基于STM32的智能寵物項圈系統設計

摘要：為了幫助人們更好地飼養和管理寵物，設計一個智能寵物項圈系統顯得尤為必要。系統采用STM32單片機作為主控芯片，結合多種傳感器實現對寵物心率、血氧飽和度、體溫等數據的實時監測，數據異常時則通過短信將相關信息發送至主人手機，并對寵物位置進行跟蹤定位，利用Wi-Fi 技術將數據發送至云服務平臺，并顯示在手機APP 上。同時結合射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術實現對寵物年齡、疫苗接種情況以及主人聯系方式的寫入與讀取，實現智能寵物項圈的基本設計目標。

關鍵詞：STM32；GPS 定位；寵物健康；RFID 技術

中圖分類號：TN92；TP277 文獻標識碼：A

0 引言

隨著人們物質生活水平的不斷提高，對精神生活的追求也越來越豐富，飼養寵物已經成為很多家庭的精神追求之一。但是在飼養過程中，當寵物出現不適時不容易被發現，寵物戶外活動時容易走失，這些給寵物主人帶來很多擔憂和困擾。此外，隨著寵物數量的增加，寵物的管理也存在較大的問題[1]。因此，開發一種面向寵物健康監測、定位以及管理的智能寵物項圈顯得尤為必要。

1 系統總體設計方案

智能寵物項圈選用STM32 芯片作為核心來實現相關信息的發送等核心功能。系統的工作流程如下： 全球定位系統（global positioning system，GPS）功能模塊實時動態傳輸采集的數據，項圈采用Wi-Fi 技術與手機APP 連接，利用全球移動通信系統（global system for mobile communications，GSM）進行遠程通信，并及時將信息發送至手機，以提醒寵物主人關注寵物的健康狀態。主人通過手機APP 自動獲取寵物的各項信息，利用射頻識別（radio frequency identification，RFID）技術實現電子寵物證功能，系統總體設計方案如圖1 所示。

2 智能寵物項圈硬件設計

智能寵物項圈選用STM32 芯片作為核心板，采用MAX30102 心率血氧傳感器測量寵物的心率、血氧飽和度；DS18B20 溫度傳感器負責測量寵物的體溫；NEO-6M GPS 負責定位寵物位置信息[2]；有機發光二極管（organic light-emitting diode，OLED）顯示屏用于實時顯示寵物身體狀況數據和位置信息；RC522 刷卡模塊實現電子寵物證功能；蜂鳴器實現報警功能；利用SIM800C 通信模塊實現短信通知；ESP8266-01s Wi-Fi 模塊實現項圈和手機APP 的無線通信功能。

2.1 智能寵物項圈模塊設計

2.1.1 STM32 單片機核心電路設計

本設計的主控芯片采用STM32 單片機。STM32 單片機具有高性能、低功耗的特點，其不但運行速度快，還自帶2 個模數轉換器（analog todigital converter，ADC），具有強大的通信功能和控制功能。同時，STM32 還具有5 個串口進行通信，對一些要求用串口進行通信的模塊就無須通過CD4052 等雙串口模塊來轉換，而且STM32 單片機具有強大的開發工具支持和豐富的軟件資源。

2.1.2 心率血氧模塊

本設計選用MAX30102 高性能傳感器來監測寵物心率和血氧飽和度，其具有精度高、穩定性好和功耗低等特點，適用于便攜式設備。

該傳感器使用1.8 V 電源和一個獨立的3.3 VLED 電源開關，帶有標準兼容通信接口。

2.1.3 體溫檢測模塊

本設計選用DS18B20 溫度傳感器，其可以輸出數字信號，具有體積小、材料成本低、抗噪能力強、精度高等特點。其獨特的1-Wire 協議接口，簡化了分布式溫度傳感應用，還可以用數據總線供電，供電電壓為3.0 ～ 5.5 V，測量溫度范圍為-55 ～ 125°C，在-10 ～ 85 °C 內的溫度測量精確度為± 0.5°C。

2.1.4 OLED 顯示屏與蜂鳴器報警模塊

OLED 顯示屏具有高分辨率、超大可視視角、超低功耗等優點，用于實時顯示寵物身體狀況的各項信息變化。蜂鳴器可以在數據異常或位置信息異常時進行報警。

2.1.5 GPS 定位模塊

本設計選用信號為NEO-6M 的GPS 作為定位設備模塊[3]。該模塊體積小巧、性能優異，具有高精度和低功耗的優點，同時還具有50 個通道，追蹤靈敏度高達-161 dBm，測量輸出頻率最高達5 Hz。此外，該模塊可以快速獲取衛星信號并進行定位，這使其在實際應用中表現良好。定位模塊自帶可充電后備電池，可以實現數據的掉電存儲。通過接收來自衛星的無線信號，計算衛星的位置和時鐘信息，然后使用三角定位等技術，可計算出模塊所在的地理位置。

圖2 為GPS 定位模塊電路圖。PPS 作為時鐘脈沖輸出引腳，RXD 作為串口接收引腳可接單片機的TXD，TXD 作為串口發送引腳可接單片機的RXD，GND 接地，VCC 接3.3 ～ 5.0 V 電壓。

2.1.6 電子寵物證模塊

RC522 模塊具有高度集成化和高度穩定性的特點，能夠提供完整的射頻讀寫功能且能保證穩定可靠的通信和數據傳輸。其工作頻率為13.56 MHz，具有低功耗特性，可以在待機模式下降低功率消耗，并且作為RFID 卡的讀寫器，該模塊通過射頻信號與外部射頻卡進行通信，從而實現射頻識別功能。其讀取距離一般為5 ～ 10 cm，在本設計中發揮電子寵物證的作用。

2.2 智能寵物項圈通信功能設計

2.2.1 GSM 短信模塊

本設計采用SIM800C 通信模塊實現寵物項圈和手機的信息通信[4]。向手機發送寵物的各項身體數據和位置信息，后續的報警也會涉及該模塊。該模塊體積小巧、功耗較低，支持1.8 V 和3 V SIM 卡。其供電電壓為5 V，工作溫度為-40 ～ 85℃，存儲溫度為-45 ～ 90℃。

2.2.2 Wi-Fi 通信模塊

本設計采用ESP8266-01s Wi-Fi 通信模塊。該模塊內置32 位處理器，主頻為80 MHz，支持多種外設接口，具有尺寸小巧和低功耗等特點。該模塊通過通用異步收發器（universal asynchronousreceiver/transmitter，UART）串口與主控制器進行通信，使用AT 指令集作為通信協議[5]。主控制器可以通過發送AT 指令給ESP8266-01s Wi-Fi 通信模塊來控制Wi-Fi 連接、數據傳輸和網絡配置。圖3為ESP8266-01s Wi-Fi 通信模塊電路圖。

3 智能寵物項圈系統軟件設計

智能寵物項圈系統軟件設計基于Keil 5 集成開發環境，采用C 語言作為開發語言。Keil 5 界面簡潔，易于使用，使用戶可以更加專注于代碼的編寫和調試。

3.1 系統總體流程設計

系統總體設計流程如圖4 所示。首先，對系統中各個模塊進行初始化并與核心板建立聯系；其次，分析各個模塊需要實現的功能，再進行相應程序的編寫與調試，程序編寫完畢后，進行硬件的選擇和焊接；最后，注入程序，實現系統的總體設計。

3.2 數據采集系統設計

如圖5 所示，在數據采集的過程中，首先，對傳感器進行初始化；其次，讀取測量數據，判斷是否正常，如果異常則重新測量，如果數據正常則進行下一步；最后，判斷數據是否超過設定的范圍，如果超出范圍將會觸發報警，未超出范圍則上傳數據并保存，同時在手機APP 顯示。

4 系統測試

在測試系統時，根據系統的功能創建一個合適的測試環境。本系統的系統測試包括數據采集功能測試和通信功能測試。

4.1 數據采集功能測試

利用相應的模塊測量寵物的心率、血氧以及體溫。將設計完成的智能項圈給寵物穿戴，當傳感器的感應部分捕捉到經皮膚反射的光，通過測量血液對不同波長光的吸收情況，從而計算出血氧飽和度和心率值。而體溫測量則可以直接讀取傳感器測量的溫度。正常情況下，寵物的心率值為70 ～120 次/min，正常體溫為37.0 ～ 39.2°C，因此系統設置溫度不高于40°C，當超過40°C 時，則觸發蜂鳴器報警，同時手機會接收到提醒信息。測試結果顯示，系統各項功能均滿足設計要求。

4.2 通信功能測試

本文測試了系統的信息能否上傳云平臺以及手機APP，在云平臺端可以查看多個時間段的寵物身體數據和位置信息，而手機可以實時查看數據，并且接收報警信息。

當寵物的活動范圍超過設定的范圍或者寵物身體數據異常時，項圈會給手機發送信息提醒，并且觸發蜂鳴器報警。此外，通過手機發送特定信息也可以主動獲取寵物當前狀態下的數據，實現項圈和手機APP 的雙向通信。

5 結論

本文以STM32F108C8T6 為核心板，首先通過對比不同的無線通信方式，確定本系統采用Wi-Fi無線通信技術。其次，根據本系統所涉及的GSM短信模塊、心率血氧模塊、體溫檢測模塊、OLED顯示屏模塊、GPS 定位模塊、蜂鳴器報警模塊、電子寵物證模塊等模塊，通過云平臺和智能手機的應用，實現對寵物的健康監測以及定位功能，同時，當數據異常和位置超出范圍時，也會觸發報警。最后，經過多次測試，本系統性能穩定，適合在多種情境下使用，并且實現了設計的要求與功能。

參考文獻

[1] 王亞文，趙翠. 基于SSM 框架的社區寵物信息管理系統設計與分析[J]. 電腦編程技巧與維護，2021（1）：103-105.

[2] 王藝軒. 情感交流下的寵物犬智能穿戴產品設計研究[D]. 武漢：武漢紡織大學，2021.

[3] 舒志鵬. 基于深度學習的無線定位技術的研究與應用[D]. 北京：北京郵電大學，2023.

[4] 魚瑜，吳明亮，張來喜，等. 多傳感器融合定位方法探討[J]. 導航定位學報，2023，11（5）：151-163.

[5] 易琦. 基于大數據用戶需求分析與寵物應激實驗的寵物貓航空箱設計[D]. 上海：東華大學，2023.