一种智能宠物居的设计

王怡 杨玉斌 韩家骏 谢帆

（东南大学成贤学院 江苏省南京市 210000）

随着社会不断进步，人们的生活水平日益提高，越来越多的家庭选择饲养一个或多个宠物陪伴家人的生活与成长。从《2020年中国宠物行业白皮书》中了解到，2020年全国城镇犬猫数量超过1亿，比2019年增长1.7%。2020年全国城镇养宠主人达6294 万人，较2019年新增174 万。由此可见宠物饲养的普遍性。

宠物作为人类精神的寄托，人们通常对宠物倾注更多的照料和关心。2020年中国城镇宠物消费市场规模达2065 亿元。其中宠物食品消费是最大的养宠支出，宠物诊疗和宠物用品的增速最快。但同时，社会分工的明确，工作量的增加，以至于因平时工作忙或出差时而难以实时照料宠物，同时宠物在家庭内及户外的活动一般是不可控的，因而需要一款可以智能照看的宠物居住行的一体化设备。

当前市场上出现的喂养器虽然实现了定时定量的喂养，但通常都是机械式的，无法区分多个宠物，从而无法根据宠物的现实情况进行精细化喂养。其次，传统的宠物项圈是为了保护、控制和牵引宠物，功能相对单一。也无法定位宠物的具体位置，无法确定不在视线范围内的宠物安全。一旦宠物走失或遭遇不测，无疑会给主人带来较大的损失[1][2]。

所以，我们通过调查养宠人的需求，进行可实现化。我们通过GPS 项圈随时精准定位，IOT 物联网技术随时监控智能食盒，保证定时定量的输出，同时在食盒内加入了温湿度传感器和承重模块，在一定程度上对宠物食物的进行监控，从而提高了宠物的舒适度，适用价值高，同时提高了生活幸福感。

1 项目设计的意义

宠物已经是现在社会很多家庭中不可或缺的成员之一了，但是在现代科技社会的飞速发展下，我们并没有足够多的精力去照顾自己的宠物，自然而然就需要利用一些科技来替我们去解决一些宠物的日常需求。本次设计，我们针对宠物智能住行的问题展开了研究，不仅为人们提供方便与快捷，也让宠物独自在家有了一定得保障。其中项目的亮点如下：

1.1 智能性

与一般的喂养器不同，本设计可以实现区分不同的宠物，使每一个宠物只能打开自己独特的食盒，以实现一对一的模式，防止宠物之间实现抢食物等问题。

1.2 便捷性

一方面我们制定的食盒可以根据宠物的需要自动打开食盒开，进而方便宠物的日常进食，同时主人可以随时监控到食盒的剩余量多少，从而选择是否添加食物等，在为提供方便的同时，也保障了宠物食量的时刻充足。另一方面，我们在食盒上安装了测量模块，监测食盒的环境，可以看到食盒的温湿度变化，旨在为了使食物保持最好的状态。

1.3 安全性

我们设定的项圈带有GPS 功能，可随时定位宠物，若感应超过规定范围，便及时提醒主人找回宠物，增强了宠物的安全性，极大地防止宠物走失。

1.4 及时性

宠物所携带的项圈可以随时提供准确位置，方便主人第一时间确定宠物位置，保证其安全。同时，不论是食盒的环境、食物的含量、还是宠物的位置，都可以通过手机小程序实时监控[3]。

首先，智能时代讲究万事皆智能，智能也是本设计的重点，用智能解决宠物的吃住行，同时还在一定程度上解决了主人的双手。其次，安全性也是重中之重，情感也是人们日益追求的，而宠物与人类的感情也是极为重要的，所以保证宠物安全极有必要。综上，智能宠物居的现实意义极大。

2 项目设计方案

本项目由智能宠物项圈和食盒两个部分组成，设计实现温度测试功能、承重显示功能、无线射频功能、GPS 定位功能。在上述研究背景之下，基于拥有宠物的户主越来越普遍，如何能更便利于拥有多只宠物的家庭成为了此项目研究目标。为解决背景技术中存在的技术问题，设计出一种基于IOT 物联网技术的宠物居的实现。此宠物居不仅能够使宠物主人时刻掌握宠物的位置状况、进食状况，还能够通过LED 显示食量，对用户进行补餐提醒；并且也能够通过采用GPS 定位功能有有效防止宠物丢失，及时的提醒主人找回宠物，适合推广使用。系统设计总览图如图1 所示。并将以上功能分为以下几个模块：

2.1 检测模块

检测模块主要位于食盒中，在食盒中加入控制单元、食物承重检测单元、LED 屏幕显示模块，通过喂食承重检测单元对食物的重量进行承重检测、温湿度传感器对食盒环境进行监控，将结果传输到控制单元分析后，输入LED 屏幕显示模块，使得用户可以直接通过LED 屏幕进行查看食盒具体剩余的食物量，避免过多投喂造成浪费。同时连接Wi-Fi 模块，实现物联功能，使用户可以通过手机小程序看到如上数据。

2.2 GPS定位模块

在项圈内利用GPS 定位模块确定位置，首先接收卫星信号，与卫星信号同步，提取导航电文信息，从而得到时间，位置，卫星数量等信息，然后将数据上传单片机，通过Wi-Fi 上传数据到服务器，手机网站内置电子地图数据，从服务器获取数据后即可将GPS信号接收点实时显示在电子地图上，实现对项圈的定位功能。

2.3 识别模块

其中智能宠物项圈是基于RFID 的芯片运用无线射频技术实现与食盒的识别，这样宠物不会混淆它们的食盒，同时亦不会因为进食原因而发生宠物之间的争抢从而造成不必要的麻烦。

识别模块使用RFID 无线射频技术，共两个部分，分别存在于项圈和食盒中。我们在项圈中安装电子标签，在食盒的宠物取食部位上安装阅读器，只有电子标签和阅读器接近到一定距离互相匹配时，食盒的盖子才会打开以供宠物取食，达到识别不同宠物，防止宠物之间抢食的目的。

3 系统软硬件设置

本设计要求实现自动开启功能、温湿度测试功能、承重显示功能、GPS 定位功能，因此选用单片机去控制电路、舵机去自动开启食盒。本设计主要由STM32 单片机连通三大模块、六大功能。主控模块选用高性能、低成本、低功耗的STM32，并确定STM32F103 为核心板，系统需要编写大量程序对单片机进行控制。因此本次采用的软件为keil，主要思想是根据所设计的宠物居的基本要求设计的。

识别模块使用RFID 无线射频技术，共两个部分，分别存在于项圈和食盒中。我们在项圈中安装电子标签，在食盒的宠物取食部位上安装阅读器，只有电子标签和阅读器接近到一定距离互相匹配时，食盒的盖子才会打开以供宠物取食，达到识别不同宠物，防止宠物之间抢食的目的。本设计的核心为RFID 无线射频技术，经代码编写、串口配置、接线、烧录，实现信号之间的传输和匹配，又根据射频匹配信号，输入STM32 后，通过定时器输出PWM 波，其周期20ms，高电平占空比1.5ms。控制舵机，使舵机转动90°，从而带动食盒开关的开启。

基于检测模块，运用了温湿度模块DHT11。数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。每个DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC 测温元件，并与一个高性能8 位单片机相连接。使用单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。与温湿度相连接的是一款超低功耗的UART-WiFi 透传模块ESP8266，可将用户的物理设备连接到Wi-Fi 无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。在mpvue 环境下下载sass-loader 使用vscode 编程小程序，微信开发工具导入后通过阿里云平台连接mqtt 服务器，实现数据传输互联。

而在检测模块的承重功能使用5kg 的压力传感器和HX711 模块相连，利用电阻应变式压力传感器将重力转换成电压，在711 模块A 通道带有128 倍信号增益，可以将产生的电压放大128 倍，然后采样输出24bitAD 转换的值，连接STM32 单片机，通过指定时序将24bit 数据输出。然后连接WiFi 模块与温湿度数据一同上传到小程序里。另外将承重模块和温湿度模块连接到LED 显示模块，使得用户可以直接通过LED 屏幕实时监控食盒的参数。

基于GPS 定位模块，使用高性能、高集成度的多模卫星定位导航模块AIR530 模块，驱动程序采用NMEA 0183 V4.1 协议，接收卫星信号，与卫星信号同步，提取导航电文信息，使用$GPGGA语句，得到时间，位置，卫星数量等信息。530 模块不间断的重复发送这些语句到STM32 单片机上，通过Wi-Fi 模块上传语句数据小程序，使用上位机软件进行分析，根据定位原理计算出GPS 接收机的初始位置，即可实现定位，并将其转换成所需的坐标格式进行显示[4]。定位模块设计图如图2 所示。

本设计主要研究的是一个基于STM32 单片机的智能宠物居，包括自动喂食，检测环境参数以及实时定位。此系统包含了由单片机STM32 连接的检测模块、识别模块、定位模块。随着社会的发展，人们物质生活要求越来越高，对于宠物的依赖也越来越高，因此对于此设计的出现，给予了那些拥有宠物的人们更多的方便，具有重大意义。