基于物聯網技術的新型智能寵物屋設計與研究

摘 要：隨著人們生活水平的提高，寵物作為家庭的一員，其生活質量越來越受到重視。為了改善寵物居住環境，基于物聯網技術開發了一款智能寵物屋。智能寵物屋以STM32F103C8T6單片機控制器為核心，通過傳感器各模塊實現溫度、濕度、有害氣體體積分數等環境參數的檢測；同時實現APP和小屋之間的數據傳輸和交互。通過阿里云建立穩定可靠的數據平臺，實現了云養寵的新模式，利用云平臺的數據存儲和分享功能，寵物主人可以與其他養寵人士進行交流和學習。寵物主人還能隨時隨地通過攝像頭觀察小屋內情況并控制各項功能，如智能投喂、實時監控寵物狀態、紫外線消毒等，從而為寵物提供一個舒適、健康的居住環境。

關鍵詞：智能寵物屋；STM32；紫外燈；物聯網；溫濕度傳感器；APP；云平臺

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）07-00-04

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，人們收入水平顯著提高，消費等級也逐漸上升。在追求高品質生活體驗的過程中，養寵物成為一種潮流，這為智能寵物屋等高端寵物用品提供了市場。智能寵物屋能更好地協助主人照顧寵物，減輕主人負擔，滿足寵物主人對便捷、高效生活的追求。文獻[1]提出了一種新型智能寵物家居的研究與設計方案。該家居系統通過ESP8266芯片連接WiFi，溫濕度傳感器將數據上傳到數據庫供用戶使用。借助數據可視化，用戶可通過手機端查看數據，若溫濕度不在設定區間，系統會自動調節。該產品的創新之處在于借助物聯網技術集成各功能模塊于一體，實現數據可視化，有助于科學照顧寵物。本文在此基礎上基于物聯網技術設計了一款智能寵物屋。該智能寵物屋通過各傳感器模塊采集溫濕度、水和食物的質量等數據，寵物主人通過APP可以控制寵物排泄物收集、智能調溫、智能殺菌、智能監控、智能交互等功能，實現云養寵的新模式。

1 系統總體設計

智能寵物屋的系統總體設計分為兩個部分：實體硬件設計與軟件設計。硬件部分由STM32、傳感器模塊、執行器模塊構成。軟件部分包括云平臺和APP兩部分。云平臺部分：STM32通過通信模塊連接云平臺。APP部分：用戶通過APP與云平臺進行通信，最終實現通過APP接收數據和下發指令到單片機。系統總體設計如圖1所示。

2 功能設計

2.1 溫濕度檢測與調控

DHT11溫濕度傳感器集成度高，能夠同時測量當前環境的溫度與濕度。與分別采用溫度和濕度傳感器采集信息的傳感器節點相比，其電路硬件接口設計更為簡單，只需采用單線制接口就能與控制器相連[2]。該產品的溫濕度檢測依靠DHT11采集溫濕度數據，溫度調控則通過排氣扇實現，用戶可通過APP向單片機下發指令以控制風扇開關。

2.2 飼料與飲用水投喂

ULN2003內部單元結構示意圖如圖2所示。ULN2003具有7對達林頓管，并且每對達林頓管都有一個2.7 kΩ的串聯電阻，在5 V的工作電壓下，它能夠與TTL和CMOS電路相互連接，可直接進行原本需要標準邏輯緩沖器的數據處理[3]。其輸入端直接連接單片機引腳，通過電平控制，輸出端接步進電機，輸入5 V電平，輸出最高可達500 mA/50 V，進而實現對步進電機的控制。

28BYJ-48是一種使用方便、性能（耐壓方面）優越的步進電機。該步進電機工作電壓高、電流大，自帶齒輪減速器，運轉平穩、噪聲低[4]。用戶可通過APP向單片機下發指令，單片機控制ULN2003驅動板驅動28BYJ-48步進電機旋轉，以實現對飼料和水的投喂控制。

2.3 消毒與排泄物收集

紫外燈是一種能發射紫外線（波長范圍在10～400 nm，為可見紫色光以外的一段電磁輻射）的裝置。保持清潔對寵物的健康至關重要，而紫外燈具有強大的殺菌消毒能力且耗能少，所以可采用紫外燈作為殺菌消毒模塊，用戶能夠通過APP控制紫外燈對寵物屋進行消毒殺菌。SG90是一款微型舵機，它尺寸小巧、重量輕、功耗低，精度較高、角度范圍可調節、轉速適中，但扭矩和輸出能力相對較低，適用于精密控制和輕載應用。利用SG90舵機的旋轉來完成排泄物的收集，能夠保持寵物屋干凈衛生，從而預防寵物生病。

OV2640是OmniVision Technologies公司設計的一款高性能圖像處理傳感器。它的像素為200萬，采用CMOS技術，并且支持自動白平衡、自動曝光等控制功能。OV2640具備高性能、低功耗以及優秀的圖像處理能力等優點，所以被廣泛應用于智能家居、醫療設備、無人機等領域。

用戶能夠通過APP控制舵機旋轉逗貓棒來逗貓，從而拉近與寵物的距離，實現遠程互動功能。還可以通過ESP32CAM攝像頭在APP上實時監控寵物屋內的情況。攝像頭和逗貓棒搭配使用，達成與寵物的遠程交互。

3 硬件設計

3.1 ESP32CAM最小系統

由于STM32F103C8T6的軟硬件資源存在限制，該產品的視頻采集功能由OV2640和ESP32CAM共同完成。其中，ESP32CAM與OV2640能夠相互配合，具備圖像傳輸與處理能力。ESP32可通過SPI或I2C接口與OV2640通信，獲取OV2640所捕獲的圖像數據，并且ESP32能夠對這些圖像數據進行一系列處理，如壓縮、編碼、濾波等操作，以此提高圖像質量和傳輸效率[5-7]。

3.2 STM32F103C8T6最小系統

該產品采用72 MHz主頻，此主頻是通過外部8 MHz晶振倍頻得到的。STM32F103C8T6與用于檢測溫濕度、光照強度的傳感器、舵機、風扇等執行器以及ESP8266-01S WiFi通信模塊相連接，電路設計如圖3所示。由于單片機的驅動能力有限，喂食電機、水泵、風扇通過ULN2003D1013TR中轉來增強驅動能力。STM32F103C8T6對傳感器采集的數據進行處理，匯總之后通過ESP8266-01S將數據發送至阿里云平臺；同時，用戶操作命令也經由ESP8266-01S發送至STM32F103C8T6，從而驅動執行器完成相關操作。

3.3 電源電路設計

電源模塊由5 V與3.3 V電壓驅動，其中包含電機等大電流元件。LM2596是一款常用的DC/DC降壓芯片，因此本模塊采用LM2596作為5 V電源。LM2596開關電壓調節器屬于降壓型電源管理單片集成電路，可輸出最大3 A的驅動電流，且具備良好的線性和負載調節特性[8]。

STM32F103C8T6主控等其他模塊需要穩定的3.3 V電源供應，所以使用AMS1117將LM2596產生的5 V電壓降為3.3 V。在電路中，AMS1117與LM2596的輸入與輸出端均并聯電容，以此減少電源噪聲。電源電路設計圖如圖4所示。

3.4 大功率元件電路設計

該產品為實現喂水、喂食和通風功能，選用了多個馬達元件。由于所有功能同時啟動會產生較大功耗，而STM32F103C8T6的I/O口無法直接驅動馬達元件，所以選用ULN2003作為驅動。ULN2003的輸入端直接接單片機的引腳，通過電平控制；輸出端接步進電機。具體連接方式為：使用STM32F103C8T6單片機4個I/O口連接至ULN2003的1～4引腳；喂食器的28BYJ48型步進電機驅動線連接至ULN2003的13～16引腳，電源線連接至5 V電壓。通風功能使用的風扇GND引腳連接至ULN2003的17引腳；喂水功能使用的馬達GND引腳連接至ULN2003的18引腳；ULN2003的5～6引腳連接至STM32F103C8T6。當STM32F103C8T6的對應引腳置低電平時，水泵或風扇會啟動，從而完成換氣功能和加水功能的執行。

4 軟件設計

4.1 嵌入式軟件開發

系統上電后，各模塊進行初始化操作。單片機通過串口向ESP8266-01S發送AT命令，之后等待ESP8266-01S返回“OK”；在此期間，OLED屏顯示“Linking...”。隨后，系統等待ESP8266-01S連接阿里云平臺：若連接成功，OLED屏會顯示一秒智能寵物小屋，然后進入數據顯示界面；若連接失敗，則OLED屏顯示“publish failed”。連接成功后，傳感器采集數據并傳輸給單片機，單片機將數據上傳至阿里云平臺，阿里云平臺再把數據傳給用戶APP，這樣用戶就能在APP上觀察到溫濕度、氣體體積分數、水和食物重量數據的變化。另外，用戶可通過APP上傳命令到阿里云平臺，阿里云平臺會下發指令到單片機，單片機控制執行器，例如風扇、水泵等。系統運行流程如圖5所示。

4.2 APP開發

APP使用的是阿里云飛燕平臺提供的云智能APP，在此平臺可以設計APP的頁面、顏色以及關聯的產品。APP顯示溫濕度、食物和水的重量、氣體體積分數數據以及各執行器的狀態。用戶可使用APP與單片機通信，從而控制喂養裝置和排泄物清理裝置，在APP上可隨時觀察寵物的活動狀態。為了可以實時監控寵物的活動狀態，該系統采用物聯網技術，由ESP8266與云平臺通信，并將硬件系統各層的協議和接口相互結合。硬件系統通過WiFi連接模式創建數據熱點，通過APP連接硬件，實現終端控制，并顯示寵物的狀態及寵物屋的相關數據信息[9]。APP界面如圖6所示。

4.3 云平臺開發

阿里云物聯網平臺功能強大，旨在助力企業融合設備數據與應用數據，推動設備智能化升級。該平臺擁有諸多能力，如設備管理、數據安全通信、消息訂閱和數據服務等。它支持海量設備連接，具備高性能、高可靠、高安全的優勢。平臺提供豐富的設備端SDK驅動和軟件包，方便不同設備、網關輕松接入。其設備端SDK支持MQTT、CoAP、HTTP/HTTPS等多種協議。此外，平臺還具備完整的設備生命周期管理功能，涵蓋設備注冊、功能定義、數據解析、在線調試、遠程配置、固件升級、遠程維護、實時監控、分組管理、設備刪除等功能[10]。

云平臺采用的是阿里云平臺。它具有多種功能：一方面，可接收單片機上傳的數據或向單片機下發指令；另一方面，能夠下發數據或接收APP發出的命令，相當于一個數據中轉站，起到“橋梁”的作用。阿里云平臺利用MQTT協議接入阿里云。MQTT是基于TCP/IP協議棧構建的異步通信消息協議，屬于一種輕量級的發布、訂閱信息傳輸協議[11]。具體而言，單片機通過WiFi通信模塊連接阿里云，將寵物屋內的各種數據（如溫濕度、光照強度、食物和水的質量等）實時上傳至阿里云平臺。阿里云平臺會對這些數據進行存儲和分析。之后，平臺再將相關指令下發到單片機，單片機依據接收到的指令控制執行器開展相應操作，例如調節LED燈的亮度、控制舵機開關門窗、啟動水泵為寵物供水等。

5 系統測試

測試結果顯示，智能寵物屋可精確獲取寵物屋內溫濕度、水和食物質量等信息。用戶能通過APP知曉寵物屋的數據信息，還能查看寵物屋內執行器是否啟動。經測試與檢驗，寵物屋數值準確。智能寵物屋實物與測試效果圖如圖7所示。

6 結 語

在物聯網技術與智能家居興起的大背景下，本文針對寵物主人在養寵過程中遇到的難題，并結合寵物的現實生活特征習性，設計了一款智能寵物屋。該寵物屋能夠實現溫濕度檢測、有害氣體檢測、智能投喂、智能清理排泄物、智能控溫、智能遠程逗貓、紫外線消毒等功能，旨在打造一個讓寵物主人放心、滿意的產品，為每一位寵物提供最好的關懷與照顧。

參考文獻

[1]范嘉欣，劉天琪，趙林林，等.新型智能寵物家居的研究與設計[J].福建電腦，2022，38（12）：89-93.

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[10]楊尚瑜，張笑.基于阿里云物聯網平臺的智慧校園系統設計與實現[J].計算機產品與流通，2020（3）：82.

[11]張文彪，何亮，張俊輝，等.基于傳感和互聯技術的智慧鄉村綜合信息監管系統研發[J].電子制作，2024，32（6）：99-102.

收稿日期：2024-05-01 修回日期：2024-06-04

作者簡介：盧科宇（2003—），男，研究方向為物聯網工程。

黃天翔（2003—），男，研究方向為物聯網工程。

李惜源（2003—），男，研究方向為物聯網工程。

駱 怡（2004—），女，研究方向為數據科學與大數據技術。

朱敏如（2003—），女，研究方向為工商管理。