基于STM32的家用智能寵物投食器的設計與研究

摘要：隨著我國社會經濟水平的快速發展，國民生活水平不斷提高，寵物行業也得到了飛速發展。家庭寵物的飼養已成為城市居民生活消遣的新方式。但寵物的喂養需要花費大量時間，導致人們常常為此而煩惱。本文研究了一款寵物自動喂食系統，以STM32F103單片機為核心，通過手機端微信小程序的設定，發送到云端服務器，服務器再進行簡單處理。當到達這一時間點后，云端的服務器向終端的自動投食器發送喂食命令，底層的微處理器控制步進電機轉動，從而控制向寵物投喂糧食的進食量。該系統解決了日常生活中無法按時喂養寵物，以及“新手”主人難控制食量的問題。

關鍵詞：寵物喂養；STM32F103；云服務器；智能投喂

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）23-0114-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

智能寵物投食器可用于家養小寵物，例如寵物貓和寵物狗的喂食和喂水，為寵物的小主人提供了極大的便利。目前，市面上已有的寵物投食器在使用過程中存在一系列問題，具體如下：用戶在使用過程中需要手動調節，才能實現寵物的定時定量喂食，無法實現智能投喂；當寵物需要喝水時，用戶必須手動旋轉水嘴開關進行喂水，無法在用戶不在家時根據寵物的需求實現自動供水功能；當喂養的寵物種類不同或者隨著年齡增長而食量增加時，無法靈活調節供食時間和供食量等參數。王岳等人對野外自動化鴨舍進行了研究，設計的野外鴨舍實現了早晨自動開門、晚上自動奏樂喚鴨回舍，以及自動關門、自動補料和統計回舍鴨子數量等功能[1]；孔愛菊等人設計的野外鴨舍喂水控制系統，該系統可以進行水箱液位檢測和水泵驅動，具有水箱低水位自動補水和高水位防止溢出等功能，實現了野外鴨舍喂水的自動控制[2]；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，以確保喂食器能夠更好地完成投喂工作[3]；楊傳升等設計的小型全自動喂食機實現了飼料投放、消毒清潔、自動喂水、自動換氣和無線信號傳輸等功能，使整個操作過程基本脫離人工干預[4]。針對現有寵物投食器存在的問題，并結合野外自動化鴨舍的設計經驗，本設計提出了一種基于STM32F103微處理器的智能寵物投食器自動控制系統設計方案；設計中使用步進電機控制技術實現了寵物的食物供給，采用電子秤模塊來感應投喂食物的量，進而控制步進電機的速度，同時還提供了一款微信小程序來達到遠程控制。

1 系統構成

本設計中包含電源電路模塊，為系統提供穩定的電源輸入；電子秤模塊，用于測量喂食桶中的剩余量；語音輸出模塊，在投喂器執行喂食動作后，用于提示小寵物進行喂食；溫濕度模塊，用于檢測投喂器周圍的環境溫濕度；Wi-Fi模塊和電動機模塊。通過Wi-Fi模塊與服務器對接微信小程序的設置，達到設定時間后向微處理器發送命令，從而控制電動機模塊向寵物投喂食物。

2 系統功能

基于STM32的智能寵物投食器系統設計基于物聯網技術進行設計，以底層硬件設計為主，輔以微信端小程序應用程序的軟件設計。硬件設計根據智能自動寵物投食器系統實現以下功能：可定時自動添加食物到喂食盤，通過電機的轉動將食物運送到喂食盤；可以顯示存量桶（6KG以內）和喂食盤（0.5KG以內）中的重量；能顯示室內溫度（-50～70℃）和濕度（10%～99%）；可以連接網絡在手機上顯示與設置。

3 軟件設計

主程序以人機交互為主線，分為物理層、網絡層和應用層三部分。物理層包括數據采集、語音播報、信號發生和信號檢測等功能；網絡層由新大陸云平臺提供的服務器和Wi-Fi組網等組成；應用層則為手機端的微信小程序。整個設計的主程序詳細流程如圖3所示，其開始是3dklNOO15c2xD4VUAc/ITriTAb8QxgZeeh/Y4YH3/dY=由底層硬件層和微信小程序的應用層一起完成初始化。在底層方面，打開電源，等待系統初始化完成。底層的Wi-Fi模塊開始連接網絡，連接后登錄到設定好的新大陸云平臺。然后檢測存量桶糧食的重量和喂食桶周圍環境的溫濕度，并將數據發送給服務器。底層硬件在上傳數據之后，檢測是否收到服務器下達的命令。當沒有收到時，則繼續進行數據檢測并上傳。當收到命令后，電動機開始工作，同時喂食盤下的電子秤也開始檢測數據，并實時對比。當檢測到的重量與服務器命令中的重量一致時，電動機和喂食盤下的電子秤模塊停止工作，并打開語音模塊播放音樂吸引寵物過來進食，之后繼續回到等待命令的過程。這樣完成了整個喂食過程。

4 實物制作及數據分析

通過上述對智能寵物投食器的方案論證、硬件設計分析和軟件設計分析，制作出智能寵物投食器的大致模型。使用KILE5軟件的C語言編寫底層由微控制器STM32F103控制的相應模塊。

4.1 微信小程序的制作

根據上述所需功能，使用微信開發者工具通過JavaScript簡單制作了一個微信小程序界面。借助新大陸云平臺提供的服務器，建立了網絡連接。在設計了喂食時間后，應用程序將數據發送至新大陸云平臺，以保存喂食時間和重量。當達到設定的時間后，平臺會向底層的微處理器發送數據，微處理器隨即開始工作。

4.2 新大陸云平臺服務器調試

新大陸云平臺是國內物聯網企業——新大陸科技集團下的一款可供免費使用的服務器。本設計運用新大陸云平臺的服務器完成了微信小程序和微處理器的數據交換，并進行了相應的處理。微信小程序端發送過來的定時喂食時間和數量的數據上傳到新大陸云平臺的服務器，經過一些簡單的處理，形成一個個策略。策略的作用是在達到設定時間后，將發送一組數據給底層微處理器，即喂食命令。底層微處理器檢測到數據，通過Wi-Fi模塊上傳到新大陸云平臺的服務器。它會將獲得的數據保存，并刷新之前的數據，等待微信小程序來獲取。

4.3 硬件制作

通過KILE5創建工程，對各個模塊進行程序編寫和調試，完成實物的制作。在使用串口調試Wi-Fi模塊的過程中，首先向其發送AT命令，如果連接成功，則會回復OK。然后可以進行一些基礎設置。而在使用微處理器對其初始化時，首先要設置STK，STK的作用是連接熱點。連接熱點后，就可以發送和接收數據了。

在本設計中，Wi-Fi模塊在接收到數據后會進入中斷模式，優先處理接收到的數據信息。圖5展示了使用新大陸云平臺服務器向Wi-Fi模塊發送喂食21克糧食的指令。電子秤模塊初始化時，GPIO口的兩個數據端口分別設為一個輸出和一個輸入。將SCK端口設置為推挽輸出50Hz模式，而B+數據口則設置為輸入模式。在獲取數據時，首先將SCK連接的PB8拉高，延時2毫秒后，可以在B+數據IO口獲得相應的數據。溫濕度模塊的初始化相對復雜。該模塊只有一根數據總線，需要同時用于發送收集模塊數據的命令和接收數據。因此，對這根數據線的初始化需要反復調整。在未發送獲取數據指令之前，默認設置為輸出模式。在發送獲取數據指令后，則須更改為輸入模式。待40位數據獲取完畢后，再將IO口設置回默認的輸出模式。圖6顯示，在調試過程中，電子秤模塊偶爾出現靈敏度變化，導致測量值忽大忽小。這一變化在整個調試過程中花費了最長的時間進行調整。最終，根據多次的調整，取其多次平均值作為最終換算數值。

5 結論

本設計共分為三層，分別為物理層、網絡層和應用層。首先，在物理層上，采用以STM32F103為核心的最小系統，結合Wi-Fi技術、傳感器技術和電機技術等制作而成，實現了室內溫濕度的檢測、存量桶內部重量的檢測、語音播報功能以及Wi-Fi數據上傳功能。在網絡層上，以新大陸云平臺提供的免費服務器作為平臺，連接了物理層的硬件和應用層的微信小程序，主要進行雙方的數據交換和簡單處理工作。應用層的微信小程序是基于微信載體的一種無須下載的應用，主要功能是為了讓用戶隨時隨地控制家中的智能寵物投食器。系統通過仿真調試和實物制作基本上完成了設計要求。

由于知識儲備不足，本設計仍存在一些缺陷：1） 實物制作較為粗糙，在某些細節處理上未能做到位，例如食物運送盤的螺旋槳應緊貼容器壁；2） 語音模塊的異常觸發，設計中應使用上升沿形式觸發并發出語音。但在某些特殊情況下，當控制端接了一根杜邦線而另一端懸空時，語音模塊也會被意外觸發；3） 設計初期考慮加入攝像頭模塊以觀看寵物，但由于知識體系的不足，最終只能選擇舍棄該模塊。本設計在細節上仍有很大的改進空間，未來在參加工作后，豐富知識儲備后將回過頭來完善本次設計，努力將其推向市場。通過此次設計深入了解物聯網，使人們領略到物聯網在生活中的強大之處，科技的進步引領人們過上更加舒適的生活。相信在不久的將來，所有人都能享受到物聯網帶來的便利，所有的小寵物都會擁有更精良的投食器。

參考文獻：

[1] 王岳.野外自動化鴨舍的改進設計與研究[D].沈陽：沈陽農業大學，2016.

[2] 孔愛菊.適用于鴨稻共作技術的野外自動化鴨舍設計與應用研究[D].沈陽：沈陽農業大學，2016.

[3] 白亞梅.智能化的家養寵物喂食器設計[J].電子世界，2021（6）：192-193.

[4] 楊傳升，顧宗磊，劉鳳玲，等.一種小型全自動喂食機[J].科技創新導報，2020，17（7）：66，68.

【通聯編輯：梁書】