基于STM32和TLINK云平臺的智能寵物喂食系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為滿足人們可以遠(yuǎn)程進行寵物喂養(yǎng)的需求，文章提出了一種基于STM32F103微控制器和TLINK物聯(lián)網(wǎng)云平臺的智能寵物喂食系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了ESP8266模塊，通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接至TLINK物聯(lián)網(wǎng)云平臺。用戶可以在該平臺提供的微信小程序上進行遠(yuǎn)程投喂控制。系統(tǒng)采用SG90伺服電機控制投喂動作的開啟與關(guān)閉，并使用由應(yīng)變式壓力傳感器和HX711芯片組成的重量檢測模塊實時監(jiān)測剩余食物量，幫助用戶了解寵物進食情況。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)各項功能均可順利實現(xiàn)。整套系統(tǒng)通過TLINK云平臺與微信應(yīng)用互聯(lián)，用戶無須安裝額外應(yīng)用程序，顯著提升了設(shè)備的靈活性與便捷性。

關(guān)鍵詞：喂食系統(tǒng)；STM32；云平臺；ESP8266；微信應(yīng)用

中圖分類號：TP311

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）13-0109-05

0引言

隨著居民消費水平的不斷提高，寵物經(jīng)濟呈現(xiàn)顯著增長。伴隨著寵物行業(yè)的火爆，傳統(tǒng)喂養(yǎng)方式與現(xiàn)代社會工作要求的矛盾日益凸顯。許多寵物主人因工作繁忙而無法及時喂養(yǎng)寵物。部分飼養(yǎng)者擔(dān)心寵物挨餓，選擇在外出前一次性過量投放食物，這種不合理的喂養(yǎng)行為極有可能導(dǎo)致寵物暴飲暴食，長此以往，造成嚴(yán)重的健康問題[1]。為解決這一問題，寵物喂食設(shè)備應(yīng)運而生。這些設(shè)備可以根據(jù)飼養(yǎng)者的設(shè)置，在預(yù)定的時間內(nèi)定量投喂食物。目前，智能化的寵物喂食裝置正成為智能家居領(lǐng)域的一項研究熱點。

王瑾等[2]提出了一種基于AT89S52單片機的寵物喂食器控制系統(tǒng)，雖然可以實現(xiàn)定時供食和靈活調(diào)節(jié)食物量，但該系統(tǒng)缺乏無線通信模塊，因此無法進行遠(yuǎn)程控制；湯文祺等[3]提出一種基于STM32與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的寵物自動喂食器，可幫助用戶遠(yuǎn)程設(shè)置喂食時間與食物量，但其需要在專用的移動端應(yīng)用程序上操作，增加了設(shè)備使用的學(xué)習(xí)成本。

針對現(xiàn)有寵物喂食設(shè)備的不足，本文提出了一款基于TLINK開放物聯(lián)網(wǎng)云平臺的智能化寵物喂食系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103ZET6作為主控芯片，通過ESP8266Wi-Fi模塊連接至TLINK物聯(lián)網(wǎng)云平臺。系統(tǒng)用戶可在TLINK平臺上綁定自己的微信號，通過平臺提供的微信小程序?qū)崟r控制投喂并查看食物剩余量，而無須下載其他應(yīng)用程序。此外，用戶還可設(shè)置提醒閾值，如果剩余食物量小于閾值，該平臺會通過微信推送對用戶進行遠(yuǎn)程提示。整套系統(tǒng)功能完善，結(jié)合了流行的微信應(yīng)用，使用方便快捷，充分滿足了寵物飼養(yǎng)者進行遠(yuǎn)程控制的需求。

1系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本文設(shè)計的智能寵物喂食系統(tǒng)的整體方案如圖1所示。系統(tǒng)前端設(shè)備包括主控模塊、重量檢測模塊、喂食控制模塊、Wi-Fi通信模塊、電源模塊、按鍵模塊和顯示模塊。云端服務(wù)器采用了物聯(lián)網(wǎng)云平臺TLINK，該平臺為各類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接和管理提供了全面的解決方案，并且可以與用戶微信進行交互，因此本系統(tǒng)設(shè)計中采用了TLINK提供的手機微信小程序作為用戶終端。在設(shè)備使用時，系統(tǒng)通過主控模塊驅(qū)動喂食控制模塊完成食物投喂，同時以重量檢測模塊實時監(jiān)測食物余量，Wi-Fi通信模塊則負(fù)責(zé)通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，將系統(tǒng)接入TLINK平臺。TLINK平臺可設(shè)置與用戶微信進行綁定[4]，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程交互，用戶在手機端通過微信應(yīng)用即可開啟投喂并獲知剩余食物量信息。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文研究的系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包含了主控模塊、重量檢測模塊、喂食控制模塊、Wi-Fi通信模塊、電源模塊以及顯示模塊的硬件設(shè)計。

2.1主控模塊

系統(tǒng)主控模塊采用基于STM32F103ZET6微控制器芯片的核心板，如圖2所示。STM32F103ZET6微控制器芯片基于Cortex-M3內(nèi)核，具有高性能和低功耗的特點，以72MHz主頻運行，可滿足系統(tǒng)進行實時控制的設(shè)計需求。

2.2重量檢測模塊

系統(tǒng)的重量檢測模塊由應(yīng)變式壓力傳感器和基于HX711模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的ADC電路兩部分組成。其中，應(yīng)變式壓力傳感器利用了材料應(yīng)變原理，通過將物體受到的壓力轉(zhuǎn)化為金屬電阻應(yīng)變計電阻值的變化，再通過電路轉(zhuǎn)換為可讀取的電壓信號，從而計算出所受壓力大小，反映出投喂食物的重量。

HX711是一款專門用于重量監(jiān)測的高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換ADC芯片[5]，內(nèi)部集成了高增益差分放大器和24位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其主要功能為將前端應(yīng)變式傳感器所檢測到的微小電壓信號經(jīng)過差分放大器放大，再采用ADC架構(gòu)實現(xiàn)模擬信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換，形成24bit長度的有效數(shù)據(jù)，最后以串行總線接口與主控模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3喂食控制模塊

喂食控制模塊主要采用SG90微型伺服電機與喂食器食物儲存?zhèn)}的蓋子相連接的方式，通過電機旋轉(zhuǎn)使食物落下，從而對投喂動作的開啟與關(guān)閉進行控制。SG90微型伺服電機，簡稱為舵機，受主控發(fā)出的周期為20ms的脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation，PWM）信號控制。當(dāng)PWM信號的脈沖寬度在0.5ms至2.5ms變化時，可控制舵機的輸出軸轉(zhuǎn)角由0度變化至180度。在本設(shè)計系統(tǒng)中，主控通過輸出PWM信號，并改變信號占空比，使舵機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，控制食物儲存?zhèn)}的蓋子打開或關(guān)閉，從而完成投喂食物的動作。

2.4Wi-Fi通信模塊

Wi-Fi通信模塊負(fù)責(zé)將系統(tǒng)接入Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，并登錄TLINK平臺，實現(xiàn)前端設(shè)備與云端平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而幫助用戶對系統(tǒng)進行遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。文章所設(shè)計系統(tǒng)中的Wi-Fi通信模塊采用了正點原子公司研發(fā)的ATK-ESP8266Wi-Fi模組。該模組可以通過異步串行通信接口（UART）與主控模塊進行數(shù)據(jù)交互，其內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，能夠有效完成串行通信協(xié)議與無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)使用過程中，主控模塊通過串行接口發(fā)送相應(yīng)的AT指令集完成對ESP8266模組的配置。經(jīng)過連接登錄等操作后，系統(tǒng)便可控制該模組與云端服務(wù)器之間進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.5電源模塊

在電源模塊設(shè)計上，考慮到寵物喂食設(shè)備需要滿足可在室內(nèi)靈活放置的要求，系統(tǒng)采用了12V鋰電池搭配電源穩(wěn)壓模塊的方案進行供電。電源穩(wěn)壓模塊的核心為LM2596開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，該芯片可固定輸出3.3V、5V、12V等電壓，具有較好的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)性能。本系統(tǒng)采用了兩塊基于LM2596的穩(wěn)壓模塊分別產(chǎn)生3.3V與5V電壓，以滿足系統(tǒng)中其他模塊的供電需求。

2.6顯示模塊

系統(tǒng)采用了0.96英寸的OLED顯示模塊用于顯示設(shè)備工作時的狀態(tài)信息。此種OLED屏幕具有小尺寸與低功耗等優(yōu)點，滿足寵物喂食設(shè)備的設(shè)計要求。系統(tǒng)所使用的OLED模塊內(nèi)部集成了SSD1306驅(qū)動芯片，其通過I2C接口接收由主控制器發(fā)出的配置指令與所要顯示的字符數(shù)字等信息。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由主程序、重量檢測子程序、喂食控制子程序以及平臺通信子程序等軟件模塊組成。系統(tǒng)軟件開發(fā)基于KeiluVision5嵌入式開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)，該環(huán)境專為微控制器設(shè)計，提供高效的代碼編輯器、調(diào)試器和項目管理工具；程序主體使用C語言進行模塊化編寫，利用其底層硬件操作能力，實現(xiàn)對傳感器驅(qū)動、通信模塊、控制算法以及數(shù)據(jù)處理等功能的精準(zhǔn)開發(fā)。

3.1主程序設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。主程序中首先對系統(tǒng)進行上電初始化，包括初始化系統(tǒng)時鐘、通信串口、定時中斷、外設(shè)按鍵以及其他相關(guān)IO引腳等。在初始化完成后，主程序進行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，包括定時投喂的時間，投喂食物量，并且讀取不進行稱重時的HX711模塊所輸出的數(shù)據(jù)，記錄該數(shù)據(jù)作為傳感器支架毛重。之后，系統(tǒng)會開啟無線網(wǎng)絡(luò)的連接，調(diào)用平臺通信子程序中的平臺連接程序，通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)接入TLINK云平臺中。之后，設(shè)備進入正式工作狀態(tài)，系統(tǒng)將調(diào)用重量檢測子程序監(jiān)測剩余食物量，并調(diào)用喂食控制子程序決定是否要開啟食物投喂。系統(tǒng)會通過平臺通信子程序中的數(shù)據(jù)輸入程序?qū)崟r接收用戶的遠(yuǎn)程投喂指令，同時將投喂?fàn)顟B(tài)、剩余食物量等信息上傳至TLINK平臺。

3.2重量檢測子程序設(shè)計

重量檢測子程序流程如圖4所示。首先，系統(tǒng)會讀取進行稱重時的HX711模塊輸出的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是由HX711模塊將壓力傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為24位格式的數(shù)字信號，主控模塊按照規(guī)定的同步時序協(xié)議，可完整讀取24位重量數(shù)據(jù)[6]。隨后，系統(tǒng)將讀取到的最新數(shù)據(jù)與記錄的傳感器支架毛重數(shù)據(jù)作對比，若數(shù)據(jù)小于支架毛重，則判斷該值無效，直接結(jié)束子程序；若大于等于支架毛重，則數(shù)據(jù)有效，將其減去支架重量數(shù)據(jù)，再計算出實際重量，計算公式為：

在公式（1）中，W表示計算出的實際重量，單位為g；AD_n表示在稱重狀態(tài)下讀取到的HX711輸出的24bitA/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；AD_p表示在進行參數(shù)設(shè)置時，HX711輸出的稱重支架產(chǎn)生的A/D數(shù)據(jù)；式中的469為數(shù)字量與實際重量進行轉(zhuǎn)換的比例系數(shù)。該系數(shù)由傳感器滿量程輸出電壓、HX711的輸入增益以及24bit的A/D轉(zhuǎn)換分辨率共同決定。在設(shè)計開發(fā)時，系統(tǒng)根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果，對比例系數(shù)進行校正，最終確定為469。

3.3喂食控制子程序設(shè)計

圖5為喂食控制子程序流程圖，該流程反映了喂食操作的控制過程。系統(tǒng)首先會判斷是否需要投喂，即判斷是否到達用戶所設(shè)定的投喂時間或者是否接收到用戶在手機端發(fā)出的遠(yuǎn)程投喂指令。若滿足投喂條件，則系統(tǒng)會改變主控模塊所輸出的PWM波的占空比，使喂食控制模塊中的舵機發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而打開喂食口，進行食物投喂[7]。當(dāng)經(jīng)過用戶設(shè)定的延時時間后，系統(tǒng)會復(fù)位舵機旋轉(zhuǎn)角度，關(guān)閉喂食口，從而結(jié)束投喂。

3.4平臺通信子程序設(shè)計

平臺通信子程序分為平臺連接與數(shù)據(jù)傳輸兩階段。圖6所示為平臺通信子程序流程圖，其由（a）平臺連接與（b）數(shù)據(jù)傳輸兩個子圖組成。在平臺連接階段中，系統(tǒng)首先將Wi-Fi模塊設(shè)置在STA模式，并延時3秒進行重啟。當(dāng)重啟成功后，Wi-Fi模塊根據(jù)設(shè)置好的SSID名稱以及密碼，連接至室內(nèi)已有的Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)。隨后，系統(tǒng)建立TCP連接，登錄至TLINK平臺，并進入透傳模式[8]。最后，程序根據(jù)TLINK平臺提供的設(shè)備序列號將系統(tǒng)連接到平臺上創(chuàng)建的設(shè)備中，完成全部的連接登錄工作。

在數(shù)據(jù)傳輸階段中，程序首先獲取要發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)，即食物剩余重量與投喂?fàn)顟B(tài)等信息，根據(jù)在云端平臺上設(shè)置的數(shù)據(jù)協(xié)議格式建立一個有效數(shù)據(jù)幀，通過異步串行通信接口將數(shù)據(jù)幀發(fā)送至ESP8266模組，然后由模組內(nèi)置的協(xié)議棧完成數(shù)據(jù)封裝，經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至TLINK平臺。終端用戶可在手機微信小程序?qū)崟r獲取喂食系統(tǒng)狀態(tài)。當(dāng)用戶在微信應(yīng)用上發(fā)出的指令經(jīng)由TLINK平臺下發(fā)到系統(tǒng)設(shè)備時，程序同樣會根據(jù)約定的數(shù)據(jù)協(xié)議格式解析數(shù)據(jù)幀，獲取相關(guān)的設(shè)定數(shù)值與遠(yuǎn)程指令。

4系統(tǒng)測試

本節(jié)對文章提出的寵物喂食系統(tǒng)的主要功能，包括重量檢測功能、投喂控制功能與微信提醒功能，進行了完整的實驗測試。

4.1重量檢測功能測試

本研究首先評估了系統(tǒng)的剩余食物重量檢測功能及其精度。測試實驗采用了多組標(biāo)準(zhǔn)砝碼，對其重復(fù)測量10次，將檢測結(jié)果平均值與標(biāo)準(zhǔn)重量進行比較。表1為重量檢測功能測試結(jié)果，表中數(shù)據(jù)包含了標(biāo)準(zhǔn)值、檢測的平均值以及相對誤差。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)對10～100g范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)重量檢測相對誤差均在3%以下。考慮到環(huán)境干擾與誤差允許范圍，表中結(jié)果證明本文系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確地檢測出重量數(shù)據(jù)。

4.2投喂控制功能測試

系統(tǒng)投喂食物的平臺設(shè)置界面與微信控制界面分別如圖7、圖8所示。在圖7所示的界面中，用戶可以通過TLINK平臺設(shè)置更改定時投喂時間。此外，將TLINK與微信綁定后，用戶可以通過圖8所示的界面直接在微信小程序端發(fā)出遠(yuǎn)程投喂控制指令，并獲取剩余食物量數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明，這兩種方式都可以控制完成食物的投喂動作。

4.3微信提醒功能測試

為幫助用戶更詳細(xì)地了解寵物的進食情況，系統(tǒng)可以通過TLINK平臺在投喂出的剩余食物量少于設(shè)定值時，借助微信應(yīng)用向用戶發(fā)出提醒。微信提醒通知界面如圖9所示。根據(jù)圖9中的提醒信息，當(dāng)系統(tǒng)通過重量檢測模塊監(jiān)測到食物剩余量少于30g時，用戶在微信程序中會接收到設(shè)備提醒通知，從而了解進食情況。

5結(jié)束語

本文提出了一種基于STM32與TLINK物聯(lián)網(wǎng)平臺的寵物喂食系統(tǒng)。系統(tǒng)以重量檢測傳感器實時監(jiān)測投喂食物量，以舵機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)投喂的開啟與關(guān)閉。系統(tǒng)采用Wi-Fi模塊連入物聯(lián)網(wǎng)平臺TLINK中，借助該平臺與微信應(yīng)用的交互功能，使用戶可以實時了解寵物的進食情況并遠(yuǎn)程進行投喂控制。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)各功能正常運作，達到預(yù)期效果。結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作簡便、成本低廉，符合寵物飼養(yǎng)者的需求，具有較高的應(yīng)用價值。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】