摘要：隨著我國社會經(jīng)濟水平的快速發(fā)展，國民生活水平不斷提高，寵物行業(yè)也得到了飛速發(fā)展。家庭寵物的飼養(yǎng)已成為城市居民生活消遣的新方式。但寵物的喂養(yǎng)需要花費大量時間，導(dǎo)致人們常常為此而煩惱。本文研究了一款寵物自動喂食系統(tǒng)，以STM32F103單片機為核心，通過手機端微信小程序的設(shè)定，發(fā)送到云端服務(wù)器，服務(wù)器再進行簡單處理。當(dāng)?shù)竭_這一時間點后，云端的服務(wù)器向終端的自動投食器發(fā)送喂食命令，底層的微處理器控制步進電機轉(zhuǎn)動，從而控制向?qū)櫸锿段辜Z食的進食量。該系統(tǒng)解決了日常生活中無法按時喂養(yǎng)寵物，以及“新手”主人難控制食量的問題。

關(guān)鍵詞：寵物喂養(yǎng)；STM32F103；云服務(wù)器；智能投喂

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）23-0114-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

智能寵物投食器可用于家養(yǎng)小寵物，例如寵物貓和寵物狗的喂食和喂水，為寵物的小主人提供了極大的便利。目前，市面上已有的寵物投食器在使用過程中存在一系列問題，具體如下：用戶在使用過程中需要手動調(diào)節(jié)，才能實現(xiàn)寵物的定時定量喂食，無法實現(xiàn)智能投喂；當(dāng)寵物需要喝水時，用戶必須手動旋轉(zhuǎn)水嘴開關(guān)進行喂水，無法在用戶不在家時根據(jù)寵物的需求實現(xiàn)自動供水功能；當(dāng)喂養(yǎng)的寵物種類不同或者隨著年齡增長而食量增加時，無法靈活調(diào)節(jié)供食時間和供食量等參數(shù)。王岳等人對野外自動化鴨舍進行了研究，設(shè)計的野外鴨舍實現(xiàn)了早晨自動開門、晚上自動奏樂喚鴨回舍，以及自動關(guān)門、自動補料和統(tǒng)計回舍鴨子數(shù)量等功能[1]；孔愛菊等人設(shè)計的野外鴨舍喂水控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以進行水箱液位檢測和水泵驅(qū)動，具有水箱低水位自動補水和高水位防止溢出等功能，實現(xiàn)了野外鴨舍喂水的自動控制[2]；設(shè)計了一款可以實現(xiàn)自動投喂的智能化家養(yǎng)寵物喂食器，用戶可根據(jù)實際使用需求，設(shè)置喂食時間、數(shù)量、次數(shù)等內(nèi)容，并設(shè)有錄音等輔助功能，以確保喂食器能夠更好地完成投喂工作[3]；楊傳升等設(shè)計的小型全自動喂食機實現(xiàn)了飼料投放、消毒清潔、自動喂水、自動換氣和無線信號傳輸?shù)裙δ?，使整個操作過程基本脫離人工干預(yù)[4]。針對現(xiàn)有寵物投食器存在的問題，并結(jié)合野外自動化鴨舍的設(shè)計經(jīng)驗，本設(shè)計提出了一種基于STM32F103微處理器的智能寵物投食器自動控制系統(tǒng)設(shè)計方案；設(shè)計中使用步進電機控制技術(shù)實現(xiàn)了寵物的食物供給，采用電子秤模塊來感應(yīng)投喂食物的量，進而控制步進電機的速度，同時還提供了一款微信小程序來達到遠程控制。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本設(shè)計中包含電源電路模塊，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源輸入；電子秤模塊，用于測量喂食桶中的剩余量；語音輸出模塊，在投喂器執(zhí)行喂食動作后，用于提示小寵物進行喂食；溫濕度模塊，用于檢測投喂器周圍的環(huán)境溫濕度；Wi-Fi模塊和電動機模塊。通過Wi-Fi模塊與服務(wù)器對接微信小程序的設(shè)置，達到設(shè)定時間后向微處理器發(fā)送命令，從而控制電動機模塊向?qū)櫸锿段故澄铩?/p>

2 系統(tǒng)功能

基于STM32的智能寵物投食器系統(tǒng)設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行設(shè)計，以底層硬件設(shè)計為主，輔以微信端小程序應(yīng)用程序的軟件設(shè)計。硬件設(shè)計根據(jù)智能自動寵物投食器系統(tǒng)實現(xiàn)以下功能：可定時自動添加食物到喂食盤，通過電機的轉(zhuǎn)動將食物運送到喂食盤；可以顯示存量桶（6KG以內(nèi)）和喂食盤（0.5KG以內(nèi)）中的重量；能顯示室內(nèi)溫度（-50～70℃）和濕度（10%～99%）；可以連接網(wǎng)絡(luò)在手機上顯示與設(shè)置。

3 軟件設(shè)計

主程序以人機交互為主線，分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分。物理層包括數(shù)據(jù)采集、語音播報、信號發(fā)生和信號檢測等功能；網(wǎng)絡(luò)層由新大陸云平臺提供的服務(wù)器和Wi-Fi組網(wǎng)等組成；應(yīng)用層則為手機端的微信小程序。整個設(shè)計的主程序詳細流程如圖3所示，其開始是3dklNOO15c2xD4VUAc/ITriTAb8QxgZeeh/Y4YH3/dY=由底層硬件層和微信小程序的應(yīng)用層一起完成初始化。在底層方面，打開電源，等待系統(tǒng)初始化完成。底層的Wi-Fi模塊開始連接網(wǎng)絡(luò)，連接后登錄到設(shè)定好的新大陸云平臺。然后檢測存量桶糧食的重量和喂食桶周圍環(huán)境的溫濕度，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。底層硬件在上傳數(shù)據(jù)之后，檢測是否收到服務(wù)器下達的命令。當(dāng)沒有收到時，則繼續(xù)進行數(shù)據(jù)檢測并上傳。當(dāng)收到命令后，電動機開始工作，同時喂食盤下的電子秤也開始檢測數(shù)據(jù)，并實時對比。當(dāng)檢測到的重量與服務(wù)器命令中的重量一致時，電動機和喂食盤下的電子秤模塊停止工作，并打開語音模塊播放音樂吸引寵物過來進食，之后繼續(xù)回到等待命令的過程。這樣完成了整個喂食過程。

4 實物制作及數(shù)據(jù)分析

通過上述對智能寵物投食器的方案論證、硬件設(shè)計分析和軟件設(shè)計分析，制作出智能寵物投食器的大致模型。使用KILE5軟件的C語言編寫底層由微控制器STM32F103控制的相應(yīng)模塊。

4.1 微信小程序的制作

根據(jù)上述所需功能，使用微信開發(fā)者工具通過JavaScript簡單制作了一個微信小程序界面。借助新大陸云平臺提供的服務(wù)器，建立了網(wǎng)絡(luò)連接。在設(shè)計了喂食時間后，應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送至新大陸云平臺，以保存喂食時間和重量。當(dāng)達到設(shè)定的時間后，平臺會向底層的微處理器發(fā)送數(shù)據(jù)，微處理器隨即開始工作。

4.2 新大陸云平臺服務(wù)器調(diào)試

新大陸云平臺是國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)——新大陸科技集團下的一款可供免費使用的服務(wù)器。本設(shè)計運用新大陸云平臺的服務(wù)器完成了微信小程序和微處理器的數(shù)據(jù)交換，并進行了相應(yīng)的處理。微信小程序端發(fā)送過來的定時喂食時間和數(shù)量的數(shù)據(jù)上傳到新大陸云平臺的服務(wù)器，經(jīng)過一些簡單的處理，形成一個個策略。策略的作用是在達到設(shè)定時間后，將發(fā)送一組數(shù)據(jù)給底層微處理器，即喂食命令。底層微處理器檢測到數(shù)據(jù)，通過Wi-Fi模塊上傳到新大陸云平臺的服務(wù)器。它會將獲得的數(shù)據(jù)保存，并刷新之前的數(shù)據(jù)，等待微信小程序來獲取。

4.3 硬件制作

通過KILE5創(chuàng)建工程，對各個模塊進行程序編寫和調(diào)試，完成實物的制作。在使用串口調(diào)試Wi-Fi模塊的過程中，首先向其發(fā)送AT命令，如果連接成功，則會回復(fù)OK。然后可以進行一些基礎(chǔ)設(shè)置。而在使用微處理器對其初始化時，首先要設(shè)置STK，STK的作用是連接熱點。連接熱點后，就可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)了。

在本設(shè)計中，Wi-Fi模塊在接收到數(shù)據(jù)后會進入中斷模式，優(yōu)先處理接收到的數(shù)據(jù)信息。圖5展示了使用新大陸云平臺服務(wù)器向Wi-Fi模塊發(fā)送喂食21克糧食的指令。電子秤模塊初始化時，GPIO口的兩個數(shù)據(jù)端口分別設(shè)為一個輸出和一個輸入。將SCK端口設(shè)置為推挽輸出50Hz模式，而B+數(shù)據(jù)口則設(shè)置為輸入模式。在獲取數(shù)據(jù)時，首先將SCK連接的PB8拉高，延時2毫秒后，可以在B+數(shù)據(jù)IO口獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。溫濕度模塊的初始化相對復(fù)雜。該模塊只有一根數(shù)據(jù)總線，需要同時用于發(fā)送收集模塊數(shù)據(jù)的命令和接收數(shù)據(jù)。因此，對這根數(shù)據(jù)線的初始化需要反復(fù)調(diào)整。在未發(fā)送獲取數(shù)據(jù)指令之前，默認設(shè)置為輸出模式。在發(fā)送獲取數(shù)據(jù)指令后，則須更改為輸入模式。待40位數(shù)據(jù)獲取完畢后，再將IO口設(shè)置回默認的輸出模式。圖6顯示，在調(diào)試過程中，電子秤模塊偶爾出現(xiàn)靈敏度變化，導(dǎo)致測量值忽大忽小。這一變化在整個調(diào)試過程中花費了最長的時間進行調(diào)整。最終，根據(jù)多次的調(diào)整，取其多次平均值作為最終換算數(shù)值。

5 結(jié)論

本設(shè)計共分為三層，分別為物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。首先，在物理層上，采用以STM32F103為核心的最小系統(tǒng)，結(jié)合Wi-Fi技術(shù)、傳感器技術(shù)和電機技術(shù)等制作而成，實現(xiàn)了室內(nèi)溫濕度的檢測、存量桶內(nèi)部重量的檢測、語音播報功能以及Wi-Fi數(shù)據(jù)上傳功能。在網(wǎng)絡(luò)層上，以新大陸云平臺提供的免費服務(wù)器作為平臺，連接了物理層的硬件和應(yīng)用層的微信小程序，主要進行雙方的數(shù)據(jù)交換和簡單處理工作。應(yīng)用層的微信小程序是基于微信載體的一種無須下載的應(yīng)用，主要功能是為了讓用戶隨時隨地控制家中的智能寵物投食器。系統(tǒng)通過仿真調(diào)試和實物制作基本上完成了設(shè)計要求。

由于知識儲備不足，本設(shè)計仍存在一些缺陷：1） 實物制作較為粗糙，在某些細節(jié)處理上未能做到位，例如食物運送盤的螺旋槳應(yīng)緊貼容器壁；2） 語音模塊的異常觸發(fā)，設(shè)計中應(yīng)使用上升沿形式觸發(fā)并發(fā)出語音。但在某些特殊情況下，當(dāng)控制端接了一根杜邦線而另一端懸空時，語音模塊也會被意外觸發(fā)；3） 設(shè)計初期考慮加入攝像頭模塊以觀看寵物，但由于知識體系的不足，最終只能選擇舍棄該模塊。本設(shè)計在細節(jié)上仍有很大的改進空間，未來在參加工作后，豐富知識儲備后將回過頭來完善本次設(shè)計，努力將其推向市場。通過此次設(shè)計深入了解物聯(lián)網(wǎng)，使人們領(lǐng)略到物聯(lián)網(wǎng)在生活中的強大之處，科技的進步引領(lǐng)人們過上更加舒適的生活。相信在不久的將來，所有人都能享受到物聯(lián)網(wǎng)帶來的便利，所有的小寵物都會擁有更精良的投食器。

參考文獻：

[1] 王岳.野外自動化鴨舍的改進設(shè)計與研究[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[2] 孔愛菊.適用于鴨稻共作技術(shù)的野外自動化鴨舍設(shè)計與應(yīng)用研究[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[3] 白亞梅.智能化的家養(yǎng)寵物喂食器設(shè)計[J].電子世界，2021（6）：192-193.

[4] 楊傳升，顧宗磊，劉鳳玲，等.一種小型全自動喂食機[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2020，17（7）：66，68.

【通聯(lián)編輯：梁書】