胡西雷，單夢凱，曾 毅

(鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 450064)

1 研究目的

近年來養(yǎng)寵物的人越來越多，相信每位主人都不希望自己的愛寵受到傷害，設(shè)計本產(chǎn)品的目的是給寵物提供干凈、舒適、安全的生存環(huán)境，幫助主人更加方便和更好地照料寵物。當(dāng)主人上班、出差或旅游時，寵物的生存就無法得到保障，因此本文就基于Arduino和機(jī)智云平臺的智能寵物屋進(jìn)行研究，幫助主人解決短期或長期不在家時無法照料寵物的問題。隨著智能家居的快速發(fā)展，未來的某一天智能寵物屋也會并入智能家居，讓寵物也能感受到智能化帶來的舒適和便利。本文是以寵物貓作為對象而研究的一款智能寵物屋。

2 用戶需求分析

2.1 功能需求

目前市場上寵物屋的功能比較單一，無法全面地照顧寵物。市場上現(xiàn)有的寵物屋實現(xiàn)了監(jiān)測溫濕度、喂食器和鏟屎裝置，并沒有除異味、殺菌消毒、監(jiān)測寵物睡眠質(zhì)量情況以及監(jiān)控功能。本文所設(shè)計的產(chǎn)品都是根據(jù)用戶的需求而設(shè)計的，以監(jiān)測溫濕度并調(diào)節(jié)、殺菌消毒、監(jiān)測寵物的睡眠質(zhì)量情況以及監(jiān)控功能作為基本功能，喂食器和鏟屎裝置作為附加裝置，不僅可以減輕用戶的成本負(fù)擔(dān)，而且也可以根據(jù)用戶的需求定制產(chǎn)品。

2.2 安全需求

現(xiàn)有的寵物屋具有不通風(fēng)的缺陷。本文設(shè)計的產(chǎn)品從寵物和產(chǎn)品兩方面來考慮：(1)外殼前后都需要預(yù)留雞蛋大的洞口，以防寵物在里面呼吸不暢，重者導(dǎo)致死亡；(2)用橡膠制品以三角形的形式放置產(chǎn)品底部，然后再設(shè)計一個圓盤放在橡膠制品底下，一方面可以固定寵物屋，另一方面也可以移動寵物屋，方便用戶打掃衛(wèi)生；(3)喂食器要降低重心，以防寵物將食物和水打翻，傷及寵物自身和他人。

3 寵物屋功能設(shè)計及工作原理

3.1 采集溫濕度并調(diào)節(jié)溫濕度功能

本產(chǎn)品智能寵物屋系統(tǒng)采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器來監(jiān)測溫濕度[1]。DHT11溫濕度傳感器從功能需求上來說是一種已經(jīng)經(jīng)過校準(zhǔn)的數(shù)字型溫濕度傳感器，應(yīng)用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，能夠保證產(chǎn)品測量溫濕度時具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。溫濕度傳感器可實現(xiàn)溫度和濕度的實時采集，用來采集寵物屋內(nèi)的溫濕度，并在顯示屏和App上面顯示溫濕度的具體數(shù)值。用戶可在機(jī)智云App上面設(shè)定目標(biāo)溫度，然后驅(qū)動制熱或制冷裝置使寵物屋內(nèi)達(dá)到合適的溫度。

3.2 紅外感應(yīng)監(jiān)測寵物休憩

紅外線感應(yīng)傳感器可以監(jiān)測寵物紅外信號的有無。當(dāng)寵物貓進(jìn)入寵物屋時，紅外線感應(yīng)傳感器將收集到的信號傳遞給Arduino主控芯片，單片機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并通過WiFi模塊傳到機(jī)智云App端，機(jī)智云App端可以記錄寵物的睡眠質(zhì)量狀態(tài)和睡眠時間。

3.3 殺菌消毒功能

本產(chǎn)品智能寵物屋采用UV紫外線發(fā)光二極管做成一款殺菌消毒燈。由于紫外線具有很強(qiáng)的除菌消毒能力，所以將紫外線殺菌消毒燈放置在寵物屋內(nèi)圍繞成一圈，實現(xiàn)寵物屋內(nèi)無死角除菌消毒，紫外線光束越集中，寵物屋內(nèi)除菌效果越好。當(dāng)寵物貓離開寵物屋時，用戶可通過機(jī)智云App打開UV紫外線殺菌消毒燈進(jìn)行殺菌消毒。

3.4 監(jiān)控功能

監(jiān)控功能的實現(xiàn)裝置主要由3部分組成：esp32CAM攝像頭、電源模塊和機(jī)智云App。在寵物屋正上方安裝SG90舵機(jī)調(diào)整esp32CAM攝像頭的角度查看寵物的實時狀態(tài)、喂食器和鏟屎裝置，通過藍(lán)牙通信將畫面?zhèn)魉偷綑C(jī)智云App的人機(jī)界面控制端。

3.5 智能喂食喂水

喂食器是智能寵物屋的附加裝置，根據(jù)用戶的需求選擇是否安裝智能喂食器裝置。智能喂食器裝置包括主控芯片Arduino、壓力傳感器、esp8266WiFi芯片和SG90舵機(jī)。該功能是通過壓力傳感器實時檢測貓盆的重量，當(dāng)貓盆食物的重量低于系統(tǒng)設(shè)定值時，壓力傳感器將信號傳遞給Arduino主控芯片，主控芯片對收到的信號進(jìn)行分析和處理，然后驅(qū)動SG90舵機(jī)打開閥門釋放食物或水。用戶也可以查看監(jiān)控操作機(jī)智云App手動喂食喂水。

3.6 寵物排泄物清理和空氣凈化功能

鏟屎裝置也是該寵物屋的附加裝置，用戶可根據(jù)實用性和需求選擇是否安裝鏟屎裝置，當(dāng)寵物排便后，驅(qū)動電機(jī)帶動擋板將體積大的貓砂塊從左到右推進(jìn)垃圾桶；若空氣中出現(xiàn)臭味，空氣質(zhì)量傳感器檢測到臭味，就會將數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，Arduino主控芯片處理數(shù)據(jù)之后直接啟動負(fù)離子空氣凈化器。負(fù)離子空氣凈化器含有活性炭過濾層，不但可以吸附有害氣體，還可以除異味，從而改善空氣質(zhì)量[2]。鏟屎裝置和空氣凈化功能不但解決了寵物的居住環(huán)境問題，同時也減輕了主人的負(fù)擔(dān)。

3.7 機(jī)智云App遠(yuǎn)程操控

寵物屋的軟件部分是利用機(jī)智云開發(fā)的一款A(yù)pp，用戶可以通過機(jī)智云App的監(jiān)控界面實時查看寵物的當(dāng)前情況、查看寵物屋的溫濕度數(shù)值等，通過監(jiān)控查看喂食器確定是否需要喂食和喂水，同時還可以通過監(jiān)控查看鏟屎裝置是否需要清理寵物的排泄物，這一系列操作可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，即使用戶在上班、出差和旅游時，也不用擔(dān)心寵物在家里無人照顧。

4 寵物屋系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能寵物屋系統(tǒng)總體架構(gòu)由兩部分組成。一部分是硬件系統(tǒng)，另一部分是軟件系統(tǒng)。

4.1 硬件系統(tǒng)

本產(chǎn)品是一款主要由寵物屋、喂食器、鏟屎裝置和監(jiān)控組成的智能寵物屋。寵物屋、喂食器和鏟屎裝置這3個部分主要是以Arduino作為主控芯片，通過esp8266WiFi模塊將軟件和硬件連接起來。用戶可使用軟件實現(xiàn)設(shè)定溫度值、調(diào)節(jié)寵物屋內(nèi)的溫度、殺菌消毒、記錄寵物的睡眠狀態(tài)、喂食、喂水、鏟屎等功能；監(jiān)控設(shè)備可實時監(jiān)控寵物的動態(tài)。

硬件系統(tǒng)架構(gòu)主要由Arduino單片機(jī)、esp32CAM攝像頭、esp8266WiFi模塊、電源系統(tǒng)模塊、繼電器模塊、負(fù)離子發(fā)生器、DHT11溫濕度傳感器、SG90舵機(jī)、紅外感應(yīng)傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、12864OLED顯示屏、UV紫外線發(fā)光二極管和LED發(fā)光二極管組成。硬件系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示

圖1 硬件系統(tǒng)架構(gòu)

4.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。軟件系統(tǒng)開發(fā)首先搭建機(jī)智云開發(fā)環(huán)境，利用機(jī)智云平臺上的App代碼賽博坦工具開發(fā)智能寵物屋App[3]，并使用機(jī)智云平臺的TCP/IP通信協(xié)議[4]，實現(xiàn)機(jī)智云的物聯(lián)網(wǎng)功能，通過服務(wù)器使軟件和硬件連接起來。在做軟件系統(tǒng)的過程中，程序員首先要定義模組信息，利用機(jī)智云自帶的一些組件設(shè)計軟件界面，然后為各個模塊編寫代碼，通過WiFi模塊與云平臺和產(chǎn)品設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使每個模塊都能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能，最后對機(jī)智云App進(jìn)行測試。

5 系統(tǒng)測試

(1)App和硬件設(shè)備通過esp8266 WiFi模塊連接之后，打開軟件界面就可以看到攝像頭拍攝的畫面，通過舵機(jī)就可以調(diào)節(jié)攝像頭的角度，能夠?qū)崟r監(jiān)測寵物的動態(tài)[5]；(2)寵物屋內(nèi)的溫濕度傳感器監(jiān)測溫濕度并把數(shù)據(jù)通過WiFi模塊上傳到App上顯示溫濕度的具體數(shù)值，當(dāng)溫度比較低的時候，可以輸入具體數(shù)值驅(qū)動加熱片升高寵物屋內(nèi)的溫度；(3)紅外感應(yīng)傳感器檢測到寵物離開寵物屋就會顯示寵物的睡眠時間；(4)寵物離開寵物屋后可以啟動殺菌消毒功能;(5)如果寵物想要吃食物喝水，用戶可以打開舵機(jī)閥門釋放食物和水；(6)除此之外，負(fù)離子空氣凈化器不需要軟件的控制，當(dāng)空氣質(zhì)量傳感器檢測到異味，可以自動開啟負(fù)離子空氣凈化器。經(jīng)過多次實驗測試，該產(chǎn)品最終達(dá)到了預(yù)期的實驗效果。

圖2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

6 結(jié)語

本文研究了基于Arduino和機(jī)智云平臺的智能寵物屋系統(tǒng)，利用機(jī)智云平臺、WiFi模塊、Arduino單片機(jī)和相關(guān)傳感器所設(shè)計了一款智能寵物屋。本產(chǎn)品還有需要改進(jìn)的地方，比如功耗問題，上班族為寵物購買智能寵物屋，本身就是一筆大的開銷，如果功耗比較大，對用戶而言也是一種用電負(fù)擔(dān)。日后會基于功耗問題對寵物屋進(jìn)行改進(jìn)，同時也要規(guī)劃智能寵物屋并入智能家居，讓寵物也能感受到智能化產(chǎn)品帶來的舒適性，減輕用戶的負(fù)擔(dān)，解決寵物在無人照料的情況也能夠生存的問題。