平 欣，宋育斌，孔維賓，方忠慶，陳 希

（1.鹽城工學(xué)院 信息工程學(xué)院；2.鹽城市光纖傳感及應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，江蘇 鹽城 224051）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人民生活質(zhì)量逐步提高，許多家庭飼養(yǎng)貓、狗等寵物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年全國城鎮(zhèn)寵物飼養(yǎng)人數(shù)達(dá)到6844 萬人［1］，相較于2020 年增長8.7%；消費(fèi)市場(chǎng)規(guī)模則達(dá)到2490 億元，相較于2020 年猛增20.6%。研究表明，良好的飼養(yǎng)行為可有效促進(jìn)老年人積極參與體力活動(dòng)，緩解老年人抑郁癥狀［2］。

由于生活節(jié)奏加快，人們?nèi)狈φ疹檶櫸?，造成寵物走失現(xiàn)象大量增加［3］。為有效加強(qiáng)寵物管理，保障公共衛(wèi)生安全，促進(jìn)寵物產(chǎn)業(yè)和諧發(fā)展［4］，不少學(xué)者提出利用通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化寵物管理。例如，莊帥［5］采用三層架構(gòu)和DAO、MySQL 等技術(shù)設(shè)計(jì)寵物管理系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)寵物飼養(yǎng)者和寵物商店之間的業(yè)務(wù)。葉軍等［6］以用戶體驗(yàn)為中心，設(shè)計(jì)一種多功能寵物管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)用Arduino 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)多用戶控制，但主要偏向于寵物監(jiān)控功能。王亞文等［7］在社區(qū)層面基于SSM 框架設(shè)計(jì)寵物信息管理系統(tǒng)。

綜上所述，本文針對(duì)飼養(yǎng)寵物中的管理問題，設(shè)計(jì)一款智能寵物管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供生活喂養(yǎng)、添加寵物檔案、導(dǎo)航電子圍欄、GPS 定位等功能，以便于用戶在微信小程序端查看寵物當(dāng)前位置信息，并利用polygons 多邊形圍欄為寵物劃警戒區(qū)域。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于GPS 與微信小程序的智能寵物管理系統(tǒng)支持記錄寵物日常生活飲食，能提醒用戶及時(shí)預(yù)約寵物疫苗，設(shè)置電子圍欄防止寵物意外走丟。該系統(tǒng)既提升了寵物的生活質(zhì)量，又便于飼養(yǎng)者合理安排寵物日常作息，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1 可見，系統(tǒng)分為硬件、軟件兩部分。其中，硬件部分由STM32、GPS 定位模塊及NB-IoT 模塊組成，通過GPS 收集寵物位置信息；軟件部分由微信小程序?qū)崿F(xiàn)，包括首頁、生活記錄、預(yù)約、寵物檔案、導(dǎo)航模塊，導(dǎo)航模塊主要與服務(wù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行通信以定位寵物位置，并包含電子圍欄、騰訊地圖等功能。

Fig.1 Overall system structure圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

具體而言，系統(tǒng)使用MySQL 數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)位置信息及用戶登錄信息，Navicat 作為數(shù)據(jù)庫連接工具，其可視化界面可創(chuàng)建、組織、訪問與共享信息［8-10］。

基于GPS 定位芯片實(shí)時(shí)獲取STM32 的位置信息，利用NB-IoT 模塊訪問網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器、MySQL 數(shù)據(jù)庫使用Socket進(jìn)行通信，并將獲取的STM32 位置信息發(fā)送至小程序端［11-12］。

1.2 系統(tǒng)概述

寵物管理系統(tǒng)流程如圖2 所示。當(dāng)用戶登錄寵物管理系統(tǒng)小程序后，填寫賬號(hào)、密碼等信息進(jìn)行驗(yàn)證，若驗(yàn)證失敗會(huì)彈出提示，用戶可進(jìn)行下一步操作；若用戶驗(yàn)證成功則進(jìn)入主界面。主界面包含首頁、導(dǎo)航等6 個(gè)頁面模塊，用戶可根據(jù)自身需求選擇不同模塊。

Fig.2 Flow chart of pet management system圖2 寵物管理系統(tǒng)流程

2 相關(guān)技術(shù)

2.1 硬件配置

智能寵物管理系統(tǒng)硬件部分由GPS、NB-loT 和STM32模塊組成。其中，GPS 定位模塊的型號(hào)為ATGM336H-5N-31，具有高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)，適用于車載導(dǎo)航、手持定位、可穿戴設(shè)備；數(shù)據(jù)傳輸模塊型號(hào)為WHNB73-BA，具有體積小、功耗低等優(yōu)勢(shì)，適用于寵物穿戴設(shè)備，并且WH-NB73-BA 可利用NB-loT 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，支持多頻段。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)能幫助開發(fā)者實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入與連接，快速完成產(chǎn)品開發(fā)部署。

此外，智能寵物管理系統(tǒng)還利用了云平臺(tái)技術(shù)與用戶設(shè)備進(jìn)行連接。例如，將系統(tǒng)與微信關(guān)聯(lián)，用戶可通過小程序利用手機(jī)遠(yuǎn)程查看設(shè)備的工作情況與示警詳情。

2.2 MINA框架

MINA（Multipurpose Infrastructure for Network Applications）框架如圖3 所示。該框架在降低系統(tǒng)開發(fā)難度的同時(shí)，提升了運(yùn)行速度，并且開發(fā)團(tuán)隊(duì)提供大量API，開發(fā)者可根據(jù)自身需求直接調(diào)用API來提升開發(fā)速度［13］。

Fig.3 MINA frame圖3 MINA框架

由圖3 所示，MINA 框架由視圖層和邏輯層組成。其中，視圖層由頁面Page 組成，每個(gè)Page 文件下均包含WXML、WXSS 文件，WXML 是一套由微信官方團(tuán)隊(duì)封裝的標(biāo)簽語言，為開發(fā)者提供大量包裝好的組件，WXSS 是一套基于CSS語言封裝的樣式描述語言，具有CSS大部分特性；邏輯層是小程序的邏輯、服務(wù)處理中心，視圖層頁面需要的數(shù)據(jù)、頁面交互處理邏輯均在邏輯層實(shí)現(xiàn)，該層使用JS 語言進(jìn)行邏輯處理、數(shù)據(jù)請(qǐng)求及調(diào)用API 接口，數(shù)據(jù)在邏輯層處理后發(fā)送至視圖層，觸發(fā)視圖層頁面渲染，并接收來自視圖層的事件反饋［14-15］。

2.3 數(shù)據(jù)交互

移動(dòng)終端利用微信小程序提供的接口與后端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，由于小程序與系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)間通過微信服務(wù)器相連接，因此數(shù)據(jù)安全性有所保障。具體的數(shù)據(jù)交互流程如圖4所示［16］。

Fig.4 Data interaction flow chart圖4 數(shù)據(jù)交互流程

由圖4 可見，小程序首先通過wx.request 接口向微信服務(wù)器發(fā)送https請(qǐng)求；然后由微信服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)至系統(tǒng)服務(wù)器；最后數(shù)據(jù)庫得到指令寫入數(shù)據(jù)［16］。在小程序接收返回消息時(shí)，服務(wù)器會(huì)先讀取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)輸出至微信服務(wù)器。為保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性和便捷性，會(huì)選擇以JSON 的格式將數(shù)據(jù)返回。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

預(yù)約信息、生活記錄、寵物檔案及經(jīng)緯度信息均通過MySQL 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存。如表1 所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)多張表保存不同類型的數(shù)據(jù)。其中，預(yù)約信息表包含預(yù)約名稱、標(biāo)題、地點(diǎn)、時(shí)間及備注字段。如表2 所示，經(jīng)緯度信息表保存用戶運(yùn)動(dòng)軌跡、當(dāng)前位置、經(jīng)緯度信息等信息。如表3所示，寵物檔案表記錄寵物生日、類別、名稱等信息。如表4 所示，寵物生活記錄表記錄寵物每天的喂食、換水情況等信息。

Table 1 Reservation information表1 預(yù)約信息

Table 2 Longitude and latitude information表2 經(jīng)緯度信息

Table 3 Pet profile information表3 寵物檔案信息

Table 4 Pet life record information表4 寵物生活記錄信息

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 登錄

圖5 為用戶登錄頁面，包含圖標(biāo)、輸入框及登錄按鈕組件。用戶可輸入手機(jī)號(hào)和密碼進(jìn)行登錄，或選擇頁面下方微信、微博、QQ 等第三方登錄方式。

Fig.5 Login interface圖5 登錄界面

4.2 首頁

圖6 為首頁界面。頁面頂部運(yùn)用swiper 滑塊視圖容器輪播3 張圖片，支持indicatorDots 浮點(diǎn)點(diǎn)擊更換圖片。頁面中間部分為寵物商店、疫苗社區(qū)、游樂場(chǎng)等入口。通過調(diào)用wx.navigateTo 接口在每個(gè)圖片中設(shè)置超鏈接，一旦點(diǎn)擊圖片觸發(fā)事件即可跳轉(zhuǎn)至其他頁面，如圖7、圖8 所示。首頁下半部分為熱點(diǎn)資訊區(qū)域，用戶可根據(jù)自身需求進(jìn)行查看。

Fig.6 Home page圖6 首頁頁面

Fig.7 Pet store page圖7 寵物商店頁面

Fig.8 Vaccine community page圖8 疫苗社區(qū)頁面

4.3 生活記錄

圖9 為生活記錄頁面。頁面包含switch 滑塊、提交和重置按鈕button 組件，以便于用戶設(shè)置行程安排，記錄寵物日常生活習(xí)性，對(duì)寵物進(jìn)行日常管理。

Fig.9 Life record page圖9 生活記錄頁面

4.4 預(yù)約

圖10 為預(yù)約頁面。頁面可添加活動(dòng)、疫苗、就診等預(yù)約信息。其中，標(biāo)題、地點(diǎn)等使用weui 框架和input 輸入框控件；活動(dòng)時(shí)間使用picker 組件，加入日期和時(shí)間選擇器，可隨意設(shè)置時(shí)間記錄預(yù)約信息。

4.5 寵物檔案

圖11 為寵物檔案頁面。頁面包含圖片上傳功能，使用picker 組件選擇寵物類型、出生日期等。生日和名字使用weui 框架和input 輸入框組件。此外，頁面下方添加switch 組件選擇寵物性別及否絕育。

4.6 導(dǎo)航

圖12 為導(dǎo)航頁面。頁面通過調(diào)用wx.navigateTo 接口設(shè)置了騰訊地圖和電子圍欄兩個(gè)入口。當(dāng)用戶點(diǎn)擊騰訊地圖時(shí)，即可跳轉(zhuǎn)頁面搜尋寵物位置。該模塊調(diào)用了騰訊位置服務(wù)路線規(guī)劃插件，使用唯一的APPID 申請(qǐng)key，在app.json 文件中寫入定位授權(quán)、插件包代碼，在js 文件中寫入key、終點(diǎn)經(jīng)緯度等信息，如圖13所示。

Fig.10 Appointment page圖10 預(yù)約頁面

Fig.11 Pet profile page圖11 寵物檔案頁面

Fig.12 Navigation page圖12 導(dǎo)航頁面

Fig.13 Tencent map page圖13 騰訊地圖頁面

如圖14 所示，圍欄使用polygons 組件，用戶可繪制多邊形圍欄。頁面調(diào)用map 組件，并且頁面下方添加button組件生成圍欄、刪除圍欄并反饋寵物是否在圍欄內(nèi)。若寵物未在圍欄區(qū)域內(nèi)，系統(tǒng)將自動(dòng)預(yù)警，提醒寵物飼養(yǎng)者。

4.7 電子圍欄算法

鉛垂線內(nèi)點(diǎn)法原理如圖15 所示。基于判別點(diǎn)向外引垂線，計(jì)算其與多邊形交點(diǎn)的個(gè)數(shù)，若交點(diǎn)個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則該點(diǎn)在多邊形內(nèi)；若為偶數(shù)，則在多邊形外［17］。

為判斷寵物是否在電子圍欄內(nèi)，將寵物作為一個(gè)點(diǎn)P，將問題轉(zhuǎn)化為點(diǎn)P和多邊形之間的位置關(guān)系，如圖16 所示。具體算法流程如圖17所示。

Fig.14 Electronic fence jump page圖14 電子圍欄跳轉(zhuǎn)頁面

Fig.15 Plumb line interior point method圖15 鉛垂線內(nèi)點(diǎn)法

Fig.16 Judge whether the P point is within the polygon圖16 判斷P點(diǎn)是否在多邊形內(nèi)

Fig.17 Plumb line interior point method flow chart圖17 鉛垂線內(nèi)點(diǎn)法流程

5 結(jié)語

本文根據(jù)當(dāng)前寵物飼養(yǎng)的實(shí)際需求，基于GPS 與微信小程序設(shè)計(jì)了一款智能寵物管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅提供了生活喂養(yǎng)、添加寵物檔案、導(dǎo)航、GPS 定位等功能，還可利用地圖繪制polygons 多邊形電子圍欄，防止寵物走失。

實(shí)踐測(cè)試表明，系統(tǒng)開發(fā)成本低、維護(hù)效率高、用戶體驗(yàn)好，能滿足飼養(yǎng)者對(duì)寵物管理的基本需求，可幫助飼養(yǎng)者更科學(xué)、合理的飼養(yǎng)寵物，具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。然而，現(xiàn)階段系統(tǒng)硬件部分電子器件體積和重量偏大，對(duì)小型寵物而言過于笨重，未來將進(jìn)一步對(duì)硬件設(shè)計(jì)、軟件監(jiān)控功能進(jìn)行優(yōu)化，以提升系統(tǒng)的通用性。