【IoT畢設(shè)】機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺+STM32單片機+智能寵物屋實現(xiàn)

摘要:為了更方便地照顧寵物，筆者設(shè)計一款基于STM32單片機的智能寵物屋。該智能寵物屋以STM32F103ZET6單片機控制器為核心，通過壓力傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、紅外測溫傳感器、靠近傳感器、溫濕度傳感器和電機驅(qū)動等模塊，實現(xiàn)了智能喂養(yǎng)、空氣凈化和寵物排泄物清理等功能。系統(tǒng)利用ESP-01SWiFi模塊接入機智云平臺，將傳感器收集的信息實時傳輸?shù)?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/107/" target="_blank">手機App，實現(xiàn)對寵物的遠程控制和管理。

引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，飼養(yǎng)寵物已經(jīng)成為一種潮流。目前，市場上出現(xiàn)了很多類似智能寵物屋的產(chǎn)品，但大多數(shù)功能比較單一，不能很好地解決寵物喂食和居住環(huán)境等相關(guān)方面的問題[1-3]。針對這些問題，本文設(shè)計了基于STM32單片機的智能寵物屋。

1智能寵物屋的工作原理

智能寵物屋主要由STM32單片機、ShineBlink、傳感器模塊、繼電器模塊、舵機模塊、電機驅(qū)動模塊及WiFi模塊等部分構(gòu)成。STM32單片機主要用于控制繼電器模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機模塊，ShineBlink、云平臺和手機App通過esp8266WiFi模塊進行通信，用戶可通過手機App進行遠程操作。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(zhì)量傳感器以及靠近傳感器等。繼電器模塊用來控制電機以及噴霧器的工作狀態(tài)，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[4-6]。

2智能寵物屋功能設(shè)計

2.1智能喂食

用戶通過壓力傳感器實時檢測寵物糧盆的重量，并實時與系統(tǒng)設(shè)定值進行比較，并且通過靠近傳感器檢測寵物是否停留在糧盆附近，如果寵物未停留在附近，那么投食器將會自動投食。當寵物停留在糧盆附近，為不驚嚇寵物，即使糧盆重量低于系統(tǒng)的設(shè)定值，也不會進行投食，只有當寵物離開糧盆附近后，投食器才會自動補充食物。

2.2空氣凈化與寵物排泄物清理

寵物屋內(nèi)放置有清理寵物排泄物功能的自制工具和空氣質(zhì)量傳感器，當寵物排便后，若出現(xiàn)臭味或其他異味時，空氣質(zhì)量傳感器會將數(shù)據(jù)傳輸給STM32單片機，然后通過串口通信協(xié)議傳輸?shù)絊hineBlink，再傳輸?shù)皆破脚_將數(shù)據(jù)反饋給手機App，用戶便能通過手機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(huán)境沒有異味，改善寵物的居住環(huán)境。同時，用戶可以在手機App端隨時控制糞便清理器工作，實現(xiàn)清理寵物排泄物的功能[7-9]。

2.3環(huán)境溫濕度測控

用戶可以使用溫濕度傳感器實時監(jiān)測寵物屋內(nèi)的溫濕度，并將單片機采集的實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，而后將數(shù)據(jù)反饋給手機App，用戶可遠程實時查看寵物屋內(nèi)環(huán)境的溫濕度。

2.4紅外體溫檢測

系統(tǒng)通過紅外測溫傳感器檢測寵物的體溫。當寵物想進食或者進入寵物屋內(nèi)休息時，紅外傳感器將會實時地檢測寵物體溫，用戶通過手機App能實時觀察寵物當前的體溫狀態(tài)，并作出調(diào)整。

2.5遠程操控和互動

用戶可以通過手機App實時查看系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)，實時了解寵物當前的情況，根據(jù)實際情況決定是否需要投食或者凈化空氣。同時，用戶可以遠程操作糞便清理器清理寵物排泄物，或者遠程控制逗貓棒、激光筆之類的玩具與寵物進行互動，使寵物即使待在籠子里也不會孤獨，既解決了寵物的生活問題，又能夠適時調(diào)整寵物的精神狀態(tài)，非常適用于家中寵物無人照顧的場景[10]。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)框圖如圖1所示，由于本系統(tǒng)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(fā)板和ShineBlink物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板處理數(shù)據(jù)。ShineBlink與ESP8266WiFi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(qū)動等模塊相連。

STM32F103ZET6與ShineBlink物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板之間通過串行外設(shè)接口（UniversalAsynchronousReceiverTransmitter,UART）通信。UART是一種串行異步收發(fā)協(xié)議，僅使用兩條數(shù)據(jù)線發(fā)送數(shù)據(jù)，有助于正確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

3.1STM32F103ZET6最小系統(tǒng)設(shè)計

STM32F103ZET6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ARMCortex-M3的處理器內(nèi)核，具有高性能、低成本、低功效的優(yōu)點。系統(tǒng)中的壓力傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、紅外測溫傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、靠近傳感器、溫濕度傳感器、電機驅(qū)動模塊及舵機模塊都與該芯片相連。STM32F103ZET6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(nèi)空氣質(zhì)量等數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)绞謾CApp。

3.2 ShineBlink最小系統(tǒng)設(shè)計

ShineBlink最小系統(tǒng)選用ShineBlinkCore開發(fā)板芯片作為控制核心。ShineBlink芯片內(nèi)置編譯器，無需安裝任何開發(fā)環(huán)境，使用較少代碼即可實現(xiàn)WiFi組網(wǎng)通信，大大降低了與云平臺建立連接的難度。

4軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)上電后首先初始化單片機設(shè)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(tài)，若工作狀態(tài)異常，則會進入持續(xù)識別工作模式，直到工作狀態(tài)正常，系統(tǒng)才會進入工作狀態(tài)。手動模式指用戶通過手機App向系統(tǒng)發(fā)送命令，然后觀測每個傳感器傳回的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生異常會進入持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)模式，直到數(shù)據(jù)傳輸正常。

圖1系統(tǒng)框圖

4.1機智云Aiot開發(fā)平臺聯(lián)網(wǎng)

機智云平臺是一站式智能硬件開發(fā)與物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺，全品類設(shè)備聯(lián)網(wǎng)支持，“軟件+硬件+數(shù)據(jù)+算法”一體化解決方案，全方位智能化服務(wù)體系?？梢詫崿F(xiàn)設(shè)備接入、遠程控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、設(shè)備管理及用戶管理等功能。用戶利用手機App與喂養(yǎng)裝置和清理糞便裝置進行通信，在手機App上可以隨時觀察寵物的活動狀態(tài)。為了實時監(jiān)控寵物的狀態(tài)，該系統(tǒng)采用WiFi無線通信方式，將硬件系統(tǒng)各層中的協(xié)議和接口相結(jié)合，形成物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系。

4.2機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺開發(fā)

根據(jù)需求定義數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)點是設(shè)備產(chǎn)品的功能抽象，用于描述產(chǎn)品功能及其參數(shù)。創(chuàng)建數(shù)據(jù)點后，便可確定設(shè)備與云端通信的數(shù)據(jù)格式，設(shè)備、機智云可以互相識別設(shè)備與機智云互聯(lián)互通的數(shù)據(jù)。

4.3嵌入式軟件開發(fā)

圖2手機應(yīng)用端界面

本系統(tǒng)采用機智云平臺中的MCUSDK開發(fā)嵌入式軟件。自動生成的軟件開發(fā)工具包（SoftwareDevelopmentKit,SDK）實現(xiàn)了機智云通信協(xié)議的解析與封包，并封裝成了簡單的應(yīng)用程序接口（ApplicationProgrammingInterface,API）。當設(shè)備收到云端或者App端的數(shù)據(jù)后，開發(fā)者只需要在對應(yīng)的事件處理邏輯中添加傳感器的控制函數(shù)，便可完成產(chǎn)品的開發(fā)。

4.4手機App開發(fā)

手機App在機智云官網(wǎng)提供的移動應(yīng)用里進行開發(fā)，可以設(shè)計App的頁面配置、圖標、顏色以及關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品。手機應(yīng)用端界面如圖2所示。硬件系統(tǒng)通過WiFi連接模式創(chuàng)建數(shù)據(jù)點，通過App連接硬件，實現(xiàn)終端控制，能夠顯示寵物的狀態(tài)及寵物屋的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

5結(jié)語

基于STM32單片機的現(xiàn)代智能寵物屋，能夠自動進行數(shù)據(jù)采集、傳輸及處理，實現(xiàn)了智能喂食、遠程清理寵物排泄物、檢測環(huán)境溫濕度、檢測寵物體溫、遠程互動和凈化空氣等功能。用戶通過手機App可選擇不同種類的食物進行投放，很好地解決了寵物無人照顧的問題，該智能寵物屋擁有廣闊的發(fā)展前景。