機智云技術在寵物管理系統中的應用

陳金誼 李泳清 邱廣萍

摘 要：為了方便人們更好地管理寵物，設計基于STM32和機智云SDK進行二次開發的安卓APP寵物管理系統。該系統整合WiFi聯網模塊和傳感器技術，實現隨時隨地遠程觀察寵物狀況、控制管理寵物喂食以及清理等服務，從根本上解決由于時間距離關系不能更好地照顧寵物的需求。機智云開發平臺操作簡單方便，兼容性好，系統安全性能高。

關鍵詞：機智云技術;寵物管理;STM32;WiFi聯網模塊;傳感器技術;安卓APP

中圖分類號：TP510文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）09-00-03

0 引 言

在我國，飼養的寵物越來越多，但人們由于工作、生活的原因沒有更多的時間更好地照顧管理寵物，因此對飼養寵物工具的要求也越來越高。目前在市場上寵物喂食系統部分是人工喂養，多半是半自動喂養，產品比較單一，在一定程度上無法滿足人們的需求。針對目前市場的需求，整合市場上單一產品的優點，設計實現基于機智云技術的智能寵物管理系統。本系統以Cortex-M4為內核的STM32F429芯片為核心，通過機智云整合單片機、WiFi物聯網實現對寵物智能喂養與管理的功能。

1 機智云技術

從2014年推出的機智云1.0到現在的機智云3.0，機智云實現了技術積累，提供物聯網云平臺、硬件通信、終端APP一體化產品服務和云服務，為有物聯網管理需求的客戶提供連接、運營管理、數據分析等服務。用戶可以自定義統計分析，對機智云SDK進行二次開發，使智能硬件設備接入機智云后的功能更加完善，更加便于管理。機智云的功能可以概括為連接硬件設備，存儲分析數據并保證數據的安全性，通過唯一的標識碼鏈接主控設備后控制設備。物聯網的價值源于萬物互聯的“智能化”，機智云為企業提供智能硬件自助開發工具（PaaS）及物聯網行業解決方案（SaaS），走在了物聯網云服務市場的前列。機智云開發系統示意圖如圖1所示。

2 總體設計

寵物管理系統由硬件系統、軟件系統組成。硬件系統包括主控模塊、電機模塊、液晶屏顯示操作模塊、傳感器模塊、電源模塊和攝像頭模塊。軟件系統首先要開發環境搭建，完成MDK軟件安裝、USB串口驅動安裝、ST-LINK安裝，采用C++/C語言和單片機C51等語言來編寫模塊化程序。軟件系統主要實現機智云物聯網功能，并在手機開發相應APP系統。機智云物聯網系統一方面遠程控制移動終端，利用網絡和底層控制相關功能，實物搭建完畢和下載好程序，上傳好數據，就可以通過液晶屏、自動檢測、安卓手機進行發送指令;另一方面把數據上傳到機智云端，機智云的服務器就會對收到的數據進行處理和分析，將結果上傳到控制終端，并在終端中顯示，這種形式克服了時間和區域問題，能精確地知道寵物的活動狀況[1]。系統設計如圖2所示。

3 硬件系統設計

本文的控制系統以Cortex-M4為內核的STM32F429芯片為控制核心，通過溫濕度傳感器對寵物屋的空氣溫度、濕度實現實時監測;利用嵌入式與物聯網技術，通過溫濕度傳感器和激光傳感器的應用，并借助Andriod APP終端實現對寵物的遠程觀察。該系統可以實時監測相關參數，并以此判斷當前的物理環境狀況，自動調節溫度、濕度以及投放食物量等相關操作。

主控模塊使用了ARM公司的STM32F429芯片、CH340G芯片、AT24C02芯片。電機模塊使用了Realplay品牌的微型130小電機來控制風扇轉動，使用立式的型號為ZGA37RH電機控制喂食的閥門和清理糞便。液晶顯示屏模塊用于顯示溫濕度和激光測量距離實物的高度等。傳感器模塊由溫度傳感器、濕度傳感器組成。電源模塊有兩種供電模式：USB供電模式和電池供電模式。攝像頭模塊用于觀察寵物的活動狀況，應用市場上成本較低但比較成熟的攝像頭。

3.1 WiFi模塊

WiFi聯網屬于辦公和家庭使用的短距離無線技術，具有速度快、可靠性高等特點。在開放性區域，通信距離可達300 m左右;在封閉性區域，其通信距離為100 m左右，組網的成本低。該系統選用的ESP8266 WiFi模塊芯片是一款串口轉無線芯片模塊，內部自帶固件，用戶操作簡單，無需編寫時序信號。ESP8266 WiFi模塊內部配置TCP/IP協議，支持Smart Config功能;支持SPI，UART，I2C，I2S，PWM，GPIO，IR遠程控制功能，以及2 ms喚醒，連接并傳遞數據開發包的特性。

3.2 傳感器模塊

溫濕度傳感器模塊包括溫濕度顯示、自動調節溫濕度、人工調節溫濕度等。它有三大執行元件：DTH11溫濕度傳感器、5 V電熱片和5 V/1 A直流小電機。本設計中，當DTH11溫濕度傳感器給主控系統傳輸的數據高于設定值時，主控系統發送一個信號使直流小電機開始工作降溫;當數據低于設定值時，主控系統發送一個信號使電熱片工作升溫。

為了防止電熱片與直流小電動機啟動和關閉時，電流過大影響芯片和DTH11溫濕度傳感器，本系統采用分開供電模式：DTH11的電源來自于主控板阿波羅STM32F429IGT開發板的電源端口，而電熱片和直流小電動機的電源直接采用18650鋰電池來供電。電熱片和直流小電動機均采用PWM脈沖信號控制，但不是直接使用PWM脈沖信號控制，而是使用兩個小繼電器單獨控制電熱片和直流小電動機。主控模塊用PWM脈沖信號來控制繼電器，從而間接控制電熱片和直流小電動機的啟動和關閉。采用繼電器來控制的方案是經過綜合考慮的，這樣不僅經濟、安全，而且使用簡單。

4 軟件系統設計

整個軟件系統設計是基于μC/OS-Ⅲ操作系統和STemWin圖形界面系統進行設計。首先，對μC/OS-Ⅲ操作系統和STemWin圖形系統移植;接著，編寫各個模塊的驅動代碼，為每個模塊開啟相應的任務，分配好棧和優先級，同時利用仿真器制作相應的按鈕控件，并在Visual C++ 6.0上進行測試;最后，將測試好的控件代碼移植到工程中，這樣就可以通過μC/OS-Ⅲ對圖形界面的相關控件任務進行調用并顯示，根據寵物家園的硬件系統進行模塊化編寫，而程序使用IAR軟件進行編寫。

4.1 機智云物聯網

在該系統應用的物聯網技術是市面上的智能喂食系統版和集合版，把單一的寵物喂食系統的優點結合起來，設計一個更加完美和符合市場需求的產品，是原來產品的升級版，實現對寵物遠程實時監控的功能。寵物管理系統遠程實時監控主要功能有兩點：用戶手機APP軟件與喂養裝置和清理糞便裝置進行通信;在安卓APP上隨時都可以觀察寵物的活動狀態。

物聯網網絡架構分為應用層、網絡層、感知層。通過上面分析，通信模塊主要是基于IEEE 802.11協議的WiFi低功耗SoC廣域網，工作在2.4 GHz/5 GHz頻段，可以借助于互聯網、云概念和智能終端，更加方便地對任何物體進行連接。物聯網對所連接的設備的通信協議要求有以下三點：聯網的每一物件均可尋址;聯網的每一物件可通信;聯網的每一物件可控制[2]。為滿足以上要求，該系統采用WiFi聯網的方式，使硬件系統成為可通信可控制的網絡體。機智云物聯網網絡架構如圖3所示。

4.2 手機APP開發

本系統所用遠程控制的客戶端是基于機智云開發的安卓APP控制。根據機智云部署步驟和調試步驟，在機智云平臺開發SoC模式，創建安卓APP的操作步驟如圖4所示，成功地把硬件系統接入到機智云服務。

在創建機智云服務之前需要先下載安卓APP開源框架，并準備好Eclipse開源框架編譯環境。導入項目到Eclipse工程后，根據開源框架包結構的說明，修改UIConfig.json文件，在這里可以配置工程的配置信息。正確填寫機智云的Product Key，APP ID，APP Secret后，工程就可以部署運行。云端會自動生成一個仿真設備，可模擬真實設備上報數據的行為。在實體設備還未開發完成的情況下，開發者可以利用機智云提供的虛擬設備工具進行APP調試，測試遠程控制設備的功能。其中，在WiFi鏈接模式時，當WiFi通信在無優先級或者BT/ZB優先級較高的情況下，可以人為中斷WiFi工作，只需通過GPIO口來區分各個通信的優先級。利用聯網的IP地址與安卓APP連接，通過該端口發送參數信息，并通過APP界面顯示。要實現機智云APP與硬件設備聯調，首先要使手機和硬件設備連接到同一個網絡上，通過網絡向服務器發出請求，并且獲得相應的信息。信息的傳遞是雙向的，機智云APP可以控制硬件設備，若手動操作硬件設備，APP界面上相應的數據也會變化。該系統相應的安卓APP界面如圖5所示。

5 測 試

（1）首先在機智云平臺上的開發者中心打開已經開發的Android APP—寵物管理系統，依次點擊“在線調試設備”“啟動虛擬設備”。在頁面上有生成已開發的寵物管理系統的二維碼，手機下載機智云，進入機智云APP掃描二維碼進行綁定。然后進行電腦模擬虛擬設備控制和手機APP操作按鈕進行測試。在模擬設備和手機APP上操作有數據并且在仿真軟件無誤顯示的話，證明在線測試成功。

（2）把手機APP與實物進行連接，寵物家園系統處于啟動狀態，在手機終端APP添加實物設備。進行一鍵配置時，嘗試多次配置并失敗。排查網絡問題，隨后分別連接WiFi和4G網絡進行配置，配置并沒成功。最后更換安卓手機后，配置成功。開始進行遠程控制各個模塊。

（3）遠程控制時發現手機APP中顯示溫濕度與硬件設備液晶顯示屏上數值不對應，手機APP中需要延時很長時間，數值才更新，并且多個按鈕沒有添加松手檢測，以至于要一直按著按鈕才能使其工作。

（4）排查代碼的不嚴謹而導致的延時問題，經過優化代碼后，調試成功。其中，進行APP調試時開發APP是難點;對Java語言不太熟悉的情況下，應用WiFi連接設備和APP的連接調試，要花不少時間。

6 結 語

本文所述寵物管理系統可以通過安卓手機APP遠程觀察寵物的活動，隨時隨地通過手機進行投食、清理糞便，實時顯示溫濕度并可調節溫度。該系統具有操作簡單、易懂、方便等優點，且安全性、穩定性、智能性較高。但是，該系統還存在幾個可以優化地方：增加語音提示功能、增加遠程故障短信通知等功能，有待進行下一步研究。

注：本文通訊作者為邱廣萍。

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