基于STM32的寵物自動喂食器

摘 要：針對寵物自動喂食問題，本文以STM32為主控MCU，設(shè)計了一套利用WiFi通信遠(yuǎn)程控制的寵物自動喂食系統(tǒng)。用戶通過手機端上的涂鴉APP下達(dá)投喂指令，WBR3對手機WiFi傳輸?shù)闹噶钸M行識別和分析，再利用串口通信將數(shù)據(jù)傳遞給STM32，STM32根據(jù)收到的數(shù)據(jù)控制步進電機開閉，實現(xiàn)手機端遠(yuǎn)程控制喂食。在STM32控制電機運作的同時，STM32及繼電器會將當(dāng)前記錄的余量重量、余量狀態(tài)、喂食狀態(tài)等數(shù)據(jù)反饋回手機端，實現(xiàn)手機端系統(tǒng)化管理喂食過程。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠循環(huán)執(zhí)行用戶下發(fā)的不同指令，可塑性高、移植性強、使用便捷。

關(guān)鍵詞：STM32；WiFi通信；物聯(lián)網(wǎng)；遠(yuǎn)程控制；智能家居；寵物喂食

中圖分類號：TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-00-04

0 引 言

隨著人們生活水平的不斷提升，寵物行業(yè)也在快速發(fā)展。現(xiàn)如今，飼養(yǎng)家庭寵物已經(jīng)成為豐富居民生活的一種重要方式，其喂養(yǎng)問題成為寵物飼養(yǎng)的關(guān)鍵。目前，寵物投喂方式主要為人工喂養(yǎng)，但為解決特殊情況下的投喂問題，比如年輕人因為工作原因，特別是出差時無暇顧及寵物；老年人由于記憶或者身體原因，無法照顧寵物；若家中經(jīng)常沒人，自動投喂器就成為必不可少的工具。寵物能夠給予我們情感的回饋，如果因缺水或者饑餓而對寵物身體健康造成影響或?qū)е聦櫸锼劳觯瑫︼曫B(yǎng)者造成消極影響，甚至影響家庭和諧。因此，設(shè)計一款能夠自動喂食的裝置是解決上述問題的關(guān)鍵，輔助飼養(yǎng)者喂食，保障寵物正常飲食。

目前，由于應(yīng)用軟件的開發(fā)成本高昂，寵物喂食器研究仍然停留在對遠(yuǎn)程投喂方式的孤立研究[1-12]，未將傳統(tǒng)喂食器中的喂食狀態(tài)、余量重量、余量狀態(tài)等重要功能進行整合，并形成“遠(yuǎn)程投喂→查看余量與狀態(tài)→判斷是否增添糧食”的系統(tǒng)。

本項目的創(chuàng)新之處在于借助涂鴉SDK_MCU移植程序，將喂食系統(tǒng)的投喂、喂食狀態(tài)、余量重量、余量狀態(tài)等重要功能同涂鴉IoT云端綁定，由涂鴉APP系統(tǒng)化管理寵物喂食過程的各類信息；本項目主要解決了用戶喂食完成后無法獲取喂食系統(tǒng)當(dāng)前信息的問題；同時，本項目也要抓住發(fā)展前景，研究寵物自動喂食技術(shù)，以遠(yuǎn)程控制為切入點，將WiFiamp;藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用在寵物自動喂食系統(tǒng)中，并實現(xiàn)多角度控制輸入系統(tǒng)，使用戶通過手機端遠(yuǎn)程控制STM32及繼電器實現(xiàn)投喂功能，并得到從STM32回饋的余量數(shù)據(jù)與喂食狀態(tài)，實現(xiàn)人機交互。本系統(tǒng)設(shè)計包含WiFiamp;藍(lán)牙技術(shù)、一體化機身構(gòu)造和系統(tǒng)化程序設(shè)計，具有智能化程度高、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，社會經(jīng)濟價值較高。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本文基于STM32設(shè)計了寵物喂食系統(tǒng)的投喂模塊、電池模塊、余量監(jiān)控模塊、LCD顯示模塊、按鍵控制模塊、小夜燈照明模塊、WiFi通信模塊；系統(tǒng)借助WiFi通信和云端服務(wù)，實現(xiàn)手機端遠(yuǎn)程控制電機開閉，并通過反饋的數(shù)據(jù)實時監(jiān)控余量重量以及相關(guān)狀態(tài)；結(jié)合3D建模和3D打印技術(shù)，打造實際可操作的模型，具有實用價值與經(jīng)濟價值。系統(tǒng)主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和框架設(shè)計兩大模塊。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。機身為正圓柱設(shè)計，從上到下包括喂食倉、波輪、壓力傳感器、食盤四個部分。喂食倉處于系統(tǒng)上方，主要實現(xiàn)寵物余糧的增添。波盤處在系統(tǒng)中央，主要由輕質(zhì)劃片、條形缺口圓盤和小規(guī)格電機組成，采用波盤的優(yōu)點是設(shè)計簡單、輕巧，能快速投喂余糧。壓力傳感器緊挨波盤下方，用于實時記錄寵物余糧狀況，并將記錄數(shù)據(jù)反饋回LCD屏與涂鴉APP。食盤處在系統(tǒng)下方空間，支撐上方結(jié)構(gòu)以及接收投喂的寵物糧。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是能夠極大地縮小硬件設(shè)施空間，擴大投食倉的容量，同時3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)可組裝拆卸的實物。

1.2 框架設(shè)計

框架模塊主要由發(fā)射端與接收端兩部分組成，整體框架設(shè)計如圖2所示。

發(fā)射端主要由涂鴉APP與手機內(nèi)置WiFi天線構(gòu)成，其功能是當(dāng)用戶下達(dá)投喂指令時，迅速將用戶指令傳遞到接收端，同時發(fā)射端也能夠接收回傳的寵物余糧數(shù)據(jù)，實時更新當(dāng)前的寵物余糧狀態(tài)。

接收端主要由STM32以及繼電器組成，其功能是接收發(fā)射端的指令，并將分析后的數(shù)據(jù)傳遞給STM32，STM32及其重要外設(shè)根據(jù)接收的指令執(zhí)行對應(yīng)的操作。實現(xiàn)發(fā)射端與接收端的數(shù)據(jù)通信是核心，WiFi模塊直接影響指令傳遞的準(zhǔn)確性和及時性，決定著喂食系統(tǒng)的質(zhì)量。因此，調(diào)試WiFi芯片是實現(xiàn)自動喂食器的重要工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)施

系統(tǒng)的整體硬件設(shè)施主要分為主控模塊、電源模塊、投喂模塊、余量監(jiān)控模塊、WiFi模塊。

2.1 主控模塊

目前較為常用的單片機有STM32、ESP32、STC等。相比其他單片機，STM32有著更加豐富的外設(shè)以及海量庫函數(shù)資料，一方面便于開發(fā)復(fù)雜的功能，另一方面當(dāng)遇到技術(shù)問題時能夠及時找到對應(yīng)的解決方案。同時，STM32集成度高，形狀小巧，適用于內(nèi)部空間狹窄的系統(tǒng)。此外，在系統(tǒng)設(shè)計中，MCU需要與多種繼電器相連，必需考慮MCU自身的算力。因此選擇基于ARM公司32位內(nèi)核處理器的STM32是更加穩(wěn)妥的方案。

2.2 電源模塊

電源板選擇涂鴉直流電源板，該電源板有USB數(shù)據(jù)線供電和鋰電池供電兩種方式，能夠提供三路電壓，分別為

12 V、5 V和3.3 V（本系統(tǒng)主要采用5 V和3.3 V供電）。其包含的DC-DC降壓芯片能穩(wěn)定實現(xiàn)12 V轉(zhuǎn)5 V和5 V轉(zhuǎn)

3.3 V，SY8012B芯片能夠為開發(fā)板和各類繼電器供電

5.5 V/1 A或3.3 V/1 A。

2.3 投喂模塊

寵物余糧投喂選取28BYJ48步進電機。28BYJ48為四相八拍型電機，電壓范圍為DC 5～12 V，而主控STM32的工作電壓范圍為DC 3.3～5 V，無法直接驅(qū)動28BYJ48，需要增加ULN2003繼電器進行間接控制。當(dāng)對步進電機施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以持續(xù)轉(zhuǎn)動。每出現(xiàn)一個脈沖信號，對應(yīng)步進電機某一相或兩相繞阻的通電狀態(tài)改變一次，即對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。因此只需在主控STM32上間斷使能4個I/O口用于提供所需的脈沖信號。本系統(tǒng)中STM32使能的I/O口為PC1、PD2、PC11和PC12。

2.4 余量監(jiān)控模塊

對于用戶而言，掌握寵物一天的食量和寵物喂食器中的余糧很重要，此舉能夠方便用戶實時監(jiān)測喂食器的余量，合理安排每天的糧食份額，監(jiān)測寵物的身體狀況等。而為了給寵物提供更加健康舒適的環(huán)境，本文設(shè)計了余量監(jiān)控模塊，并且創(chuàng)新性地將余量的負(fù)反饋模式同手機端結(jié)合，可手機端實時監(jiān)控余量重量。

HX711是一款專為高精度電子秤而設(shè)計的24 位A/D轉(zhuǎn)換器芯片，能夠快速將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強等優(yōu)點。HX711所有控制信號皆由管腳驅(qū)動，因此只需將該芯片的SDA和SCK管腳與主控STM32的管腳（PC4和PC5）相連即可驅(qū)動模塊。此過程的數(shù)據(jù)傳輸以I2C形式進行，I2C原理如圖3所示。

2.5 WiFi模塊

在遠(yuǎn)程喂食過程中，WiFi還會將數(shù)據(jù)上傳至涂鴉云服務(wù)器，因此WiFi必須選擇涂鴉官方提供的WBR3模組。WBR3是由涂鴉公司開發(fā)的一款低功耗嵌入式WiFi加藍(lán)牙模組。它由高集成度的無線射頻芯片W701-VA2-CG構(gòu)成，內(nèi)置WiFi網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和豐富的庫函數(shù)。本系統(tǒng)中，WBR3作為熱點，手機端作為Station，接入WBR3的熱點網(wǎng)絡(luò)與STM32進行數(shù)據(jù)交互；同時，WBR3與STM32之間通過串口進行數(shù)據(jù)傳遞。

除上述5個模塊的設(shè)計，還需進行喂食器LCD屏的配置，使其包含定時投喂和WiFi復(fù)位功能。在涂鴉官網(wǎng)的后臺配置遠(yuǎn)程喂食的UI界面。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于寵物喂食系統(tǒng)的實際工作場景和硬件配置，本系統(tǒng)設(shè)計了“STM32按鍵+手機端控制”雙重模式，開發(fā)環(huán)境為Keil μVision5。

3.1 STM32按鍵控制

按鍵分別控制定時投喂、直接投喂和WiFi復(fù)位三個功能，旨在消除用戶辦公和系統(tǒng)配網(wǎng)的真空期，具體流程如

圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)連接電源時，先進行子模塊初始化，如按鍵、電機、壓力傳感器、LCD屏、定時器、串口以及相關(guān)寄存器等的初始化。此后，按鍵掃描子程序?qū)崟r掃描按鍵高低電平的變化，當(dāng)按下按鍵時，程序掃描到按鍵的電平由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑╓K_UP為高電平轉(zhuǎn)化為低電平），隨即啟動對應(yīng)按鍵控制的功能（WK_UP控制直接喂食，KEY_0控制定時喂食，KEY_1控制WiFi復(fù)位）。當(dāng)結(jié)束按鍵控制功能后，程序跳轉(zhuǎn)到LCD屏的控制，顯示寵物喂食狀態(tài)、定時投喂時間、WiFi配網(wǎng)信息、余量狀態(tài)、余量重量、余量百分比等參數(shù)。

3.2 手機端控制

手機端包含手動喂食、快速喂食和小夜燈三種控制功能，以及喂食狀態(tài)、余量狀態(tài)、余量重量和余量百分比四種狀態(tài)顯示；系統(tǒng)通過云端完成“投喂→查看余量重量與狀態(tài)→判斷是否增加糧食”，具體如圖5所示。待系統(tǒng)WiFi與手機配網(wǎng)，手機端會生成對應(yīng)的DPID功能點，按下UI界面上的“手動喂食（或快速喂食）”，WBR3模塊會將手機端的指令通過串口發(fā)送給SDK程序，SDK程序下的3個子程序分別處理獲得的數(shù)據(jù)，并控制電機開閉，更新余量狀態(tài)、喂食狀態(tài)、余量重量、余量百分比，并最終將數(shù)據(jù)反饋回手機端。

4 系統(tǒng)調(diào)試與數(shù)據(jù)測試

4.1 系統(tǒng)運行結(jié)果

先將程序?qū)隨TM32，接好電源和繼電器，然后等待WBR3與手機端連接，連接完成會在LCD屏上顯示“已連接路由器且連接到云端”，此時系統(tǒng)開始工作，如圖6所示。手機端根據(jù)程序設(shè)計的DPID功能點生成對應(yīng)的功能按鍵（或狀態(tài)欄）。當(dāng)按下手機端的快速喂食（或手動喂食）時，接收到指令的STM32控制電機打角，喂食狀態(tài)欄隨之更新，從“待機中”更換為“喂食中”，并且喂食桶中的余量數(shù)據(jù)會實時反饋到手機端，刷新余量狀態(tài)、余量重量和余量百分比。

4.2 數(shù)據(jù)測試

系統(tǒng)運行結(jié)果經(jīng)過反復(fù)測試，更換不同的場景，變換不同的距離，測試過程中使用的手機端和STM32與系統(tǒng)演示時一致。測試內(nèi)容包括系統(tǒng)的WiFi最遠(yuǎn)距離測試、遠(yuǎn)程喂食在遠(yuǎn)近距離的識別率測試、云端數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)近距離傳輸?shù)难訒r測試。在經(jīng)過大量的測試后，選取其中每組數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定的數(shù)值進行加權(quán)平均運算，測試所得數(shù)據(jù)見表1所列。在測試中，本文先測量WiFi的最遠(yuǎn)傳輸距離，再在WiFi的有效距離下，將手機端距喂食系統(tǒng)的直徑作為自變量，分別設(shè)置15 m、10 m、6 m、3 m四組，獲取遠(yuǎn)程喂食的識別率和云端數(shù)據(jù)的延時。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和高效性。

WiFi傳輸距離測試的地點選擇在家庭住房處，符合系統(tǒng)實際應(yīng)用場景。如果在空曠地帶，WiFi的數(shù)據(jù)傳輸效果相對得到提升；每組有關(guān)距離的數(shù)據(jù)都是嚴(yán)格基于相同的隔墻數(shù)進行測試；每組數(shù)據(jù)測試20次，最后所得數(shù)據(jù)是加權(quán)平均后的結(jié)果。

5 結(jié) 語

本文主要介紹了一種以STM32為主控的寵物自動喂食系統(tǒng)，旨在解決用戶喂食完成后無法獲取喂食系統(tǒng)當(dāng)前信息的問題；該系統(tǒng)在代碼層面增加了SDK_MCU移植程序，能通過涂鴉IoT云端調(diào)度系統(tǒng)的各電控模塊，達(dá)到在手機端實現(xiàn)系統(tǒng)化管理寵物喂食過程的目的，并且經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，已達(dá)到預(yù)期效果；該喂食系統(tǒng)的優(yōu)勢在于增強了用戶對寵物喂食過程的管理，所選用的繼電器和云服務(wù)成本低廉，具有一定的社會經(jīng)濟價值。

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