隨著物聯網技術發展，智能寵物管理系統備受關注。本文提出基于物聯網技術的系統，智能管理寵物飲食和環境。寵主可通過手機App實時監控飲食量、糧食余量，并遠程操控糞便清理器。系統支持壓力傳感器，自動判斷是否補充糧食，監測空氣質量并自動清新。

1、智能寵物管家系統的工作原理

STM32單片機作為控制核心，控制LED照明模塊、水位傳感器模塊、OLED顯示模塊、舵機模塊、電機驅動模塊、Wi Fi模塊等模塊的工作，同時與ShineBlink、云平臺和手機App通過ESP8266 Wi Fi模塊進行通信，從而實現用戶的遠程控制。傳感器包括紅外測溫傳感器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、空氣質量傳感器以及靠近傳感器等，通過采集實時數據，并將數據發送給STM32單片機進行處理。

繼電器模塊用來控制電機以及噴霧器的工作狀態，舵機模塊用來控制投放不同種類的食物，電機用來控制糞便清理器，完成清理寵物排泄物的操作，同時可以實時測量實物重量及寵物當前體重情況。當系統檢測到異常情況時，蜂鳴器報警電路將會觸發報警。通過這些模塊的協同作用，實現了寵物的自動化管理，方便了寵物主人的日常生活。

2、智能寵物管理系統硬件設計

系統框圖如圖1所示，由于本系統的功能模塊較多，功能模塊采用多種串口通信，為了滿足這些模塊的通信接口需求，采用SMT32F103ZET6開發板和物聯網開發板處理數據。ShineBlink與ESP8266 Wi Fi模塊、云平臺相連，STM32F103ZET6與壓力傳感器模塊、溫濕度傳感器、電機驅動等模塊相連。STM32F103C8T6與ShineBlink物聯網開發板之間通過串行外設接口（Universal Asynchronous Receiver Transmitter,UART）通信。UART是一種串行異步收發協議，僅使用兩條數據線發送數據，有助于正確地發送和接收數據。

2.1 STM32F103C8T6最小系統設計

如圖2,STM32F103C8T6是一種嵌入式微控制器的集成電路，芯體尺寸是32位，主頻是72MHz，擁有豐富的通用I/O端口。該芯片采用ARM Cortex-M3的處理器內核，具有高性能、低成本、低功效的優點。系統中的壓力傳感器、空氣質量傳感器、紅外測溫傳感器、空氣質量傳感器、靠近傳感器、溫濕度傳感器、電機驅動模塊及舵機模塊都與該芯片相連。STM32F103C8T6芯片用于采集寵物的體溫、寵物是否停留在糧盆附近、寵物屋內空氣質量等數據，并傳輸到手機App。

系統上電后首先初始化單片機設備，初始化完成后便進入模式選擇，模式選擇分為自動模式和手動模式。自動模式指各類傳感器自動進入工作狀態，若工作狀態異常，則會進入持續識別工作模式，直到工作狀態正常，系統才會進入工作狀態。手動模式指用戶通過手機App向系統發送命令，然后觀測每個傳感器傳回的數據，若數據傳輸發生異常會進入持續傳輸數據模式，直到數據傳輸正常。

3、智能寵物管理系統軟件功能設計

3.1 遠程操控和互動功能

如圖3，用戶可以通過手機App實時查看系統的測量數據如食物或水的重量、空氣清新質量等，實時了解寵物目前的情況，根據實際情況，從而決定是否需要投食或凈化空氣，同時還可以遠程操作糞便清理器來清理寵物排泄物，或者是控制逗貓棒、激光筆之類的玩具來遠程與寵物進行互動，讓寵物即使呆在籠子里也不會孤獨無聊，基本解決了寵物的生活問題，非常適用于主人短期外出，家中寵物無人照顧的場景。

3.2 排泄物清理和空氣凈化功能

如圖4，寵物管理系統內放置有清理寵物排泄物功能的自制工具和空氣質量傳感器，當寵物排便后，若出現臭味或其他異味時，置于房間內的空氣質量傳感器會將數據反饋給處理器，處理器再通過云平臺將數據反饋給手機APP，用戶便能通過手機操作啟動空氣清新劑噴霧裝置，噴出對寵物無傷害的氣體來凈化空氣，確保寵物所在環境沒有異味，改善寵物居住的環境。同時用戶也可以在App端隨時控制置于房間內的糞便清理器工作，實現清理寵物排泄物的功能。

3.3 智能投食功能

根據圖5、圖6和圖7，通過使用壓力傳感器可以實時監測寵物糧盆的重量，并將其與系統設定值進行實時比較。同時，通過使用靠近傳感器可以實時監測寵物是否在糧盆附近停留。當壓力傳感器讀取的重量低于系統設定值時，如果靠近傳感器反饋的信息顯示寵物沒有在糧盆附近，投食器會自動開始工作，向糧盆補充糧食。然而，如果靠近傳感器反饋的信息顯示寵物當前位于糧盆附近，為了避免驚嚇到寵物，即使此時糧盆重量低于系統設定值，投食器也不會開始工作。只有當寵物離開糧盆附近后，投食器才會自動補充糧食。這樣設計可以確保寵物在不受干擾的情況下正常進食。

4、硬件微處理部分

寵物管理系統由微處理器，各類傳感器模塊，繼電器模塊、舵機模塊，電機模塊，WIFI模塊和云平臺等多部分組成。微處理器、云平臺和手機APP通過WIFI模塊進行通信，傳遞和反饋數據，最后在手機APP上顯示出來，用戶則可通過手機APP進行遠程操作，傳感器模塊包括壓力傳感器，靠近傳感器，空氣質量傳感器等，分別對食物和水的重量、寵物是否處于糧盆附近、寵物管理系統的空氣質量等進行檢測。

繼電器模塊用來控制電機以及噴霧器的工作狀態，舵機模塊用來控制投放不同種類的食物，電機用來控制糞便清理器，完成清理寵物排泄物的操作。系統框圖如下圖8所示。

4.1 微處理器

硬件微處理部分選用ShineBlink開發板作為處理器，進行微控制和工作，ShineBlink是一款主打物聯網開發的最小應用系統板，以簡易開發為主，芯片內置編譯器，無需安裝任何開發環境、Win、Mac、Linux電腦任意文本編輯器即可開發，開發環境簡單，便于上手編寫程序；其次，功能代碼實現簡單，無需進行大量的初始化，僅用數行代碼即可實現多種傳感器功能，上手簡單、開發輕松！ShineBlink開發板如下圖所示。

4.2 壓力傳感器

壓力傳感器選用型號HX711壓力稱重傳感器，是一款專為高精度稱重傳感器而設計的24位A/D轉換器芯片。與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩壓電源、片內時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點。在智能寵物管理系統中用于對寵物盒里的口糧和水進行稱重，判斷是否需要添加糧食和水，同時將測量的數據反饋給微處理器。壓力傳感器如下圖10所示。

4.3 舵機模塊

舵機模塊選用型號為DS32系列的數字舵機，該款數字舵機內部伺服控制板采用單片機MCU控制,給一次PWM脈寬，舵機輸出角度可鎖定。控制精度高、線性度好、與控制協議嚴格一致，最小控制角度達到0.9°以下。數字電路板、金屬齒輪、CNC鋁中殼、雙滾珠軸承、散熱快、耐用更高,供電電壓在4.8-6.8V，工作電流可達1-2A，通過PWM信號控制，工作頻率在50Hz-330Hz，用于控制食物種類的選擇和糧食的投放，操作方便，效果顯著如下圖11所示。

5、軟件設計

5.1 程序流程圖

5.2 機智云平臺

機智云平臺是機智云物聯網公司多年積累和對物聯網行業深刻理解的結晶，為個人和企業開發者提供的一站式智能硬件開發及云服務平臺。該平臺涵蓋了產品定義、設備端開發調試、應用開發、產測、云端開發、運營管理、數據服務等全生命周期服務，助力智能硬件從接入到運營的全方位支持。

機智云物聯網平臺為開發者提供了自助式智能硬件開發工具與開放的云端服務。通過方便的自助工具、完善的SDK與API服務能力最大限度降低了物聯網硬件開發的技術門檻，降低開發者的研發成本，提升開發者的產品投產速度，幫助開發者進行硬件智能化升級。機智云平臺的生態環境如下圖13所示。

5.3 網關設備

網關設備選用ESP8266串口WIFI模塊，模塊采用串口與MCU通信，內置TCP/IP協議棧，能夠實現串口與WIFI之間的轉換，兼容3.3V和5V單片機系統，支持串口轉WIFI STA方案，模塊小巧，抗干擾能力強，性能好，穩定可靠，作為接入機智云平臺的網關，可以將硬件設備連接云平臺進行數據交互，實現硬件聯網，wifi模塊與MCU的連線圖如下14所示。

5.4 App開發

通過機智云物聯網平臺，可以輕松地開發自己的APP，并根據需求自行設計APP界面。可以基于已有模塊進行設計，并添加所需的數據點以滿足功能需求。使用WIFI模塊，可以實現與云平臺和微處理器之間的數據傳輸。在機智云平臺上開發智能硬件時，不僅可以方便地使用該APP對硬件設備進行調試和驗證，還可以完成一系列基本設備操作，如配置入網、設備搜索、設備綁定、設備登錄、設備控制、遠程控制、狀態更新、本地遠程切換等。

同時，可以創建所需的數據點來傳輸和更新硬件設備上傳到云平臺的數據。具體操作示例如圖15所示。通過機智云平臺，可以高效地開發屬于自己的智能硬件，并實現與APP之間的數據傳輸和控制功能。

6、作品實物展示

7、測試結果及分析

該系統經過充分測試，能自動采集、傳輸和處理數據，實現智能投喂、遠程清理寵物排泄物、遠程互動和空氣凈化。當空氣質量異常時，噴霧裝置釋放特殊液體凈化空氣，壓力傳感器檢測食物或水重量決定是否添加，手機App可選擇不同食物投放。系統可解決寵物無人照顧問題。與機智云物聯網平臺對接后，云平臺批量管理設備，確保系統穩定性。