基于Qt的寵物照顧系統設計

朱賴紅，張少懷

（陜西科技大學 鎬京學院，陜西西安，721046）

0 引言

隨著時代的快速發展，在人們物質需求得以滿足的前提下，越來越多的人開始追求精神方面的需求，開始飼養各種各樣的寵物。寵物是小朋友的玩伴，上班族會把寵物當作朋友以便緩解壓力，老年人或許會把寵物當作一種寄托。然而由于工作的繁忙，很多人不得不把寵物整天關在家里，這樣就無法得知寵物的狀況，像因疫情而起的特殊情況，導致很多寵物獨自在家，并且長時間無法得到照顧，無法進食飲水。于是，遠程寵物照顧系統便應運而生。

本文設計基于Qt的寵物照顧系統，通過Qt平臺進行程序設計并封裝，再由設計好的程序控制樹莓派上的CSI攝像頭以及舵機控制器，來達到遠程監控照顧寵物的目的。系統由樹莓派模塊，攝像頭模塊，舵機模塊，Qt軟件編程模塊組成。經過測試，系統功能齊全、運行穩定。

1 總體方案設計

1.1 整體方案介紹

基于Qt的寵物照顧系統， Qt平臺進行程序設計并封裝，由設計好的程序控制樹莓派上的CSI攝像頭以及舵機控制器，達到遠程監控照顧寵物的目的。文中方案涉及到的主要技術有遠程視頻監控，舵機驅動，Qt軟件平臺編程以及樹莓派。

系統在軟件方面選擇了Qt作為軟件開發平臺，Qt是一個由Qt Company開發的跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發框架。它不僅可以開發GUI程序，還可以應用于開發非GUI程序。與其他的軟件創作平臺相比，Qt Creator 提供了一種簡單快速的設計UI的方法，即通過簡單的拖拽就能在“.ui”文件中設計各種功能的界面，配合上一些相對簡單的代碼，就可以設計出一些基本的UI界面。它還擁有很好的跨平臺特性，市面上的主流系統像Microsoft Windows，Linux，Solaris，SunOS，HP-UX，Digital UNIX等都被包含在內，這就讓使用者能夠更加便捷的進行設計和創作。

系統在硬件方面選擇了樹莓派。樹莓派的英文名字是Raspberry Pi是一種基于ARM的微型電腦主板，用SD/MicroSD卡作為其內存硬盤，主板上有1到4個USB接口，一個以太網接口，能夠連接鼠標，鍵盤，網線。它還擁有視頻模擬信號的電視輸出口，以及HDIM高清視頻輸出口。在連接顯示屏，鼠標，鍵盤的情況下，可以當作電腦來使用，執行一些簡單的任務。與其他的硬件開發板相比，樹莓派具有很便捷的開發環境，有可視化圖形界面與代碼界面兩種方式可以選擇，也有更大的開發空間，便于后續開發。

1.2 功能模塊

寵物照顧系統是由用戶登錄界面、攝像頭模塊、舵機模塊、樹莓派模塊所組成，其中各個模塊的功能如下：① 用戶登錄界面：用戶在登陸界面輸入相對應的用戶名和密碼，在錯誤的情況下需要重新輸入，在正確的情況下就可以登錄到視頻查看界面；② 攝像頭模塊：拍攝視頻圖像并且保存到設置好的地址中，使得用戶可以通過地址來調用攝像頭所拍攝到的視頻圖像；③ 舵機模塊：通過程序控制舵機轉動，從而達到對寵物糧和飲用水的定量投放；④ 樹莓派模塊：連接攝像頭和舵機驅動，使得這兩者可以通過程序進行調用。

2 硬件設計

2.1 攝像頭模塊

在樹莓派中，常用的攝像頭有兩種，一種是USB接口的攝像頭，直接通過樹莓派上的USB接口進行連接，然后在樹莓派上通過指令下載驅動，安裝好即可使用，是一種比較通用的攝像頭。另外一種是CSI攝像頭， CSI攝像頭電路板通過一條15芯的排線與樹莓派進行連接，藍色標記對準網絡接口，用卡座來固定排線。

CSI攝像頭與USB攝像頭相比，在處理相同幀數圖片時，CSI攝像頭處理的時間更短，速度更快，同時CPU的占用率也比USB攝像頭低，USB攝像頭在工作時CPU占用率的波動是50%～80%，而CSI工作時CPU的占用率僅在10%～20%之間波動。對于樹莓派來說，受限于CPU的性能，過高的CPU占用率會導致發熱嚴重，雖然樹莓派本身有散熱風扇，但是在長時間的過熱可能會對樹莓派上的零件造成破壞?？紤]到以上這些因素，最后選擇使用CSI攝像頭。如圖1所示，樹莓派CSI攝像頭的電路接口圖。

圖1 CSI攝像頭電路接口圖

2.2 舵機模塊

遠程寵物照顧系統的舵機模塊選用的是MG995舵機。舵機簡單的說就是集成了直流電機，電機控制器和減速器等，并封裝在一個便于安裝的外殼里的伺服單元。能夠利用簡單的輸入信號比較精確的轉動給定角度的電機系統。MG995舵機的工作電壓是4.8V～6V，可以通過外置充電器的5V電壓進行供電。

樹莓派上的GPIO接口有40個，如圖2所示，其中有兩個3V電源接口，兩個5V電源接口，以及26個GPIO接口，其中4號接線柱上的5V的電源接口和6號接線柱上的GND接口需要用來連接樹莓派的小型風扇，以便于樹莓派散熱。舵機控制板通過杜邦線連接到樹莓派上的2號5V電源接口，1號3V電源接口，3號接線柱，5號接線柱的GPIO接口以及9號接線柱的GND接口，這樣就可以通過樹莓派給出的信號來控制舵機驅動板。

圖2 樹莓派GPIO接口電路圖

舵機的控制一般需要一個20ms的實際脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms～2.5ms范圍內的角度控制脈沖部分。以MG995舵機為例，其控制關系應為：

（1）0.5ms-------0度

（2）1.0ms-------45度

（3）1.5ms-------90度

（4）2.0ms-------135度

（5）2.5ms-------180度

因為MG995舵機接收PWM信號的頻率為50Hz，即周期為20ms，所以樹莓派發送的模擬PWM信號的周期也應為20ms。設置舵機轉動45度角時，是投喂一個單位的寵物糧或飲用水，用戶就可以通過控制舵機的轉動角度來進行定量投喂。如圖3所示。

圖3 舵機驅動板實物圖

通過軟件生成穩定的PWM信號對于運行Linux的樹莓派來說只是一種方法，在系統上運行的其他進程可能會隨時中斷PWM信號的生成。此時可以使用專門的外部芯片來完成此工作。PCA9685作為16路舵機驅動板可以同時控制多個舵機，并且擁有32位高性能處理器，可以很大程度的減輕樹莓派的工作量，它擁有單獨的舵機供電電源，支持多種通信方式，擁有很好的擴展性。

3 軟件設計

3.1 系統整體軟件設計概述

寵物照顧系統的軟件平臺使用的是Qt。對于本文中所敘述的系統來說，軟件方面需要實現的功能有：用戶登錄界面，用戶通過注冊用戶名和密碼來實現安全登錄。攝像頭模塊，對樹莓派上的攝像頭進行控制，如視頻拍攝，圖片截取，格式轉換，解碼等。舵機模塊，通過模擬的PWM信號操控舵機，使其轉動不同的角度，完成對寵物糧和飲用水的定量投放。如圖4所示，遠程寵物照顧系統的軟件部分整體流程，此流程敘述了上述功能的完成過程。

圖4 寵物照顧系統軟件整體流程圖

3.2 攝像頭模塊軟件設計

本節敘述的是寵物照顧系統中的攝像頭軟件模塊，在該模塊中，用戶可以在主界面選擇查看視頻監控。如圖5所示，程序會通過IP地址的調用來查看連接到樹莓派上的攝像頭所拍攝的畫面，并將其提供給用戶觀看，用戶也可以選擇保存一段視頻或者圖像便于日后觀看。

圖5 攝像頭模塊程序流程圖

進入到流程后，用戶可以通過界面上提供的按鈕進行操作。界面的上方顯示的是用戶登錄時所使用的用戶名，下方的設備1和設備2用戶可以自行選擇。如果用戶想要觀看設備1的畫面，就點擊設備1前方的選擇標志，選擇完成后就可以在選項卡1中觀看監控視頻。如果用戶想要觀看設備2的視頻監控，操作流程與設備1相同。用戶可以通過選擇視頻模式或者圖片模式進行觀看，當用戶選擇視頻模式時，可以觀看到正常的監控視頻。當用戶處于非Wi-Fi模式時，可以選擇更加節省流量的圖片模式，選項卡中的畫面會每隔5秒變化一次。用戶還可以點擊視頻選擇保存，在視頻庫和圖片庫中會有用戶主動保存的視頻和圖片，用戶可以自行查看。當保存的視頻或者圖像過多導致查找不便時，用戶可以通過視頻庫后方的時間表來查看保存的視頻或者圖像。

在設計用戶主界面時，為了滿足不同用戶的審美需求，在主頁面中加入了不同的顏色，用戶可以根據自身的喜好來選擇不同的界面外觀，更換主界面的風格和顏色，有黑色，灰色，藍色，天藍色這四種顏色可供用戶選擇。同時為了保證界面美觀，窗口同樣設置為居中顯示。

3.3 舵機程序設計

寵物照顧系統中用來控制投喂的舵機模塊，其流程圖6所示，在本模塊中，需要控制舵機通過轉動不同的角度來投喂不同量的寵物糧和飲用水。

圖6 舵機程序流程圖

當用戶選擇投喂時，系統會根據用戶選擇的投喂量，來生成輸出模擬PWM信號控制舵機轉動，設置舵機轉動45度角為一個單位量，當用戶需要投喂兩個單位寵物糧時，舵機需要轉動90度角，即模擬PWM信號會給舵機1.5ms的高電平和18.5ms的低電平，這樣舵機就可以根據用戶的需要投放定量的寵糧。如圖7所示。

圖7 舵機舉例圖

4 系統測試

4.1 攝像頭模塊測試

在本模塊測試中，需要測試系統攝像頭能否正常進行視頻監控，用戶保存的視頻或者圖像能否正常存儲。

樹莓派在通電開啟后，腳本程序會自動給攝像頭使能，當使能完成后，攝像頭進入到正常工作狀態，此時正常登錄的用戶就可以通過系統來進行遠程視頻監控，進入到此頁面后，用戶可以觀察到獨自在家的寵物。

當用戶需要對拍攝的視頻和圖像進行保存時，樹莓派上的攝像頭接收到指令，開始傳輸拍攝到的視頻或圖像，將其保存在設定好的地址中，如圖8所示，已保存的視頻圖像都應在此地址中顯示。

圖8 測試圖片視頻保存位置

4.2 舵機模塊測試

在本模塊測試中，需要測試舵機能否正常轉動，在樹莓派通電開啟后，舵機啟動處于正常工作狀態。當用戶選擇投喂時，舵機收到來自上位機的指令，按照模擬的PWM信號給出的不同的脈沖寬度，轉動不同的角度，完成對寵物糧和飲用水的定量投放。如圖9所示，以兩個單位的投喂量為例，當模擬PWM信號給出1.5ms高電平和18.5ms低電平時，舵機會轉動90度。

圖9 舵機測試圖

5 結束語

本文設計了基于Qt的寵物照顧系統。硬件控制板選用了樹莓派，軟件平臺選擇了Qt，經過整體測試后取得了以下結論：

(1) 基于Qt的寵物照顧系統可以通過樹莓派上的CSI攝像頭遠程視頻監控獨自在家的寵物。

(2) 使用該系統的用戶可以通過用戶界面注冊用戶名和密碼，并通過用戶名和密碼登錄本系統。

(3) 使用該系統的用戶可以拍攝寵物活動的視頻或圖片，并且加以保存，并通過視頻圖像播放器進行查看。

(4) 使用該系統用戶可以在遠程對寵物進行投喂，通過控制舵機的轉動角度來確定投喂的寵物糧或飲用水的量。

(5) 基于Qt的寵物照顧系統可以保存拍攝到的圖像和視頻。

(6) 本文設計了基于Qt的寵物照顧系統，提出了一種新型的寵物飼養方式，解決了一些用戶無法遠程照顧寵物的需求。