基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能寵物看護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：當(dāng)前市場(chǎng)上智能寵物相關(guān)產(chǎn)品數(shù)量繁多、功能單一，不同品牌的產(chǎn)品之間使用不同標(biāo)準(zhǔn)，在寵物原養(yǎng)護(hù)環(huán)境上進(jìn)行智能化改造難以實(shí)現(xiàn)。基于STM32單片機(jī)搭載ESP8266模塊的智能寵物看護(hù)系統(tǒng)旨在解決智能寵物養(yǎng)護(hù)的痛點(diǎn)。系統(tǒng)基于ESP8266模塊建立無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，將硬件模塊上傳感器收集的數(shù)據(jù)采用MQTT協(xié)議上傳至OneNET云平臺(tái)，用戶(hù)可以登錄Web客戶(hù)端對(duì)寵物環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智能寵物；看護(hù)系統(tǒng)；STM32；ESP8266；OneNET

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.44；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）06-0-04

0 引 言

隨著我國(guó)移動(dòng)智能設(shè)備、5G技術(shù)等的發(fā)展，人類(lèi)不僅獲益良多，寵物也從中受益，智能設(shè)備開(kāi)始在寵物界流行，我國(guó)進(jìn)入智能養(yǎng)寵時(shí)代。寵物市場(chǎng)快速增長(zhǎng)受多方面因素共同影響，包括國(guó)家政策、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)因素及技術(shù)驅(qū)動(dòng)等。根據(jù)寵物用品消費(fèi)者偏好調(diào)查，現(xiàn)階段養(yǎng)寵的主要矛盾在于寵物主盼望在有限的個(gè)人可支配時(shí)間內(nèi)，解放雙手并且給予寵物充足的情感陪伴，越來(lái)越多的消費(fèi)者注重智能化養(yǎng)寵。在受調(diào)查的人群中，我國(guó)40.3%的消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)過(guò)智能寵物設(shè)備，59.7%的消費(fèi)者未曾購(gòu)買(mǎi)過(guò)智能寵物設(shè)備，而其中大部分人沒(méi)有使用智能產(chǎn)品的原因在于當(dāng)前市場(chǎng)上寵物智能養(yǎng)護(hù)產(chǎn)品價(jià)格昂貴、功能單一并且需要置換傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)環(huán)境，容易造成不必要的浪費(fèi)[1-3]。

在這個(gè)背景下，提出基于STM32單片機(jī)[4]搭載ESP8266模塊搭建智能寵物看護(hù)系統(tǒng)。本課題將研究一種低成本、易操作、無(wú)需置換現(xiàn)有寵物養(yǎng)護(hù)環(huán)境的智能系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)寵物養(yǎng)護(hù)環(huán)境的改造。

1 研究現(xiàn)狀

2019年京東集團(tuán)發(fā)布的關(guān)于京東商城寵物消費(fèi)預(yù)測(cè)中提到：“智能養(yǎng)寵”將會(huì)成為未來(lái)寵物消費(fèi)的主流。近年來(lái)，智能寵物產(chǎn)品多次成為國(guó)際展覽會(huì)的焦點(diǎn)，智能寵物產(chǎn)品受關(guān)注程度表明產(chǎn)品智能化將會(huì)成為未來(lái)各寵物產(chǎn)品商家所追逐的重要目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)智能養(yǎng)寵的關(guān)鍵在于解決兩個(gè)問(wèn)題：一是產(chǎn)品的人性化，二是產(chǎn)品的智能化，這兩方面因素將會(huì)成為未來(lái)寵物主挑選智能寵物設(shè)備時(shí)所考慮的重要指標(biāo)。

縱觀國(guó)內(nèi)寵物智能產(chǎn)品企業(yè)的發(fā)展歷程，發(fā)現(xiàn)一些以“智能寵物設(shè)備”為核心的企業(yè)成立時(shí)間較早，如多尼斯于2003年在國(guó)內(nèi)成立，于2017年12月在美國(guó)上市，是中國(guó)首家在智能寵物領(lǐng)域推廣寵物智能生態(tài)概念的企業(yè)。國(guó)內(nèi)智能寵物產(chǎn)品生產(chǎn)商具有顯著優(yōu)勢(shì)，其打造的產(chǎn)品功能模塊多樣，覆蓋面廣，涵蓋了寵物的“吃喝住行樂(lè)”，可以說(shuō)是“亮點(diǎn)紛呈”。與國(guó)內(nèi)企業(yè)相比，國(guó)外寵物智能產(chǎn)品制造商主打的產(chǎn)品功能類(lèi)型較為單調(diào)，但其更注重對(duì)企業(yè)品牌的締造和宣傳。例如，主攻寵物跟蹤設(shè)備的企業(yè)巨頭Whistle和FitBark，兩者均在海外具有較高的知名度。

2021年7月14日，中國(guó)央視財(cái)經(jīng)網(wǎng)發(fā)文稱(chēng)中國(guó)人均單只寵物年消費(fèi)為6 653元，養(yǎng)寵進(jìn)入智能時(shí)代引起了人們的關(guān)注。近年來(lái)，隨著智能設(shè)備、5G等行業(yè)的發(fā)展，智能寵物用品也開(kāi)始在我國(guó)養(yǎng)寵人群中流行起來(lái)，同時(shí)，我國(guó)養(yǎng)寵人群呈現(xiàn)年輕化趨勢(shì)，年輕人對(duì)智能設(shè)備的接受程度較高，也加速了我國(guó)智能養(yǎng)寵行業(yè)的發(fā)展。2020年，中國(guó)智能養(yǎng)寵產(chǎn)品的數(shù)量較2019年增長(zhǎng)136%，金額較2019年增長(zhǎng)47%，用戶(hù)數(shù)較2019年增長(zhǎng)43%，究其原因在于2020年正是新冠病毒肆虐的一年，而此次隔離使得許多寵物主被迫與寵物分離，讓許多寵物主更加意識(shí)到對(duì)寵物陪伴的重要性，從而極大程度地推動(dòng)了智能寵物產(chǎn)品數(shù)量、金額和用戶(hù)數(shù)量的增長(zhǎng)。整體來(lái)看，未來(lái)我國(guó)智能養(yǎng)寵行業(yè)發(fā)展前景較好[5-6]。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

在綜合分析各類(lèi)電子器件以及技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，將本系統(tǒng)分為3個(gè)層次：硬件端、OneNET云平臺(tái)、Web客戶(hù)端。硬件端包括感知層與傳輸層，OneNET云平臺(tái)對(duì)應(yīng)服務(wù)層，Web客戶(hù)端則對(duì)應(yīng)用戶(hù)層[7-8]。

硬件端是基于STM32單片機(jī)搭載ESP8266模塊研發(fā)的一款安裝方便、配置簡(jiǎn)單，同時(shí)可手動(dòng)和自動(dòng)操作，使得傳統(tǒng)寵物養(yǎng)護(hù)實(shí)現(xiàn)智能化改造的硬件模塊[9]。硬件模塊通過(guò)內(nèi)置的ESP8266模塊連接WiFi實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，而一旦完成了聯(lián)網(wǎng)，就能與服務(wù)器通信。通過(guò)與服務(wù)器通信，該模塊便能將各類(lèi)傳感器獲得的數(shù)據(jù)以MQTT協(xié)議的方式封裝成消息發(fā)布到MQTT服務(wù)器。

OneNET云平臺(tái)服務(wù)器后臺(tái)程序監(jiān)聽(tīng)MQTT服務(wù)器消息，保存當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)并對(duì)數(shù)據(jù)做出解析處理后在Web客戶(hù)端顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

Web客戶(hù)端的控制操作是向OneNET云平臺(tái)的服務(wù)器后臺(tái)程序發(fā)送指令，服務(wù)器后臺(tái)將接收的指令以MQTT協(xié)議方式封裝成消息發(fā)布至MQTT服務(wù)器，ESP8266 WiFi模塊將會(huì)對(duì)MQTT服務(wù)器上的消息進(jìn)行消費(fèi)，同時(shí)根據(jù)Web客戶(hù)端發(fā)送的指令對(duì)相應(yīng)終端執(zhí)行器件做出控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制[10]。

感知層負(fù)責(zé)采集寵物生存環(huán)境數(shù)據(jù)，并對(duì)MQTT服務(wù)器發(fā)送的消息指令做出回應(yīng)；傳輸層由ESP8266 WiFi模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，前端通過(guò)HTTP協(xié)議調(diào)用與OneNET云服務(wù)器后臺(tái)程序相應(yīng)接口完成對(duì)寵物養(yǎng)護(hù)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其他對(duì)硬件端的控制操作都需要將指令發(fā)布到MQTT服務(wù)器，由硬件端訂閱接收；服務(wù)層選擇由中國(guó)移動(dòng)打造的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)—OneNET作為服務(wù)端，主要工作是對(duì)OneNET資源模型中的產(chǎn)品、設(shè)備、數(shù)據(jù)流進(jìn)行高效管理；用戶(hù)層采用Web客戶(hù)端的形式呈現(xiàn)，避免了移動(dòng)端適配的問(wèn)題以及用戶(hù)使用需下載安裝的煩惱，通過(guò)OneNET云平臺(tái)登錄Web客戶(hù)端，實(shí)現(xiàn)對(duì)寵物生活環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能寵物看護(hù)系統(tǒng)硬件端將分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別對(duì)STM32主控器模塊、ESP8266 WiFi通信模塊、按鍵設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、OLED顯示模塊和終端執(zhí)行模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。硬件端實(shí)物如圖2所示。

3.1 STM32主控器模塊

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用型號(hào)為STM32F103C8T6的單片機(jī)作為主控器，該單片機(jī)是一款微處理器芯片，其內(nèi)核采用ARMCortex-M3 32位RISC，具有功耗低、體積小和速度快等特點(diǎn)，同時(shí)該單片機(jī)采用程序模塊化設(shè)計(jì)，讓編程更加簡(jiǎn)單快捷。在STM32主控器設(shè)計(jì)中將復(fù)位電路直接接入上拉電阻，硬件設(shè)備通電穩(wěn)定后單片機(jī)不再自動(dòng)復(fù)位，如果需要復(fù)位，斷電后再啟動(dòng)系統(tǒng)。

3.2 ESP8266 WiFi模塊

ESP8266是一款專(zhuān)為移動(dòng)設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的芯片，硬件接口豐富，其CPU最高可達(dá)160 MHz，適合小量數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。ESP8266芯片共有STA、AP、STA+AP三種不同的工作模式，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，ESP8266 WiFi模塊需要連接其他AP熱點(diǎn)，完成與互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信，因此選擇STA作為ESP8266 WiFi通信模塊的工作模式。工作在STA模式下的ESP8266屬于客戶(hù)端，需要通過(guò)接收來(lái)自路由器發(fā)出的信號(hào)來(lái)連接互聯(lián)網(wǎng)，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。

3.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括DHT11溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、水位傳感器、壓力傳感器。DHT11溫濕度傳感器內(nèi)部含有一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，是一款已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。光照強(qiáng)度傳感器主體是一個(gè)光敏電阻，由半導(dǎo)體材料制成，其工作原理是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。水位傳感器是一款簡(jiǎn)單易用、性?xún)r(jià)比高的水位檢測(cè)傳感器，其工作原理是通過(guò)一串暴露的平行導(dǎo)線來(lái)測(cè)量其水量大小從而判斷水位，同時(shí)能快速將水量轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)。壓力傳感器上下表面的應(yīng)變片內(nèi)各有2個(gè)電阻，由此組成全橋式電路來(lái)提高測(cè)量精度。

3.4 按鍵設(shè)置模塊

按鍵設(shè)置模塊主要是在系統(tǒng)通電后，對(duì)溫濕度、光照強(qiáng)度、水位值、壓力值進(jìn)行臨界值設(shè)置，設(shè)置完成后，存儲(chǔ)預(yù)設(shè)值。當(dāng)環(huán)境溫度大于預(yù)設(shè)溫度閾值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)扇；當(dāng)環(huán)境濕度或水位值低于水位預(yù)設(shè)閾值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)水泵；當(dāng)壓力值低于預(yù)設(shè)壓力值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。

3.5 終端執(zhí)行模塊

終端執(zhí)行模塊包含的電子器件有：小燈泡、風(fēng)扇、水泵和蜂鳴器。選擇LED小燈泡來(lái)模擬燈光的亮暗，選擇CJY6020風(fēng)扇來(lái)模擬實(shí)際溫度過(guò)高時(shí)通風(fēng)機(jī)開(kāi)啟，選擇DC3W迷你微型小水泵模擬濕度和水位值過(guò)低時(shí)加濕器開(kāi)啟。一方面，OneNET服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后會(huì)自動(dòng)向硬件端發(fā)送指令；另一方面，用戶(hù)也可以根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)情況通過(guò)Web端手動(dòng)遠(yuǎn)程控制終端執(zhí)行器件。終端執(zhí)行模塊程序流程如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在連接電源后開(kāi)始運(yùn)行，首先完成硬件設(shè)備的初始化工作，包括STM32單片機(jī)的內(nèi)部各模塊，如串口、時(shí)鐘以及ADC等。隨后ESP8266 WiFi模塊開(kāi)始進(jìn)行初始化，包括模塊復(fù)位，與路由器連接建立無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接成功后，緊接著對(duì)MQTT客戶(hù)端完成基本配置，與MQTT服務(wù)器建立連接。完成連接后，硬件端的傳感器模塊開(kāi)始工作，將采集的數(shù)據(jù)在OLED液晶屏上顯示，同時(shí)經(jīng)過(guò)發(fā)送主題的方式上傳到OneNET云平臺(tái)服務(wù)器。系統(tǒng)也在不間斷檢測(cè)OneNET云平臺(tái)下發(fā)的數(shù)據(jù)，在對(duì)數(shù)據(jù)解析處理后對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行反向控制，查看是否需要對(duì)小燈泡、風(fēng)扇、水泵進(jìn)行啟停。為保證正常的網(wǎng)絡(luò)連接，系統(tǒng)還會(huì)依據(jù)發(fā)送的掉線指令進(jìn)一步判斷系統(tǒng)服務(wù)器是否掉線，一旦判斷設(shè)備掉線則重啟ESP8266 WiFi通信模塊，初始化后連接到OneNET云服務(wù)器；反之，如果設(shè)備一直在線則會(huì)周而復(fù)始地上傳采集的數(shù)據(jù)，當(dāng)寵物所生活環(huán)境的實(shí)際數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)設(shè)值的觸發(fā)條件，就會(huì)自動(dòng)控制終端執(zhí)行設(shè)備。另一種情況則是循環(huán)檢測(cè)OneNET云平臺(tái)和Web客戶(hù)端是否下發(fā)控制指令，進(jìn)行手動(dòng)控制。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

4.1 MQTT傳輸協(xié)議

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，ESP8266 WiFi通信模塊通過(guò)MQTT協(xié)議連接到OneNET云平臺(tái)，數(shù)據(jù)的獲取和發(fā)布在硬件端設(shè)備完成。硬件端設(shè)備先與代理服務(wù)器建立連接，隨后向OneNET云平臺(tái)發(fā)送連接請(qǐng)求，完成授權(quán)確認(rèn)后，終端服務(wù)器根據(jù)MQTT的格式對(duì)發(fā)布主題和消息內(nèi)容進(jìn)行封裝，在數(shù)據(jù)上傳到OneNET云平臺(tái)的代理服務(wù)器后返回確認(rèn)信息，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布。MQTT通信程序流程如圖5所示。

4.2 OneNET云平臺(tái)

OneNET云平臺(tái)是由中國(guó)移動(dòng)基于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)打造的生態(tài)平臺(tái)，可以在設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之間完成快速、平穩(wěn)、安全的連接。平臺(tái)在提供豐富的API接口的同時(shí)為各種硬件設(shè)備及傳感器提供了高效的接入服務(wù)，同時(shí)還提供了豐富的組件庫(kù)，開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)需求將數(shù)據(jù)以不同的形式展示，保證數(shù)據(jù)可視化的同時(shí)讓界面保持簡(jiǎn)潔、美觀。Web客戶(hù)端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和控制界面如圖6所示。產(chǎn)品與設(shè)備創(chuàng)建成功后，進(jìn)一步創(chuàng)建數(shù)據(jù)流，分為終端執(zhí)行器件數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)流。

終端執(zhí)行器件數(shù)據(jù)流包括風(fēng)扇數(shù)據(jù)流fan；燈泡數(shù)據(jù)流light；水泵數(shù)據(jù)流water。數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)流包括溫度數(shù)據(jù)流lltemp、濕度數(shù)據(jù)流llhumi、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)流lllevel、水位值數(shù)據(jù)流llshui、壓力值數(shù)據(jù)流llhx。

5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

將系統(tǒng)接入電源后等待STM32主控器初始化數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行通信測(cè)試，打開(kāi)手機(jī)熱點(diǎn)，設(shè)置密碼，系統(tǒng)通電并完成初始化后與手機(jī)熱點(diǎn)連接。連接成功后就可進(jìn)行功能測(cè)試，登錄OneNET云平臺(tái)，進(jìn)入應(yīng)用管理中的Web客戶(hù)端界面，實(shí)時(shí)觀測(cè)智能寵物看護(hù)系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)。經(jīng)過(guò)對(duì)比，數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)與實(shí)際環(huán)境數(shù)據(jù)一致，通過(guò)相應(yīng)操作遠(yuǎn)程控制終端執(zhí)行設(shè)備啟停。另外一種方式是當(dāng)寵物所生活的環(huán)境實(shí)際數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)設(shè)值觸發(fā)條件，系統(tǒng)自動(dòng)控制終端執(zhí)行設(shè)備啟停。系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果表明，智能寵物看護(hù)系統(tǒng)功能正常，運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)速度快，可以滿(mǎn)足用戶(hù)需求。

6 結(jié) 語(yǔ)

論文基于STM32單片機(jī)搭載ESP8266模塊搭建了智能寵物看護(hù)系統(tǒng)，主要分成硬件端、OneNET云平臺(tái)、前端。前端采用Web客戶(hù)端的形式呈現(xiàn)，避免了移動(dòng)端適配問(wèn)題以及用戶(hù)使用需下載安裝的煩惱，同時(shí)方便了開(kāi)發(fā)者的部署、升級(jí)和維護(hù)等。OneNET云平臺(tái)可以適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及協(xié)議類(lèi)型，同時(shí)為各類(lèi)傳感器、終端設(shè)備提供了快速接入服務(wù)及大數(shù)據(jù)服務(wù)。此外，平臺(tái)提供了豐富的API模板，可以有效降低系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)和部署成本。硬件端使用STM32單片機(jī)搭載ESP8266模塊，在硬件端的功能實(shí)現(xiàn)上，同樣以模塊化思想將各功能細(xì)分，使后續(xù)功能拓展更加簡(jiǎn)單。Web客戶(hù)端使用HTTP協(xié)議調(diào)用服務(wù)器后臺(tái)程序相應(yīng)接口完成對(duì)寵物養(yǎng)護(hù)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而硬件端與OneNET云服務(wù)器之間的通信使用MQTT，減少了通信時(shí)的首部開(kāi)銷(xiāo)，提高了通信效率。總體而言，本系統(tǒng)在功能實(shí)現(xiàn)上以分層、分模塊的思想極大地降低了代碼耦合度。文中針對(duì)目前智能寵物市場(chǎng)普遍存在的問(wèn)題提供了解決方案，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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基金項(xiàng)目：惠州學(xué)院博士研究基金資助項(xiàng)目（2018JB021）

作者簡(jiǎn)介：齊 海（1978—），男，天津人，本科，工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

張 丹（1979—），女，黑龍江望奎人，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、智能計(jì)算。