葉軍　華旭奮　孫曉艷

摘 ?要：針對(duì)目前寵物管理系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)單一的現(xiàn)狀，基于以用戶(hù)體驗(yàn)為中心設(shè)計(jì)一種多功能寵物管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)交互界面、互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)寵物進(jìn)行智能化系統(tǒng)管理，運(yùn)用Arduino單片機(jī)與ESP8266、HMI、手機(jī)APP的多重結(jié)合實(shí)現(xiàn)不同用戶(hù)均可控制寵物管理系統(tǒng)的多用戶(hù)需求。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近程實(shí)時(shí)管理寵物，包括寵物投食、喂水、體重監(jiān)測(cè)、糞便處理，從根本上解決了因某些原因不能實(shí)時(shí)實(shí)地管理寵物、特殊人群不會(huì)控制寵物管理系統(tǒng)的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：用戶(hù)體驗(yàn);互聯(lián)網(wǎng)+;寵物管理

中圖分類(lèi)號(hào)：TN99 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）31-0087-03

Abstract： In view of the current situation of single functional design of pet management system， a multi-functional pet management system is designed based on user experience. The system carries on the intelligent system management to the pet through the man-machine interface and the Internet platform， and uses the multiple combination of Arduino single chip microcomputer and ESP8266， HMI， mobile phone APP to realize that different users can control the multi-user needs of the pet management system. The system can realize the real-time pet management in long and short ranges， including pet feeding， water feeding， weight monitoring and fecal disposal， which fundamentally solves the problems， e.g. pets can not be managed in real time for some reasons， and special people can not control the pet management system.

Keywords： user experience; Internet Plus; pet management

引言

目前市場(chǎng)上的寵物管理系統(tǒng)的管理方法大多是手動(dòng)和半自動(dòng)的，產(chǎn)品較單一，其價(jià)格也是非常的昂貴，普通人群無(wú)法接受其價(jià)格在一定程度上根本無(wú)法滿(mǎn)足我們的需求。體驗(yàn)經(jīng)濟(jì)正促使傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想革新，一種全新的設(shè)計(jì)理念——“以用戶(hù)為中心”的設(shè)計(jì)已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)同[1]。針對(duì)目前的需求，整合市場(chǎng)上部分單一產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，不同類(lèi)型的用戶(hù)就有不同的需求，他們的體驗(yàn)也就不同。而產(chǎn)品作為喚起人們體驗(yàn)經(jīng)歷的“道具”，這就要求產(chǎn)品設(shè)計(jì)向著更高層次發(fā)展，設(shè)計(jì)的重心由產(chǎn)品功能性和可用性擴(kuò)展到關(guān)注產(chǎn)品的用戶(hù)體驗(yàn)及產(chǎn)品與用戶(hù)間的互動(dòng)、產(chǎn)品與所在環(huán)境之間的交互以及產(chǎn)品對(duì)消費(fèi)者生活形態(tài)的相互影響等[2]?；趯櫸镲曫B(yǎng)者和寵物之間的雙重視角，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)既能滿(mǎn)足寵物基本的生理需求，也要體現(xiàn)飼養(yǎng)寵物對(duì)人類(lèi)身心健康帶來(lái)積極影響。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

寵物管理系統(tǒng)主要由4個(gè)板塊構(gòu)成，分別是寵物屋板塊，集智能寵物屋、智能投食喂水器、監(jiān)控等設(shè)備于一體。自動(dòng)化投喂板塊，WIFI模塊連接外部投食機(jī)，可定時(shí)，定量投食、喂水，語(yǔ)音呼喚寵物進(jìn)食。人機(jī)交互觸控屏板塊，主要便于老人、小孩操作，無(wú)縫對(duì)接主人與寵物。智能鏟屎板塊，主要用于除味鏟屎，對(duì)糞便物自動(dòng)打包處理。

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，這4個(gè)板塊主要由HMI模塊、電源模塊、傳感器模塊、WIFI模塊、喂食模塊、攝像頭模塊組成。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

人機(jī)交互觸控屏方便老人與小孩在家看護(hù)寵屋，所有信息都呈現(xiàn)在觸控屏上，老人或小孩可通過(guò)簡(jiǎn)單的培訓(xùn)學(xué)會(huì)觸摸屏的使用，查看相關(guān)信息，方便部分不會(huì)使用智能手機(jī)的老人和小孩操作。專(zhuān)門(mén)為特殊兒童設(shè)計(jì)播放器，播放音樂(lè)時(shí)訓(xùn)練寵物與特殊兒童玩耍，以緩解特殊小孩內(nèi)心的孤寂感。傳感器模塊獲得寵物屋溫濕度、寵物體重等數(shù)據(jù)。攝像頭模塊實(shí)時(shí)查看寵物屋內(nèi)的實(shí)景，觀看寵物狀態(tài)。電機(jī)模塊用于自動(dòng)化寵物糞便清理裝置，控制過(guò)濾網(wǎng)翻轉(zhuǎn)上下的移動(dòng)。

2 傳感器的選擇

2.1 壓力傳感器

主要用于給寵物稱(chēng)量體重以推測(cè)健康情況，從成本考慮選用了具有5kG范圍的壓力傳感器，一般情況下足夠適用。通過(guò)搜索發(fā)現(xiàn)了一款HX711的壓力傳感器。外部給定一個(gè)壓力，壓力傳感器就可以通過(guò)轉(zhuǎn)換這個(gè)壓力變成模擬量輸出。通過(guò)更換應(yīng)變片能實(shí)現(xiàn)多量程的轉(zhuǎn)化，而且校準(zhǔn)很輕松。輸出的數(shù)值可達(dá)小數(shù)點(diǎn)后兩位，滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。

2.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器用來(lái)監(jiān)視寵物屋內(nèi)的溫度和濕度的變化，并將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到顯示屏和手機(jī)APP端，以供主人參考，若溫度過(guò)高，可開(kāi)啟超聲波霧化片和小風(fēng)扇進(jìn)行加濕降溫;若溫度過(guò)低，將提醒主人注意寵物的保暖，以防寵物在長(zhǎng)時(shí)間溫度低的環(huán)境下被凍傷。

選用一般常用的DHT11。DHT11和 DS18B20一樣都是采用單總線(xiàn)數(shù)據(jù)格式，沒(méi)有復(fù)雜的外圍電路[3]。板載溫度傳感器和濕度傳感器，可以直接接在8位單片機(jī)上。通過(guò)一部分電路連接，可以實(shí)時(shí)測(cè)量出當(dāng)下環(huán)境中的局部濕度和溫度。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)是整個(gè)寵物管理系統(tǒng)的技術(shù)核心，如圖2軟件結(jié)構(gòu)圖，此系統(tǒng)可以在手機(jī)和觸摸屏2個(gè)終端進(jìn)行控制，采用的方法是ESP8266、HMI、OneNET平臺(tái)和Arduino的多重結(jié)合。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖

3.1 APP控制

首先將手機(jī)和ESP8266同時(shí)搭載在OneNET平臺(tái)上，在電腦端點(diǎn)開(kāi)串口調(diào)試助手， 按照下面的順序指令發(fā)送AT指令配置完成WIFI模組。

（1）首先對(duì)模式進(jìn)行選擇，要想選擇STA模式，就要使AT+CWMODE=1。

（2）然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作，命令為AT+RST。

（3）將WIFI模塊與現(xiàn)有局域網(wǎng)相連接，比如：AT+CWJAP=“ZHINENG”。

（4）傳送AT+CIPMUX=1的指令啟用多連接的功能。

（5）使用服務(wù)器功能，確定其端口號(hào)，AT+CIPSERVER=1，8080。

（6）通過(guò)AT+CIFSR的指令，調(diào)看當(dāng)前模式下的IP地址，比如：STAIP，“192.16

8.0.003”。

（7）在手機(jī)端的“EasyTCP_20”，進(jìn)行IP地址和對(duì)應(yīng)端口號(hào)的配置。

（8）長(zhǎng)按APP界面中的對(duì)應(yīng)塊，輸入命令及其對(duì)應(yīng)的功能。如圖3輸入指令界面，A00101A2是使繼電器吸合，A00100A1使是繼電器斷開(kāi)。

（9）點(diǎn)擊相應(yīng)塊即可通過(guò)終端輸送

不同串口指令控制繼電器。

將Arduino的IO口與之對(duì)應(yīng)的控制口相結(jié)合就可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)一個(gè)ESP8266控制多個(gè)繼電器的通斷。

3.2 HMI控制

HMI智能串口屏是可編輯的智能LCD觸摸顯示屏，擁有先進(jìn)的人機(jī)界面處理系統(tǒng)和美觀的嵌入式圖形界面[4]。單片機(jī)的RX接屏的TX，單片機(jī)的TX接屏的RX。如圖3HMI編輯工具界面所示單片機(jī)的通信波特率要和屏的一致，據(jù)了解，電容屏的默認(rèn)波特率是9600，數(shù)據(jù)格式有4位。單片機(jī)控制屏的指令格式，一條控制指令，一條結(jié)束符，控制指令見(jiàn)指令集的指令，結(jié)束符是16進(jìn)制的3個(gè)FF。界面上的控件使用UTF-8編碼的字庫(kù)，然后在頁(yè)面初始化里根據(jù)不同語(yǔ)言為控件的txt屬性賦不同的值。

HMI通過(guò)串口傳輸將按鈕按下所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息傳給單片機(jī)處理，單片機(jī)通過(guò)對(duì)其處理再來(lái)控制相關(guān)元器件的閉合。Arduino的IO口發(fā)送相關(guān)信號(hào)控制相關(guān)器件的通斷，通過(guò)這種方式導(dǎo)入編寫(xiě)到HMI中，就可以在觸摸屏上進(jìn)行器件的通斷操作。

對(duì)所有的控件進(jìn)行定義完成后，如圖4所示與傳統(tǒng)的機(jī)械按鈕相比，電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)有助于創(chuàng)造出更為優(yōu)雅的觸摸界面[5]。

3.3 Arduino編程

Arduino單片機(jī)的編程語(yǔ)言簡(jiǎn)單清晰，它所有的庫(kù)函數(shù)都是開(kāi)源的，開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)自身的需求對(duì)相應(yīng)的庫(kù)函數(shù)進(jìn)行修改[6]。編程語(yǔ)法類(lèi)似于C語(yǔ)言，最重要的是它是一個(gè)跨平臺(tái)的環(huán)境，支持windows、Linux和Mac操作系統(tǒng)，它還可以添加C++庫(kù)來(lái)增強(qiáng)編程選項(xiàng)[7]。如圖5，Arduino編程架構(gòu)一般為系統(tǒng)的初始化、串口通訊的設(shè)置、函數(shù)調(diào)用、設(shè)置引腳狀態(tài)。

圖5 Arduino編程架構(gòu)

4 測(cè)試

如圖6所示，電源給Arduino單片機(jī)供電，Arduino單片機(jī)對(duì)LED燈進(jìn)行控制。LED燈根據(jù)光照傳感器的光照模擬量大小自動(dòng)實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的變化，光照傳感器的光照模擬量傳輸?shù)紸rduino單片機(jī)上。Arduino單片機(jī)上采集到的模擬量將全部實(shí)時(shí)顯示在電容觸摸屏上，包括當(dāng)前光照量、溫濕度、時(shí)間、寵物門(mén)狀態(tài)、攝像頭狀態(tài)、寵物體重的狀態(tài)。通過(guò)電容觸摸屏可以對(duì)LED燈、攝像頭、水泵進(jìn)行操作。當(dāng)寵物屋不干凈時(shí)，通過(guò)Arduino單片機(jī)對(duì)水泵的控制。將水從水箱中抽出，輸送到三個(gè)噴水頭處。實(shí)現(xiàn)清潔寵物屋的作用。當(dāng)寵物屋溫度過(guò)高時(shí)，超聲波霧化器通過(guò)頻率改變震動(dòng)使水變成水霧，將水霧化完后有小風(fēng)扇吹出的風(fēng)將霧吹至寵物屋里，可以起到降溫、除異味的功能，營(yíng)造舒適的環(huán)境。

壓力傳感器的模擬量通過(guò)WIFI模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)App上，通過(guò)Arduino單片機(jī)傳輸?shù)诫娙萦|摸屏上。在手機(jī)App上和電容觸摸屏上均可對(duì)自動(dòng)門(mén)進(jìn)行控制。

電源連接電容觸摸屏、LED燈、光照傳感器、WIFI模塊、Arduino單片機(jī)、水泵、壓力傳感器、自動(dòng)門(mén)。水箱連接水泵和噴水頭。電源在水箱后面。攝像頭在寵物屋的左上角。電容觸摸屏通過(guò)電線(xiàn)連接位于寵物屋的上面。

寵物投食機(jī)放在寵物屋中，受觸摸屏和手機(jī)App控制。電源連接Arduino單片機(jī)、LED燈、攝像頭、WIFI模塊、加熱管、電磁閥。

食物儲(chǔ)存?zhèn)}與飲用水儲(chǔ)存?zhèn)}分別儲(chǔ)存食料和飲用水。加熱管1與加熱管2分別用來(lái)單獨(dú)使食料和飲用水加熱，電磁閥1與電磁閥2分別控制食物輸送管和飲用水輸送管的通斷。

電源給Arduino單片機(jī)供電，單片機(jī)連接WIFI模塊，WIFI模塊通過(guò)手機(jī)App端控制電磁閥1和電磁閥2的通斷，當(dāng)寵物需要進(jìn)食時(shí)，電磁閥1打開(kāi)，食料通過(guò)食物輸送管輸送適量食物到食物槽中，當(dāng)寵物需要喝水時(shí)，電磁閥2打開(kāi)飲用水將通過(guò)飲用水輸送管分別輸送到飲用水槽中。冬天時(shí)，通過(guò)手機(jī)App控制加熱管1和2的通斷對(duì)食物輸送管和飲用水輸送管中的食料和飲用水進(jìn)行加熱。溫度傳感器檢測(cè)到適當(dāng)溫度，溫度模擬量發(fā)送到App端，并切斷加熱管加熱實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加熱。

夜間時(shí)，通過(guò)WIFI模塊遠(yuǎn)程點(diǎn)亮LED燈，LED燈將照亮食物槽和飲用水槽使寵物夜間也能進(jìn)食與飲水。食物殘?jiān)涞綋醢迳?。將擋板平行抽出，食物殘?jiān)鼘⒌舻綒堅(jiān)鼉?chǔ)存盒中。

5 結(jié)束語(yǔ)

本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)寵物管理系統(tǒng)，眾多家庭把寵物當(dāng)成一員，高效便捷的管理寵物需求也越來(lái)越多。本系統(tǒng)可面向多個(gè)對(duì)象使用，簡(jiǎn)單易上手，但其仍然還存在著許多問(wèn)題，面臨著系統(tǒng)優(yōu)化、成本降低等問(wèn)題。未來(lái)，智能制造趨勢(shì)向好，期待未來(lái)的寵物管理產(chǎn)品可以更加智能化、集成化。

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