物联网智能宠物管理系统

 

随着物联网技术发展，智能宠物管理系统备受关注。本文提出基于物联网技术的系统，智能管理宠物饮食和环境。宠主可通过手机App实时监控饮食量、粮食余量，并远程操控粪便清理器。系统支持压力传感器，自动判断是否补充粮食，监测空气质量并自动清新。

1、智能宠物管家系统的工作原理

 

STM32单片机作为控制核心，控制LED照明模块、水位传感器模块、OLED显示模块、舵机模块、电机驱动模块、Wi Fi模块等模块的工作，同时与ShineBlink、云平台和手机App通过ESP8266 Wi Fi模块进行通信，从而实现用户的远程控制。传感器包括红外测温传感器、温湿度传感器、压力传感器、空气质量传感器以及靠近传感器等，通过采集实时数据，并将数据发送给STM32单片机进行处理。

 

继电器模块用来控制电机以及喷雾器的工作状态，舵机模块用来控制投放不同种类的食物，电机用来控制粪便清理器，完成清理宠物排泄物的操作，同时可以实时测量实物重量及宠物当前体重情况。当系统检测到异常情况时，蜂鸣器报警电路将会触发报警。通过这些模块的协同作用，实现了宠物的自动化管理，方便了宠物主人的日常生活。

2、智能宠物管理系统硬件设计

 

系统框图如图1所示，由于本系统的功能模块较多，功能模块采用多种串口通信，为了满足这些模块的通信接口需求，采用SMT32F103ZET6开发板和物联网开发板处理数据。ShineBlink与ESP8266 Wi Fi模块、云平台相连，STM32F103ZET6与压力传感器模块、温湿度传感器、电机驱动等模块相连。STM32F103C8T6与ShineBlink物联网开发板之间通过串行外设接口（Universal Asynchronous Receiver Transmitter,UART）通信。UART是一种串行异步收发协议，仅使用两条数据线发送数据，有助于正确地发送和接收数据。

 

2.1 STM32F103C8T6最小系统设计

 

如图2,STM32F103C8T6是一种嵌入式微控制器的集成电路，芯体尺寸是32位，主频是72MHz，拥有丰富的通用I/O端口。该芯片采用ARM Cortex-M3的处理器内核，具有高性能、低成本、低功效的优点。系统中的压力传感器、空气质量传感器、红外测温传感器、空气质量传感器、靠近传感器、温湿度传感器、电机驱动模块及舵机模块都与该芯片相连。STM32F103C8T6芯片用于采集宠物的体温、宠物是否停留在粮盆附近、宠物屋内空气质量等数据，并传输到手机App。

 

系统上电后首先初始化单片机设备，初始化完成后便进入模式选择，模式选择分为自动模式和手动模式。自动模式指各类传感器自动进入工作状态，若工作状态异常，则会进入持续识别工作模式，直到工作状态正常，系统才会进入工作状态。手动模式指用户通过手机App向系统发送命令，然后观测每个传感器传回的数据，若数据传输发生异常会进入持续传输数据模式，直到数据传输正常。

3、智能宠物管理系统软件功能设计

 

3.1 远程操控和互动功能

 

如图3，用户可以通过手机App实时查看系统的测量数据如食物或水的重量、空气清新质量等，实时了解宠物目前的情况，根据实际情况，从而决定是否需要投食或净化空气，同时还可以远程操作粪便清理器来清理宠物排泄物，或者是控制逗猫棒、激光笔之类的玩具来远程与宠物进行互动，让宠物即使呆在笼子里也不会孤独无聊，基本解决了宠物的生活问题，非常适用于主人短期外出，家中宠物无人照顾的场景。

 

 

3.2 排泄物清理和空气净化功能

 

如图4，宠物管理系统内放置有清理宠物排泄物功能的自制工具和空气质量传感器，当宠物排便后，若出现臭味或其他异味时，置于房间内的空气质量传感器会将数据反馈给处理器，处理器再通过云平台将数据反馈给手机APP，用户便能通过手机操作启动空气清新剂喷雾装置，喷出对宠物无伤害的气体来净化空气，确保宠物所在环境没有异味，改善宠物居住的环境。同时用户也可以在App端随时控制置于房间内的粪便清理器工作，实现清理宠物排泄物的功能。

 

3.3 智能投食功能

 

根据图5、图6和图7，通过使用压力传感器可以实时监测宠物粮盆的重量，并将其与系统设定值进行实时比较。同时，通过使用靠近传感器可以实时监测宠物是否在粮盆附近停留。当压力传感器读取的重量低于系统设定值时，如果靠近传感器反馈的信息显示宠物没有在粮盆附近，投食器会自动开始工作，向粮盆补充粮食。然而，如果靠近传感器反馈的信息显示宠物当前位于粮盆附近，为了避免惊吓到宠物，即使此时粮盆重量低于系统设定值，投食器也不会开始工作。只有当宠物离开粮盆附近后，投食器才会自动补充粮食。这样设计可以确保宠物在不受干扰的情况下正常进食。

 

4、硬件微处理部分

 

宠物管理系统由微处理器，各类传感器模块，继电器模块、舵机模块，电机模块，WIFI模块和云平台等多部分组成。微处理器、云平台和手机APP通过WIFI模块进行通信，传递和反馈数据，最后在手机APP上显示出来，用户则可通过手机APP进行远程操作，传感器模块包括压力传感器，靠近传感器，空气质量传感器等，分别对食物和水的重量、宠物是否处于粮盆附近、宠物管理系统的空气质量等进行检测。

 

继电器模块用来控制电机以及喷雾器的工作状态，舵机模块用来控制投放不同种类的食物，电机用来控制粪便清理器，完成清理宠物排泄物的操作。系统框图如下图8所示。

 

 

4.1 微处理器

 

硬件微处理部分选用ShineBlink开发板作为处理器，进行微控制和工作，ShineBlink是一款主打物联网开发的最小应用系统板，以简易开发为主，芯片内置编译器，无需安装任何开发环境、Win、Mac、Linux电脑任意文本编辑器即可开发，开发环境简单，便于上手编写程序；其次，功能代码实现简单，无需进行大量的初始化，仅用数行代码即可实现多种传感器功能，上手简单、开发轻松！ShineBlink开发板如下图所示。

 

 

4.2 压力传感器

 

压力传感器选用型号HX711压力称重传感器，是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。在智能宠物管理系统中用于对宠物盒里的口粮和水进行称重，判断是否需要添加粮食和水，同时将测量的数据反馈给微处理器。压力传感器如下图10所示。

 

 

4.3 舵机模块

 

舵机模块选用型号为DS32系列的数字舵机，该款数字舵机内部伺服控制板采用单片机MCU控制,给一次PWM脉宽，舵机输出角度可锁定。控制精度高、线性度好、与控制协议严格一致，最小控制角度达到0.9°以下。数字电路板、金属齿轮、CNC铝中壳、双滚珠轴承、散热快、耐用更高,供电电压在4.8-6.8V，工作电流可达1-2A，通过PWM信号控制，工作频率在50Hz-330Hz，用于控制食物种类的选择和粮食的投放，操作方便，效果显著如下图11所示。

 

5、软件设计

 

5.1 程序流程图

5.2 机智云平台

 

机智云平台是机智云物联网公司多年积累和对物联网行业深刻理解的结晶，为个人和企业开发者提供的一站式智能硬件开发及云服务平台。该平台涵盖了产品定义、设备端开发调试、应用开发、产测、云端开发、运营管理、数据服务等全生命周期服务，助力智能硬件从接入到运营的全方位支持。

 

机智云物联网平台为开发者提供了自助式智能硬件开发工具与开放的云端服务。通过方便的自助工具、完善的SDK与API服务能力最大限度降低了物联网硬件开发的技术门槛，降低开发者的研发成本，提升开发者的产品投产速度，帮助开发者进行硬件智能化升级。机智云平台的生态环境如下图13所示。

 

 

5.3 网关设备

 

网关设备选用ESP8266串口WIFI模块，模块采用串口与MCU通信，内置TCP/IP协议栈，能够实现串口与WIFI之间的转换，兼容3.3V和5V单片机系统，支持串口转WIFI STA方案，模块小巧，抗干扰能力强，性能好，稳定可靠，作为接入机智云平台的网关，可以将硬件设备连接云平台进行数据交互，实现硬件联网，wifi模块与MCU的连线图如下14所示。

 

 

5.4 App开发

 

通过机智云物联网平台，可以轻松地开发自己的APP，并根据需求自行设计APP界面。可以基于已有模块进行设计，并添加所需的数据点以满足功能需求。使用WIFI模块，可以实现与云平台和微处理器之间的数据传输。在机智云平台上开发智能硬件时，不仅可以方便地使用该APP对硬件设备进行调试和验证，还可以完成一系列基本设备操作，如配置入网、设备搜索、设备绑定、设备登录、设备控制、远程控制、状态更新、本地远程切换等。

 

同时，可以创建所需的数据点来传输和更新硬件设备上传到云平台的数据。具体操作示例如图15所示。通过机智云平台，可以高效地开发属于自己的智能硬件，并实现与APP之间的数据传输和控制功能。

 

6、作品实物展示

 

7、测试结果及分析

 

 

该系统经过充分测试，能自动采集、传输和处理数据，实现智能投喂、远程清理宠物排泄物、远程互动和空气净化。当空气质量异常时，喷雾装置释放特殊液体净化空气，压力传感器检测食物或水重量决定是否添加，手机App可选择不同食物投放。系统可解决宠物无人照顾问题。与机智云物联网平台对接后，云平台批量管理设备，确保系统稳定性。