智能化的家養寵物喂食器設計

哈爾濱華德學院 白亞梅

本文提出了設計一款智能化家養寵物喂食器的構想，并對其設計方案進行了具體闡述。其應用原理是使用者能夠提前錄制提示語音，在設定好的喂食時間播放，并根據寵物自身進食習慣，將喂食量和喂食次數都提前設定好，在家中無人的情況下，喂食器可實現自動喂食。此智能化喂食器還支持遠程WIFI操控，使用者可在手機上實時查看投喂情況，在必要情況下可進行遠程控制，輕松實現智能喂食和遠程監控。

從具體研究數據來看，很多家庭在家養寵物喂養上存在著諸多不便。飼養者往往要出門工作、學習，在此期間無法將寵物帶在身邊。雖然家中老人空閑時間較多，但是受身體狀況的影響，也無法保證準時準點的喂食寵物。傳統的喂養方式需要飼養者投入大量的時間和精力，必須做到親力親為。使用智能化家養寵物喂食器則可以很好的解決這一問題。寵物即使在無人看管的情況下，也能獲得充足的食物和水源供給，因其使用方法簡單、適用面廣，因此擁有良好的發展前景和廣闊的市場。本文設計的智能化家養寵物喂食器以STM8單片機為主控芯片，對各子系統進行控制，最終實現自動投喂。

1 家養寵物喂食器市場現狀分析

1.1 基本功能

家養寵物喂食器作為一款智能化產品，需要具備支持移動設備遠程操控的能力，即使使用者外出時也可利用手機、iPad等設備實時查看喂食器的使用情況。其基本功能應包括：（1）定時喂食功能。此功能在模式上可以進行具體劃分，可分為普通、出差和手動喂食三種模式，方便使用者根據實際情況進行選擇。（2）錄音功能。主人可以提前錄制好呼喚寵物進食的聲音，到喂食時間時，喂食器會自動播放錄音，吸引寵物注意力，以起到提醒寵物就餐的目的。除了這些 基礎功能外，還應配有定量投喂、遠程監控、雙向語音通信等功能；此外，還應當提供應急功能，確保在斷網斷電的情況下，喂食器依然能夠正常運行，為使用者營造更好的使用體驗。伴隨著使用者使用需求的改變，喂食器也應進行完善、優化，增設更多的人性化功能。

1.2 產品類型

當前，市面上常見的喂食器可分為三種，分別為手動、半自動和全智能。手動喂食器指的就是喂食盤，需要主人親自將寵物糧和水源放入喂食盤供寵物食用和飲用。半自動喂食器，主人可以提前設定好喂食時間和喂食量，但是這一操作需要主人通過觸碰喂食器上自帶的功能按鈕來完成。智能化喂食器，主人可以利用手機APP設定投喂時間和投喂量，不受時間、地域的限制，可根據實際需要隨時調整。根據使用后反饋來的結果，智能化喂食器無論在功能性、實用性和用戶使用感受上，都要遠遠優于另外兩種。

1.3 主要消費對象

部分寵物飼養者由于學習、工作等原因，會不定時的外出一段時間，無法有規律的、定時定量的對寵物進行喂養。若寵物長期沒有充足的食物和水源，身體健康勢必會受到影響，這一情況在很多飼養寵物的家庭都存在。因此，智能化家養寵物喂食器的消費對象主要是處于工作或學習階段的人群，以年輕人為主。此類人群往往面臨著較大的生活壓力，希望通過飼養寵物來獲取精神寄托；但是白天又要忙于工作和學習，無法很好的照顧、喂養寵物。

2 系統結構框圖

本文設計的智能化家養寵物喂食器以STM8單片機作為控制中心，配有OLED顯示系統、音頻錄放系統、WIFI模塊、時鐘電路等多個子系統，其具體結構框圖如圖1所示。

圖1 智能喂食器總體結構框圖

系統功能如下：

（1）音頻錄放系統由音頻輸入電路、音頻輸出電路和語音芯片電路三部分構成，用戶可以提前錄制好多段語音，到達喂食時間時喂食器會自動播放錄音，以起到吸引寵物注意力的效果，提醒寵物進食。

（2）單片機控制器會以DS1302提供的時間為參數，設定用餐基準時鐘。使用者可以根據寵物以往的進食習慣，設定參數、時間及喂食量等數據。控制器起到的是總控作用，結合音頻錄放系統完成智能化喂食工作。

（3）用戶可以利用WIFI模塊，實時查看喂食器的具體工作情況，起到一定的遠程監控作用。若用戶因某種原因忘記設置喂食信息或喂食信息臨時有所更改，可以通過APP進行設定，實現遠距離操作，更具便利感。

3 硬件、軟件設計

3.1 硬件設計

3.1.1 單片機選擇

在單片機的選擇上選用了ST公司研發的STM8S103，該單片機擁有價格低廉、性能優越等優點。其內部含有8 K Flash，1 K RAM和640 B的EEPROM，并配有10個ADC轉換器、3個定時器及多個接口。

3.1.2 音頻輸出、輸入電路

選用ISD公司生產的ISD4002語音錄放芯片用來錄制音頻，該芯片應用DAST技術完成語音的錄入和存儲工作，最高可支持長達4 min的語音錄放。ISD4002芯片內部配有振蕩器、濾波器、音頻增大器等部件，因其錄音清晰、價格低廉的優點而得到了廣泛的使用；其運行流程十分簡單，麥克風驅動電路會將使用者錄制的語音轉存至芯片當中，到達指定時間時即可自動播報。

3.1.3 電源模塊

在該系統中，CPU和ISD4002芯片的供電電壓為3.3 V，其余模塊的供電電壓為6 V，因此喂食器在運行時，整機耗電量較低。在具體設計時，我們可以應用外接電源向喂食器提供6 V電源，再經LM117-3.3轉化成3.3 V電壓，以供CPU和ISD4002芯片使用。

3.1.4 按鍵及顯示模塊

為了降低電能損耗，選用了0.96 in帶字庫OLED12864顯示模塊，相較于傳統的LCD顯示屏，具備可視角度范圍廣、分辨率高等優點；除了數字，漢字、圖案等內容也能精準的顯示出來。該模塊和單片機之間采用IIC的方式進行通信，因此對單片機的性能要求不高，只需要具備SDA雙向數據線和SCL時鐘信號線就可完成顯示控制工作。鍵盤上配有6個可獨立操作的按鍵，key0和key1分別為啟動鍵和停止鍵，key2為功能鍵，可以設置喂食時間、喂食量、喂食次數等內容；key3、key4分別可以對數據進行加、減設置，key5為確定鍵，當所有參數設置完畢后，按key5退出設置模式，喂食器會按照設定自動進行工作狀態。

3.1.5 WIFI模塊及電機控制

（1）在本設計方案中，我們把電機電路看作是虛擬喂食進料裝置，電機運行時間的長短直接代表著喂食量。系統控制光耦PC817隔離驅動發送有效信號，通過M-con傳送至控制電機，系統開始運轉，反之電機停止工作。在實際運行過程中還可以通過調整占空比信號來調節電機的運轉速度。

（2）選用ESP8266串口作為WIFI模塊。因為喂食器和用戶使用的移動設備并不位于同一服務器，所以，在進行系統調試時，應先完成入網連接工作。在進行系統測試時，單片機會發出AT指令，確保喂食器和路由器處于連接狀態。此時，用戶就可以利用APP向服務器發送控制指令，再經由路由器轉送至系統控制終端，控制中心在接收到指令后會按照其具體要求進行相關操作。與此同時，喂食器還可以將實際使用情況經由路由器傳送至用戶的移動設備，不受地域影響，輕松實現遠距離智能監控。

3.2 軟件設計

軟件設計流程如圖2所示。

圖2 系統軟件設計流程圖

系統在運行之前，應確保WIFI模塊的網絡連接處于正常狀態。通電后，先對WIFI和DS1302模塊進行初始化，隨后開啟時鐘顯示，利用網絡服務器實現和使用者之間的無線通信。使用者可利用錄音電路及功能鍵盤完成提示音錄制和喂食具體參數的設置。在運行過程中，若喂食器接收到了使用者傳送的控制信息，系統會自動更新，按照全新的工作指令進行工作；如果沒有接收到新的控制信息，則按照提前設定好的程序進行自動喂食。

結束語：本文設計了一款可以實現自動投喂的智能化家養寵物喂食器，用戶可根據實際使用需求，設置喂食時間、數量、次數等內容，并設有錄音等輔助功能，可以確保喂食器更好的完成投喂工作。除此之外，使用者可以利用移動設備登錄APP，通過網絡實時向喂食器發送指令，實現遠距離操控和監督。此款喂食器在家中無人時，也能夠為寵物按時按點的提供食物和水源，且具有一定的靈活性，可隨時更改運行參數，擁有良好的應用前景。