基于Arduino 智能寵物屋的研究與設計

胡西雷 楊云飛 沈培林 張藝祥 曾 毅*（鄭州科技學院，河南 鄭州450000）

1 設計目的

設計這個產品的目的是為了減輕用戶負擔、寵物生活舒適、減少細菌侵害、保護家庭環境。智能寵物屋能夠幫助用戶照顧寵物的日常生活，該系統能實時監測寵物屋內的溫濕度，并調節溫濕度、寵物屋空氣凈化、殺菌消毒、紅外傳感器監測寵物休息情況、esp8266WiFi 芯片聯網、監控、喂食喝水等功能。本次設計在寵物屋的側面預留空間，方便喂食器安裝和拆卸，使用戶使用方便。該寵物屋的設計比較人性化，解決了用戶不在家時寵物也能夠正常生存的問題。

2 設計思路

現在養寵物的家庭一般都會為了方便照顧寵物而給寵物準備小屋。傳統的寵物屋是木制的，雖然是通風防潮濕，但寵物的健康問題得不到保障。新型的寵物屋雖然能通過陽光浴殺菌消毒，但是在陰雨天，寵物的健康問題仍然得不到保障。我們設計的寵物屋考慮到了這幾個方面。

第一，寵物屋的環境問題。包括寵物產生的異味、毛發，寵物屋里面的潮氣和細菌，這些問題會給用戶帶來煩惱，因此在寵物屋內部后面裝上空氣凈化器，除去異味。在寵物屋內壁上放置5 個UV 紫外線發光二極管，具備殺菌和消毒功能。用防靜電面料減少屋內掉毛發，在寵物屋左右后邊開三個通風口，防止寵物在寵物屋里面被悶死。

第二，寵物的健康問題。對于愛寵之人，主人也會關心寵物的健康問題。利用紅外感應和紅外測溫傳感器分別來監測寵物在窩內的休息時間和測體溫，保證寵物充足的睡眠，在睡前和醒后分別測一次體溫。

第三，寵物的生存問題。如果主人上班、出差或旅游，主人就無法照顧寵物。因此專門設計喂食裝置固定在寵物屋旁邊，可以通過手機APP 打開食物和水的閥門，每天按時按量喂養寵物。

第四，節能環保問題。如果用戶讓寵物屋一天24 小時不間斷地工作，會消耗很多電量，不但增加了用戶養寵物的成本，而且耗電量大也帶了環保問題，因此采用降壓穩壓模塊，降低寵物屋的能耗。

第五，可視化操作界面。主人可以將設計好的人機控制界面下載到手機上，通過物聯網傳遞數據，APP 將收集到的Arduino數據分析運算，在手機人機控制界面可以實現顯示溫濕度信息，調節溫濕度，調節攝像頭舵機的角度查看畫面，監測寵物睡眠時間，打開喂食和水的閥門喂養寵物等等。

3 工作原理

3.1 通過Arduino 控制DHT11 溫濕度傳感器，DHT11 溫濕度傳感器將采集的溫濕度信號經Arduino UNO 主控芯片分析運算后，在12864OLED 顯示屏上顯示溫濕度信息[2]，同時將數據通過esp8266WiFi 芯片傳輸到手機的APP 上，手機的人機控制界面輸入溫濕度數值反饋給Arduino UNO 主控芯片，當溫度沒有達到設定的值時，就會驅動半導體陶瓷進行工作，達到升溫降溫的目的，當濕度沒有達到要求，會驅動加濕器工作。

圖1 實現溫濕度調節原理圖

3.2 紅外感應傳感器和紅外測溫傳感器測到的信號可以反饋到Arduino UNO 主控芯片，Arduino UNO 主控芯片分析運算之后通過esp8266WiFi 芯片傳輸到手機APP 上，主人可以查看寵物休憩情況和體溫。

3.3 空氣凈化器具有除異味、細菌分解能力，負離子主動捕捉空氣中的有害物質、凈化空氣，HEPA 是一種高效過濾材料，可以有效地過濾空氣中的懸浮顆粒物。[5]光觸媒濾芯在UV 紫外線燈的作用下分解異味、抑制細菌、強效凈化空氣。[6]這是一個獨立的模塊，額定電壓是12V，只需要接入電源模塊就可以使用。

3.4 監控系統是由舵機Sg90，esp32CAM 攝像頭構成，舵機可以讓攝像頭180 度旋轉，這個角度足夠查看寵物的動態和寵物屋的工作狀態，攝像頭采集到的視頻流通過esp32 芯片，將視頻流上傳到機智云平臺，在手機的人機控制界面上顯示出來，用戶可以通過手機查看寵物的動態和寵物屋的工作情況。

3.5 喂食裝置只需要Arduino UNO主控芯片、兩個Sg90 舵機、夏普距離傳感器、esp8266WiFi 芯片、手機APP 就可以實現讓寵物吃食物和喝水。夏普距離傳感器檢測碗里面沒有食物時，就會把信號反饋到手機APP，手機的人機控制界面把打開舵機信號通過esp8266WiFi芯片發送到Arduino UNO 主控芯片，驅動Sg90 舵機打開閥門，食物和水就會自動進到碗里面。

還有一個重要的就是寵物的毛發問題，這不需要任何電子產品處理，只需要采用防靜電面料鋪在寵物屋里面的底板上。經查閱資料，寵物毛發中帶有電荷，而多數材料都對含有電荷的毛發有吸附作用，從而出現粘毛的現象。根據這一現象，想到了把采用防靜電材料放在寵物屋內壁上和底板上，這種材料使用了滌錦復合超細纖維紗和導電紗為原料，通過織造、染整處理、超凈清洗等工藝加工成超細纖維型潔凈防靜電的面料。[4]這種材料能更大程度的吸附寵物毛發，由此解決了寵物掉毛發的問題。

4 系統結構設計和模塊分析

本產品系統結構設計共分為兩個部分：硬件部分和軟件部分。

4.1 硬件部分

寵物屋的控制系統如圖2 所示，寵物屋設計采用Arduino UNO 作為總控芯片，通過I/O 接口連接WiFi 模塊、溫濕度傳感器模塊、半導體陶瓷和加濕器模塊、喂食喝水模塊、esp32CAM攝像頭模塊、紅外感應和測溫模塊、UV 紫外線燈模塊、空氣凈化模塊、風扇模塊、RGB 燈模塊。這些模塊組成可以實現五個功能，分別是溫濕度調節、監控功能、寵物休憩監測和測溫、除異味殺菌消毒功能、喂食功能。

4.2 軟件部分

軟件部分根據系統功能模塊化設計編程，智能寵物屋的工作流程如圖3 所示，智能寵物屋系統功能的具體實現是利用程序來控制12864OLED 顯示屏的顯示、esp8266WiFi 的信號檢測、溫濕度傳感器信號檢測、紅外感應傳感器信號檢測、紅外傳感器信號檢測、空氣凈化器和UV 紫外線發光二極管的控制、esp32CAM攝像頭信號檢測、繼電器電路信號檢測，舵機的工作狀態、風扇和加濕器的控制、喂食器的控制。

軟件系統的程序編寫，是用來實現各個模塊的功能。軟件系統主要由主程序和子程序組成[3]，模塊化的設計編程，方便各個模塊能夠實現功能，提高了運行的效率。

5 結論

圖2 寵物屋控制系統結構圖

智能寵物屋整體系統采用Arduino UNO 開發板作為總控制芯片，實現了溫濕度調節、休憩監測和測溫、寵物屋內空氣凈化殺菌消毒、監控畫面、喂食喝水等功能，還解決了寵物屋內防止掉毛發的問題。這款寵物屋的側面還為附加裝置預留了銜接空間，方便與未來的智能家居相結合使用，這款低能耗、環保的產品適合融入智能家居，讓未來的生活更加智能化。本次產品的研究和設計更好的融合了電子信息知識和計算機知識，讓我們的知識面也得以擴展，進一步培養了我們學習電子和計算機語言的欲望。