摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)和云存儲(chǔ)技術(shù)的快速發(fā)展，寵物定位與監(jiān)控系統(tǒng)成為了一個(gè)備受關(guān)注的研究方向。鑒于此，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和云存儲(chǔ)的寵物定位與監(jiān)控系統(tǒng)，旨在幫助寵物主人實(shí)時(shí)監(jiān)控、召回寵物。系統(tǒng)包含寵物項(xiàng)圈和軟件系統(tǒng)，項(xiàng)圈通過(guò)GPS和溫濕度模塊采集寵物狀態(tài)信息和定位數(shù)據(jù)，并通過(guò)4G模塊上傳至云端服務(wù)器，軟件系統(tǒng)為寵物主人提供實(shí)時(shí)監(jiān)控和寵物召回等功能。該設(shè)計(jì)有望提高寵物的安全性，為寵物主人提供更好的寵物飼養(yǎng)體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：云存儲(chǔ)；物聯(lián)網(wǎng)；STM32單片機(jī)；4G數(shù)據(jù)傳輸；寵物定位與監(jiān)控；寵物項(xiàng)圈

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）07-00-03

0 引 言

近幾年，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平持續(xù)提高，人們的生活質(zhì)量也在穩(wěn)步上升，飼養(yǎng)寵物已經(jīng)成為了一種新的流行趨勢(shì)[1]。但寵物在給人們的生活帶來(lái)快樂(lè)的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生諸如寵物走失、寵物溺水等問(wèn)題，因此如何有效地對(duì)寵物進(jìn)行定位與監(jiān)控管理，是需要解決的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)存的寵物項(xiàng)圈只能監(jiān)測(cè)寵物活動(dòng)情況或GPS定位信息，且通常使用藍(lán)牙技術(shù)，功能較為單一，傳輸距離較近，難以滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸和用戶(hù)遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)的需求。同時(shí)某些大型寵物還存在多動(dòng)性、活動(dòng)范圍廣、活動(dòng)地形復(fù)雜等問(wèn)題，導(dǎo)致定位項(xiàng)圈難以準(zhǔn)確定位寵物位置。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于物聯(lián)網(wǎng)和云存儲(chǔ)技術(shù)設(shè)計(jì)了新型寵物項(xiàng)圈，不僅可以準(zhǔn)確定位，還可以通過(guò)召回系統(tǒng)輔助寵物自己找到回家的路，并且能實(shí)時(shí)測(cè)量寵物所處環(huán)境的溫濕度以防寵物溺水，同時(shí)還提供了一款A(yù)PP可供寵物主人實(shí)時(shí)監(jiān)控寵物狀態(tài)[2]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

寵物監(jiān)控與定位系統(tǒng)對(duì)寵物所在環(huán)境和位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，寵物主人可以通過(guò)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控寵物的實(shí)時(shí)狀態(tài)。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、阿里云服務(wù)器和數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)終端組成，其總體設(shè)計(jì)如圖1所示。其工作流程為GPS、溫濕度傳感器、三軸陀螺儀、三軸加速度傳感器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器，微處理器解析接收數(shù)據(jù)，通過(guò)4G模塊上傳數(shù)據(jù)到阿里云物聯(lián)網(wǎng)IoT平臺(tái)上對(duì)應(yīng)的設(shè)備。然后，阿里云平臺(tái)將數(shù)據(jù)發(fā)送至特定端口的阿里云ECS實(shí)例。在接收端的ECS實(shí)例上進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼和解析，并提取所需信息，最后將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控寵物實(shí)時(shí)狀態(tài)。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要監(jiān)控寵物所處環(huán)境的實(shí)時(shí)溫度和濕度、地理位置等信息。使用可充電鋰電池可以避免頻繁更換電池的麻煩。設(shè)計(jì)選用STM32F103C8T6作為主控制芯片。

用戶(hù)實(shí)時(shí)監(jiān)視佩戴項(xiàng)圈的寵物的 GPS 位置信息。當(dāng)主人發(fā)現(xiàn)寵物走失時(shí)，可以通過(guò)手機(jī)上的寵物召回功能，設(shè)定以寵物為中心的30°圓弧區(qū)域?yàn)楣ぷ鲄^(qū)域，其余330°為空閑狀態(tài)。系統(tǒng)根據(jù)GPS數(shù)據(jù)、陀螺儀數(shù)據(jù)和加速度傳感器數(shù)據(jù)來(lái)確定寵物頭部的朝向。當(dāng)寵物頭部朝向回家的方向時(shí)，系統(tǒng)會(huì)播放預(yù)先錄制的主人聲音。寵物聽(tīng)到主人熟悉的聲音后會(huì)朝著家的方向移動(dòng)。如果寵物朝其他方向移動(dòng)，則系統(tǒng)不做任何反應(yīng)。通過(guò)不斷更新回家的方向，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地引導(dǎo)寵物回家。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1 微控制器

系統(tǒng)采用了STM32C8T6微控制器，如圖3所示，它是一款基于A(yíng)RM的32位微控制器，具備64 KB的閃存。該微控制器的工作電壓范圍為2.0～3.6 V，工作溫度范圍為-40～85 ℃。STM32處理器支持睡眠、停機(jī)和待機(jī)三種低功耗模式。在低功耗狀態(tài)下，單片機(jī)的喚醒時(shí)間可以達(dá)到微秒級(jí)[3]。

2.2 溫濕度采集模塊

DHT11是一種數(shù)字式溫濕度傳感器，用于測(cè)量周?chē)h(huán)境的溫度和相對(duì)濕度。它采用單線(xiàn)數(shù)字接口，并集成了溫度和濕度傳感器元件以及信號(hào)調(diào)理電路。DHT11具有低功耗、高精度、穩(wěn)定性好和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[4]。工作電壓范圍為3.3～5 V，輸出的溫度和濕度信號(hào)為數(shù)字信號(hào)，可直接連接到微處理器的數(shù)字輸入口。

在使用DHT11之前，單片機(jī)需要發(fā)送一次開(kāi)始信號(hào)，使DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，并等待主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)結(jié)束。DHT11會(huì)發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，然后傳輸40位的數(shù)據(jù)，分為濕度數(shù)據(jù)（16位）、溫度數(shù)據(jù)（16位）和校驗(yàn)和（8位）三部分。接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)校驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，校驗(yàn)和應(yīng)等于濕度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的和的低8位。然后將接收到的濕度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的濕度值和溫度值?？梢愿鶕?jù)需求對(duì)濕度值和溫度值進(jìn)行處理，并將其應(yīng)用于系統(tǒng)中。完成數(shù)據(jù)采集后，DHT11會(huì)重新切換到低功耗模式。如果沒(méi)有接收到主機(jī)發(fā)送的開(kāi)始信號(hào)，DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集。

2.3 GPS模塊

GPS模塊選用的是北斗GPS模塊ATK-1218-BD，它是一種性能優(yōu)異、功耗低、易于集成的定位模塊。該模塊支持GPS/北斗定位數(shù)據(jù)，并采用NMEA-0183協(xié)議（默認(rèn)），控制協(xié)議為SkyTraq協(xié)議。NMEA-0183協(xié)議使用ASCII碼傳遞信息，其中$GNGGA 語(yǔ)句表示GPS定位信息。因?yàn)樵撃K可以采集的信息比較多，所以我們要對(duì)GPS采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

因?yàn)镹MEA-0183數(shù)據(jù)是通過(guò)ASCII碼來(lái)傳遞的，所以要將經(jīng)緯度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可處理的格式。將轉(zhuǎn)換完的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)發(fā)送給4G模塊。轉(zhuǎn)換公式為：

Lo=D+（M/60）" " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

La=D+（M/60）" " " " " " " " " " " " " " " " " （2）

式中：Lo表示經(jīng)度；La表示緯度；D表示度數(shù)；M表示分?jǐn)?shù)。

2.4 4G模塊

4G模塊采用的是移遠(yuǎn)EC600N模塊。移遠(yuǎn)EC600N是一款高性能的4G LTE Cat.4模塊，支持多種網(wǎng)絡(luò)制式。該模塊采用高性能ARM Cortex A7處理器，運(yùn)行速度快，能夠處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序。同時(shí)，EC600N還擁有豐富的外圍設(shè)備接口，方便用戶(hù)進(jìn)行外圍設(shè)備的連接和控制。該模塊還支持藍(lán)牙4.0和WiFi功能，方便用戶(hù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信和數(shù)據(jù)傳輸。

EC600N通過(guò)STM32F103C8T6的串口通信獲取到經(jīng)緯度和溫濕度數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)。

4G模塊啟動(dòng)后會(huì)先檢查是否插了SIM卡或者SIM卡是否插好，如果有問(wèn)題會(huì)通過(guò)EC600N配套的喇叭進(jìn)行語(yǔ)音提示，當(dāng)SIM卡插好后會(huì)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。

3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與訪(fǎng)問(wèn)

云存儲(chǔ)技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的背景下興起的一種新型存儲(chǔ)技術(shù)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[5]。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，使用云盤(pán)存儲(chǔ)信息已成為許多應(yīng)用程序存儲(chǔ)內(nèi)部素材和資源的首選方式[6]。

阿里云服務(wù)器是一種高效的計(jì)算服務(wù)，可以彈性地處理數(shù)據(jù)，并方便地建立數(shù)據(jù)中心以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪(fǎng)問(wèn)。在使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)時(shí)，需要?jiǎng)?chuàng)建產(chǎn)品和設(shè)備，定義物聯(lián)網(wǎng)模型，并建立設(shè)備與平臺(tái)的連接。服務(wù)端可以訂閱設(shè)備消息，云端可以下發(fā)指令。每個(gè)創(chuàng)建的產(chǎn)品對(duì)應(yīng)一類(lèi)設(shè)備，每個(gè)平臺(tái)設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)際的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。創(chuàng)建設(shè)備后，會(huì)得到平臺(tái)提供的設(shè)備三元組（ProductKey、DeviceName和DeviceSecret）。根據(jù)協(xié)議規(guī)則，可獲取Username、Password、ClientID、IP等參數(shù)，并將其作為連接阿里云的身份驗(yàn)證信息寫(xiě)入物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備[7]。

在阿里云服務(wù)器端，可以通過(guò)運(yùn)行一個(gè)數(shù)據(jù)接收程序并使用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的接收和存儲(chǔ)，優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)庫(kù)體積小、存儲(chǔ)速度快。數(shù)據(jù)接收程序使用Java Socket通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)解析接收到的字節(jié)數(shù)組，將其中的各個(gè)字段數(shù)據(jù)存入MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，寵托師信息見(jiàn)表1所列。通過(guò)手機(jī)APP，用戶(hù)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控寵物的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

4 軟件設(shè)計(jì)

寵物項(xiàng)圈系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)采用了Keil平臺(tái)，它是一個(gè)集成了代碼編輯、編譯、調(diào)試等功能的開(kāi)發(fā)環(huán)境，在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，能夠滿(mǎn)足本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需求[8]。軟件程序包含了外出模式、居家模式和丟失召回模式等，并具備以下子程序：中心控制程序、GPS程序、溫濕度采集程序和4G模塊數(shù)據(jù)處理程序。

在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中選擇C語(yǔ)言作為主要編程語(yǔ)言具有諸多優(yōu)點(diǎn)。首先，C語(yǔ)言具有較快的運(yùn)行速度和強(qiáng)大的功能；其次，C語(yǔ)言具有簡(jiǎn)短、靈活多變的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)，提供了豐富的運(yùn)算符和數(shù)據(jù)類(lèi)型，沒(méi)有嚴(yán)格的語(yǔ)法限制，使得編程工作更加自由。此外，C語(yǔ)言具備現(xiàn)代語(yǔ)言的特點(diǎn)，編寫(xiě)的程序具有較高的可移植性，便于今后的項(xiàng)目技術(shù)迭代[9]。

在正常使用時(shí)，入網(wǎng)成功后，GPS系統(tǒng)將執(zhí)行搜星和定位操作，每30 s向服務(wù)器上報(bào)信息（包括溫濕度和GPS定位）。具體流程如圖4所示，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入低功耗模式。如果入網(wǎng)失敗，則系統(tǒng)切換至離線(xiàn)工作模式，所有活動(dòng)軌跡信息將被記錄在存儲(chǔ)模塊中[10]。

丟失模式可通過(guò)觸發(fā)防盜模塊或手動(dòng)開(kāi)啟，設(shè)備將會(huì)向服務(wù)器發(fā)出警告和位置信息。即使設(shè)備被關(guān)閉，重新啟動(dòng)后也會(huì)繼續(xù)發(fā)送警告消息。寵物跟蹤的功能模塊設(shè)計(jì)原理是調(diào)用百度地圖的API，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)地圖的縮放功能。在溫度和濕度頁(yè)面可以查看寵物的歷史數(shù)據(jù)，如圖5所示。用戶(hù)端使用APICloud進(jìn)行編寫(xiě)，它是由用友網(wǎng)絡(luò)旗下的YonBuilder移動(dòng)低代碼開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供的，旨在解放開(kāi)發(fā)者，減少繁瑣、重復(fù)的開(kāi)發(fā)工作，以便快速構(gòu)建企業(yè)級(jí)應(yīng)用[11]。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云存儲(chǔ)技術(shù)設(shè)計(jì)了寵物定位與監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)寵物的實(shí)時(shí)定位和遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)具備良好的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，能夠滿(mǎn)足寵物主人對(duì)寵物安全的需求。系統(tǒng)采用GPS定位技術(shù)，可將寵物的位置信息準(zhǔn)確地傳輸?shù)皆拼鎯?chǔ)平臺(tái)，并提供給用戶(hù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看和跟蹤。這有助于寵物主人隨時(shí)了解寵物的行動(dòng)軌跡，及時(shí)采取相應(yīng)措施。

寵物定位與監(jiān)控系統(tǒng)采用云存儲(chǔ)技術(shù)，將寵物的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)隨地訪(fǎng)問(wèn)和管理這些數(shù)據(jù)。云存儲(chǔ)還提供可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和備份機(jī)制，確保數(shù)據(jù)的安全性和持續(xù)性。本系統(tǒng)在寵物定位和監(jiān)控方面具備一定的優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新性，不僅提供了追蹤寵物位置的功能，還支持用戶(hù)通過(guò)智能手機(jī)或電腦進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，保障寵物的安全。

注：本文通訊作者為石明翔。

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