基于物聯(lián)網(wǎng)的寵物智能飼喂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 伸，常 奇，程 鵬，王紫薇，王炣萱

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，山西 太原 030801)

0 引言

寵物一般指在個(gè)人家中飼養(yǎng)、可以觀賞、陪伴主人日常生活的小型動(dòng)物，例如貓、狗、鳥、魚、爬行動(dòng)物等。雖然與國(guó)外相比國(guó)內(nèi)寵物行業(yè)起步相對(duì)較晚，但是隨著人們生活水平的不斷提高和老齡化人口數(shù)量的持續(xù)增多，寵物行業(yè)呈現(xiàn)高速發(fā)展的趨勢(shì)，與寵物有關(guān)的各類市場(chǎng)逐漸擴(kuò)大。

圖1 2017—2021年中國(guó)寵物行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模統(tǒng)計(jì)

預(yù)計(jì)未來幾年，中國(guó)的寵物飼養(yǎng)量將以10%左右的復(fù)合增速持續(xù)增長(zhǎng)。人們由于外出工作、外出旅行以及近幾年疫情原因等眾多因素，沒有時(shí)間或者沒有條件去精心照管寵物,以至于出現(xiàn)了一系列寵物無人照看的問題，所以現(xiàn)在對(duì)飼養(yǎng)寵物系統(tǒng)的需求越來越高。物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)信息技術(shù)綜合應(yīng)用的代名詞，成為人們信息世界的重要領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)主要是通過一些硬件設(shè)備，按照規(guī)定協(xié)議，將人們生活中的任意物體和互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息的交換和通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意物體智能化操作的一種網(wǎng)絡(luò)，極大地影響了人們生活的方方面面。

為此，胡名睿等[1]設(shè)計(jì)了寵物自動(dòng)喂食嵌入式系統(tǒng)，可將采集到的寵物信息通過短信發(fā)送至用戶手機(jī)；龍小麗等[2]研究了基于單片機(jī)的智能寵物投食系統(tǒng)；張世清等[3]設(shè)計(jì)了基于STM32的寵物喂食系統(tǒng)，用戶可以通過登錄OneNET物聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)查看寵物的情況；李曉茹等[4]設(shè)計(jì)了基于Raspber-ry Pi 的物聯(lián)網(wǎng)智能寵物看護(hù)系統(tǒng)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了寵物高效監(jiān)控的功能；劉忠臣等[5]發(fā)明了一種動(dòng)物引導(dǎo)裝置，極大地解決了動(dòng)物進(jìn)門引導(dǎo)裝置不可靠的問題；類維青[6]介紹了寵物犬的日常飼養(yǎng)管理與疾病防控,敘述了寵物犬的日常飼養(yǎng)方法和疾病防控等知識(shí)；郭兵等[7]主要對(duì)寵物犬的飼養(yǎng)及疾病防治進(jìn)行了探討，通過科學(xué)合理的飼養(yǎng)方案，極大地降低了寵物犬的發(fā)病率；楊婷婷等[8]分析了傳統(tǒng)寵物社區(qū)店的經(jīng)營(yíng)困境，并提出了相應(yīng)的解決對(duì)策。

從研究現(xiàn)狀來看，當(dāng)前飼養(yǎng)寵物系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，主要將重心放在系統(tǒng)硬件上。為此，本文基于無線網(wǎng)絡(luò)在人們生活中的廣泛使用，提出通過使用無線網(wǎng)絡(luò)的方法代替以往短信、郵件等形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)寵物飼喂系統(tǒng)的控制。本文以STM32為控制核心，將ESP8266模塊作為傳感器的通信設(shè)備，再連接服務(wù)器，服務(wù)器再將數(shù)據(jù)連接到指定的IP設(shè)備上，最終可以在設(shè)備上顯示采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)寵物的智能喂養(yǎng)與管理。應(yīng)用現(xiàn)代的信息技術(shù)對(duì)寵物進(jìn)行準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)的喂養(yǎng)，避免了人為因素對(duì)寵物造成身體的危害，還能及時(shí)地采集寵物的身體信息，隨時(shí)了解寵物的身體狀況。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)主要功能

本寵物智能飼喂系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)寵物定時(shí)定點(diǎn)飼喂、寵物活動(dòng)位置的感應(yīng)、測(cè)量寵物體溫、體重等數(shù)據(jù)，主要通過運(yùn)用STM32主控芯片將各個(gè)感應(yīng)傳感器硬件連接起來。

(1)通過定時(shí)器播放音樂，吸引寵物覓食，使寵物養(yǎng)成定時(shí)定點(diǎn)吃飯的習(xí)慣。

(2)通過在寵物身上佩戴射頻卡，讓智能飼喂系統(tǒng)感應(yīng)到寵物的到來，以實(shí)現(xiàn)智能飼喂系統(tǒng)對(duì)寵物行為的更準(zhǔn)確識(shí)別。

(3)在飼喂寵物時(shí)，測(cè)量寵物的體溫、體重等數(shù)據(jù)，選用ESP8266模塊作為傳感器的通信設(shè)備，將采集到的信息傳入云端，使其可以輕松了解自家寵物的身體狀況，及時(shí)處理寵物出現(xiàn)的各種問題。

此外，本裝置還有一塊小型液晶顯示器，用以將室溫、室內(nèi)空氣質(zhì)量、寵物的體重、溫度等檢測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來，方便用戶查看。

1.2 總體方案設(shè)計(jì)

寵物智能飼喂系統(tǒng)主要由傳感數(shù)據(jù)(體溫、體重、感應(yīng))采集模塊、視頻圖像處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸和終端用戶監(jiān)測(cè)平臺(tái)組成。具體系統(tǒng)組成如圖2所示。系統(tǒng)以STM32處理器為核心，通過對(duì)各個(gè)傳感器模塊和攝像頭采集的圖像進(jìn)行處理，最后得到寵物的基本信息。各模塊將數(shù)據(jù)信息傳送給STM32最小系統(tǒng)板，STM32處理器通過無線通信模塊對(duì)信息進(jìn)行采集與處理，之后通過WiFi無線通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺(tái)，服務(wù)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)上傳到指定IP。用戶終端監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)云服務(wù)器指定的IP地址進(jìn)行訪問。接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后對(duì)TCP/IP數(shù)據(jù)進(jìn)行解包并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而獲得傳感器與視頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖2 寵物智能飼喂系統(tǒng)

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

控制模塊主要使用STM32F103ZET6芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)的控制。該芯片數(shù)據(jù)總線為32 bit,最大時(shí)鐘頻率為72 MHz，存儲(chǔ)器大小為512 KB，采用ARM微控制器-MCU。F是表示芯片子系列,103表示增強(qiáng)型,Z表示144引腳,E表示512 K字節(jié)Flash,T表示LQFP封裝方式,6表示工作溫度-40/85度。它還擁有睡眠、停止和待機(jī)3種低功耗模式，并且可用電池為RTC和備份寄存器供電，還配有存儲(chǔ)器等硬件，具有成本低、功能強(qiáng)、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。

如圖3所示通過連接RFID射頻感知芯片、HX711稱重芯片、DHT11溫度感應(yīng)模塊以及攝像頭等電子元器件，可以實(shí)現(xiàn)寵物定時(shí)定量飼喂，識(shí)別寵物的活動(dòng)位置，還可以測(cè)量出它們的體溫、體重等數(shù)據(jù)。

圖3 STM32連接模塊

2.2 感應(yīng)模塊

采用RFID芯片為射頻感知模塊，RFID芯片的mosi引腳把數(shù)據(jù)傳入STM32，并且RFID芯片可快速地掃描數(shù)個(gè)標(biāo)簽，從而傳輸多條數(shù)據(jù)。

HX711芯片為稱重模塊，DHT11芯片為溫度模塊，它們的date引腳通過時(shí)鐘型號(hào)傳入STM32。

Openmv攝像頭模塊搭配無線傳輸模塊ESP8266，實(shí)現(xiàn)圖像的捕捉、處理和傳輸，在固定的地方安裝攝像頭，用戶便能夠隨時(shí)查看攝像頭拍到的視頻畫面。而且攝像頭也可以搭載ESP8266無線傳輸模塊，只需要遵循無線傳輸協(xié)議，便可以使每一個(gè)攝像頭都能夠單獨(dú)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和上傳。

這些傳感器模塊為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的管理以及視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)忍峁┝私鉀Q方案。

2.3 通信模塊

通信模塊將選用ESP8266模塊，它有softAP 模式、station 模式和softAP + station 共存模式3種。此模塊僅需要通過串口使用AT指令控制，就能滿足大部分的網(wǎng)絡(luò)功能需求。通信模塊可以通過STA模式，搜索當(dāng)前附近的WiFi，通過輸入匹配的密碼便能連入互聯(lián)網(wǎng)。通信模塊也可以通過AP 模式產(chǎn)生WiFi熱點(diǎn)，只需設(shè)置WiFi名稱和密碼即可使用。

ESP8266模塊中也實(shí)現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧，用戶端可以使用AT指令向服務(wù)端發(fā)起TCP連接。連接TCP服務(wù)器并開啟傳輸模式后，模塊串口收到的數(shù)據(jù)就能夠通過TCP連接傳輸?shù)椒?wù)端，服務(wù)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)上傳到指定IP，用戶終端設(shè)備對(duì)云服務(wù)器指定的IP地址進(jìn)行訪問。接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后對(duì)TCP/IP數(shù)據(jù)進(jìn)行解包并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而獲得傳感器與視頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了軟硬的結(jié)合，最終將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)顯示在設(shè)備中。

圖4 通信傳輸流程

2.4 軟件模塊

無線通信模塊將數(shù)據(jù)打包上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，云平臺(tái)負(fù)責(zé)接收上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶端僅通過將用戶設(shè)備與寵物飼喂系統(tǒng)連接到同一段WiFi上，就可以輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備與硬件系統(tǒng)的連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)如下功能。

(1)定時(shí)投喂功能。

定時(shí)投喂功能主要是用戶自己為寵物設(shè)置固定的投喂時(shí)間、投喂量和播放定時(shí)音樂來吸引寵物覓食。

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

實(shí)時(shí)監(jiān)控功能包括實(shí)時(shí)測(cè)量室內(nèi)溫度、實(shí)時(shí)檢測(cè)寵物的體重、溫度以及通過安裝攝像頭的方法，查看每一段時(shí)間內(nèi)寵物的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)寵物的問題。

(3)輔助功能。

輔助功能主要有寵物稱重、獲取寵物的活動(dòng)位置和行動(dòng)軌跡等。

本系統(tǒng)通過連接網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)用戶端對(duì)寵物飼喂系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和對(duì)自家寵物的監(jiān)控，具有靈活性、及時(shí)性、方便性等特點(diǎn)。

3 結(jié)語

隨著近幾年傳感器技術(shù)的發(fā)展成熟和物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，信息監(jiān)控設(shè)備已經(jīng)普遍使用，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)、分析技術(shù)日趨完善。基于此，本文設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的寵物飼喂系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103ZET6芯片為核心控制，實(shí)現(xiàn)了寵物的智能飼喂、寵物信息采集等功能，可以將收集到的寵物信息傳輸?shù)接脩粼O(shè)備上，供用戶隨時(shí)查看。本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單便捷，功能實(shí)用，占用空間小，解決了由于人們工作、外出以及近幾年疫情原因等眾多因素?zé)o暇精心照管寵物的問題,極大地便利了用戶對(duì)寵物的管理與監(jiān)控，降低了寵物突發(fā)疾病的死亡率，增進(jìn)了人與寵物之間的互動(dòng)，有利于提高養(yǎng)寵人群的生活幸福指數(shù)，推動(dòng)寵物行業(yè)的智能化發(fā)展。