，再取得線段上的端點，通過將路線切分成線段，再將線段端點得出，依次連接，即得出路徑規劃的路線圖。其過程如圖4所示。

4 應用前景

室外牽引陪同的智能系統還沒有被廣泛應用，室內逗寵裝置發展較為完善，但其功能對寵物的限制較大。針對問題，實現戶外情況下對寵物的穩定引導控制，尋求新的設計模式，通過大功能車的傳感器、小應用、無線傳輸這些完整的小生態，然后通過無線通信進行相應的大數據采集以及云端應用，基于低功耗廣域網的物聯網，加強主人和寵物之間的聯系，即可解決戶外無人無線控制寵物問題。

寵物市場滲透率較低，但呈逐年上升趨勢，未來有較大的拓展空間。同時隨著國內寵物行業的成熟，也將持續刺激寵物用品市場的繁榮。因而本公司的銷售對象具有普適性和銷售項目具有前瞻性。

5 結語

本文提出寵物外出智能化的設計理念，分析其國內外發展現狀，結合寵物的生理需求和飼養者的心理需求特點，探索安全性和適用性、關注人文情懷的智能化設計原則，以及模塊化和重新組合、多功能、替換與升級等，解決寵物身邊無人的情況下，將如何解決外出移動問題。同時還考慮了使用者群體特征，滿足低成本的需求。

參考文獻：

[1] 尹斌.5G+云采編技術在全國兩會報道中的應用實踐[J].廣播電視網絡，2020，27（7）：24-26.

[2] Getac; Leading German Car Manufacturer Chooses Getac for Worldwide Provision of Rugged Mobile Devices and Solutions，2020.

[3] 王超.室內全向移動機器人系統設計及導航方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2017.

[4] 曾德全，余卓平，熊璐，付志強，張培志.結構化道路下基于層次分析法的智能車避障軌跡規劃[J].華南理工大學學報（自然科學版），2020，48（7）：65-75.

[5] 孫宇鳳.基于超聲波傳感器測距系統關鍵技術的研究[D].西安：西安電子科技大學，2019.

[6] 袁新娜，余紅英.超聲波傳感器在智能小車避障系統中的應用[J].綿陽師范學院學報，2009，28（8）：39-42.

[7] 劉長濤.廣電5G的發展探討[J].廣播電視網絡，2020，27（7）：27-28.

[8] Mallika I L，RatnamDV，RamanS，etal.Machine learning algorithm to forecast ionospheric time delays using Global Navigation satellite system observations[J].Acta Astronautica，2020，173：221-231.

[9] 簡凌宇.對于城市公共服務中寵物管理制度的思考——以上海市閔行區犬類管理為例[J].社會與公益，2019（8）：9-12.

【通聯編輯：梁書】