基于Arduino和機智云平臺的智能寵物屋研究與實現

胡西雷，單夢凱，曾 毅

(鄭州科技學院，河南 鄭州 450064)

1 研究目的

近年來養寵物的人越來越多，相信每位主人都不希望自己的愛寵受到傷害，設計本產品的目的是給寵物提供干凈、舒適、安全的生存環境，幫助主人更加方便和更好地照料寵物。當主人上班、出差或旅游時，寵物的生存就無法得到保障，因此本文就基于Arduino和機智云平臺的智能寵物屋進行研究，幫助主人解決短期或長期不在家時無法照料寵物的問題。隨著智能家居的快速發展，未來的某一天智能寵物屋也會并入智能家居，讓寵物也能感受到智能化帶來的舒適和便利。本文是以寵物貓作為對象而研究的一款智能寵物屋。

2 用戶需求分析

2.1 功能需求

目前市場上寵物屋的功能比較單一，無法全面地照顧寵物。市場上現有的寵物屋實現了監測溫濕度、喂食器和鏟屎裝置，并沒有除異味、殺菌消毒、監測寵物睡眠質量情況以及監控功能。本文所設計的產品都是根據用戶的需求而設計的，以監測溫濕度并調節、殺菌消毒、監測寵物的睡眠質量情況以及監控功能作為基本功能，喂食器和鏟屎裝置作為附加裝置，不僅可以減輕用戶的成本負擔，而且也可以根據用戶的需求定制產品。

2.2 安全需求

現有的寵物屋具有不通風的缺陷。本文設計的產品從寵物和產品兩方面來考慮：(1)外殼前后都需要預留雞蛋大的洞口，以防寵物在里面呼吸不暢，重者導致死亡；(2)用橡膠制品以三角形的形式放置產品底部，然后再設計一個圓盤放在橡膠制品底下，一方面可以固定寵物屋，另一方面也可以移動寵物屋，方便用戶打掃衛生；(3)喂食器要降低重心，以防寵物將食物和水打翻，傷及寵物自身和他人。

3 寵物屋功能設計及工作原理

3.1 采集溫濕度并調節溫濕度功能

本產品智能寵物屋系統采用DHT11數字溫濕度傳感器來監測溫濕度[1]。DHT11溫濕度傳感器從功能需求上來說是一種已經經過校準的數字型溫濕度傳感器，應用數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，能夠保證產品測量溫濕度時具有較高的可靠性和穩定性。溫濕度傳感器可實現溫度和濕度的實時采集，用來采集寵物屋內的溫濕度，并在顯示屏和App上面顯示溫濕度的具體數值。用戶可在機智云App上面設定目標溫度，然后驅動制熱或制冷裝置使寵物屋內達到合適的溫度。

3.2 紅外感應監測寵物休憩

紅外線感應傳感器可以監測寵物紅外信號的有無。當寵物貓進入寵物屋時，紅外線感應傳感器將收集到的信號傳遞給Arduino主控芯片，單片機將數據進行分析處理并通過WiFi模塊傳到機智云App端，機智云App端可以記錄寵物的睡眠質量狀態和睡眠時間。

3.3 殺菌消毒功能

本產品智能寵物屋采用UV紫外線發光二極管做成一款殺菌消毒燈。由于紫外線具有很強的除菌消毒能力，所以將紫外線殺菌消毒燈放置在寵物屋內圍繞成一圈，實現寵物屋內無死角除菌消毒，紫外線光束越集中，寵物屋內除菌效果越好。當寵物貓離開寵物屋時，用戶可通過機智云App打開UV紫外線殺菌消毒燈進行殺菌消毒。

3.4 監控功能

監控功能的實現裝置主要由3部分組成：esp32CAM攝像頭、電源模塊和機智云App。在寵物屋正上方安裝SG90舵機調整esp32CAM攝像頭的角度查看寵物的實時狀態、喂食器和鏟屎裝置，通過藍牙通信將畫面傳送到機智云App的人機界面控制端。

3.5 智能喂食喂水

喂食器是智能寵物屋的附加裝置，根據用戶的需求選擇是否安裝智能喂食器裝置。智能喂食器裝置包括主控芯片Arduino、壓力傳感器、esp8266WiFi芯片和SG90舵機。該功能是通過壓力傳感器實時檢測貓盆的重量，當貓盆食物的重量低于系統設定值時，壓力傳感器將信號傳遞給Arduino主控芯片，主控芯片對收到的信號進行分析和處理，然后驅動SG90舵機打開閥門釋放食物或水。用戶也可以查看監控操作機智云App手動喂食喂水。

3.6 寵物排泄物清理和空氣凈化功能

鏟屎裝置也是該寵物屋的附加裝置，用戶可根據實用性和需求選擇是否安裝鏟屎裝置，當寵物排便后，驅動電機帶動擋板將體積大的貓砂塊從左到右推進垃圾桶；若空氣中出現臭味，空氣質量傳感器檢測到臭味，就會將數據反饋給單片機，Arduino主控芯片處理數據之后直接啟動負離子空氣凈化器。負離子空氣凈化器含有活性炭過濾層，不但可以吸附有害氣體，還可以除異味，從而改善空氣質量[2]。鏟屎裝置和空氣凈化功能不但解決了寵物的居住環境問題，同時也減輕了主人的負擔。

3.7 機智云App遠程操控

寵物屋的軟件部分是利用機智云開發的一款App，用戶可以通過機智云App的監控界面實時查看寵物的當前情況、查看寵物屋的溫濕度數值等，通過監控查看喂食器確定是否需要喂食和喂水，同時還可以通過監控查看鏟屎裝置是否需要清理寵物的排泄物，這一系列操作可以實現遠程操控，即使用戶在上班、出差和旅游時，也不用擔心寵物在家里無人照顧。

4 寵物屋系統總體架構

智能寵物屋系統總體架構由兩部分組成。一部分是硬件系統，另一部分是軟件系統。

4.1 硬件系統

本產品是一款主要由寵物屋、喂食器、鏟屎裝置和監控組成的智能寵物屋。寵物屋、喂食器和鏟屎裝置這3個部分主要是以Arduino作為主控芯片，通過esp8266WiFi模塊將軟件和硬件連接起來。用戶可使用軟件實現設定溫度值、調節寵物屋內的溫度、殺菌消毒、記錄寵物的睡眠狀態、喂食、喂水、鏟屎等功能；監控設備可實時監控寵物的動態。

硬件系統架構主要由Arduino單片機、esp32CAM攝像頭、esp8266WiFi模塊、電源系統模塊、繼電器模塊、負離子發生器、DHT11溫濕度傳感器、SG90舵機、紅外感應傳感器、空氣質量傳感器、12864OLED顯示屏、UV紫外線發光二極管和LED發光二極管組成。硬件系統架構如圖1所示

圖1 硬件系統架構

4.2 軟件系統

軟件系統設計如圖2所示。軟件系統開發首先搭建機智云開發環境，利用機智云平臺上的App代碼賽博坦工具開發智能寵物屋App[3]，并使用機智云平臺的TCP/IP通信協議[4]，實現機智云的物聯網功能，通過服務器使軟件和硬件連接起來。在做軟件系統的過程中，程序員首先要定義模組信息，利用機智云自帶的一些組件設計軟件界面，然后為各個模塊編寫代碼，通過WiFi模塊與云平臺和產品設備進行數據傳輸，使每個模塊都能夠實現相應的功能，最后對機智云App進行測試。

5 系統測試

(1)App和硬件設備通過esp8266 WiFi模塊連接之后，打開軟件界面就可以看到攝像頭拍攝的畫面，通過舵機就可以調節攝像頭的角度，能夠實時監測寵物的動態[5]；(2)寵物屋內的溫濕度傳感器監測溫濕度并把數據通過WiFi模塊上傳到App上顯示溫濕度的具體數值，當溫度比較低的時候，可以輸入具體數值驅動加熱片升高寵物屋內的溫度；(3)紅外感應傳感器檢測到寵物離開寵物屋就會顯示寵物的睡眠時間；(4)寵物離開寵物屋后可以啟動殺菌消毒功能;(5)如果寵物想要吃食物喝水，用戶可以打開舵機閥門釋放食物和水；(6)除此之外，負離子空氣凈化器不需要軟件的控制，當空氣質量傳感器檢測到異味，可以自動開啟負離子空氣凈化器。經過多次實驗測試，該產品最終達到了預期的實驗效果。

圖2 軟件系統設計

6 結語

本文研究了基于Arduino和機智云平臺的智能寵物屋系統，利用機智云平臺、WiFi模塊、Arduino單片機和相關傳感器所設計了一款智能寵物屋。本產品還有需要改進的地方，比如功耗問題，上班族為寵物購買智能寵物屋，本身就是一筆大的開銷，如果功耗比較大，對用戶而言也是一種用電負擔。日后會基于功耗問題對寵物屋進行改進，同時也要規劃智能寵物屋并入智能家居，讓寵物也能感受到智能化產品帶來的舒適性，減輕用戶的負擔，解決寵物在無人照料的情況也能夠生存的問題。