寵物數量的增多勢必會帶動寵物用品行業的發展,文章就基于Arduino和機智云物聯網平臺的智能寵物屋進行研究。多功能智能寵物屋通過引入Arduino和物聯網技術,具備了監測溫濕度與調節、監測寵物休憩、殺菌消毒、監控系統、喂食喂水、排泄物清理和空氣凈化等功能,使用機智云平臺開發App,為未來并入智能家居提供了可能。
1、研(yan)究目的
近(jin)年(nian)來養寵物的(de)人越來越多,相信每位主人都不希望自己的(de)愛寵受到傷(shang)害(hai),設計本產品的(de)目的(de)是(shi)給寵物提供(gong)干凈、舒適(shi)、安全的(de)生存環境(jing),幫助主人更加方(fang)便和更好地照料(liao)寵物。
當(dang)主人上班、出(chu)差或旅游時,寵(chong)(chong)(chong)物(wu)的(de)(de)生存就(jiu)無法得(de)到(dao)保障(zhang),因(yin)此本文就(jiu)基(ji)于Arduino和機智(zhi)云(yun)平臺的(de)(de)智(zhi)能(neng)寵(chong)(chong)(chong)物(wu)屋(wu)進行研(yan)(yan)究(jiu),幫助主人解決(jue)短期或長期不(bu)在(zai)家(jia)時無法照料寵(chong)(chong)(chong)物(wu)的(de)(de)問題。隨著智(zhi)能(neng)家(jia)居(ju)的(de)(de)快速發展(zhan),未來(lai)(lai)的(de)(de)某一天(tian)智(zhi)能(neng)寵(chong)(chong)(chong)物(wu)屋(wu)也會并入智(zhi)能(neng)家(jia)居(ju),讓寵(chong)(chong)(chong)物(wu)也能(neng)感受到(dao)智(zhi)能(neng)化(hua)帶來(lai)(lai)的(de)(de)舒適和便(bian)利(li)。本文是以(yi)寵(chong)(chong)(chong)物(wu)貓作為對象(xiang)而研(yan)(yan)究(jiu)的(de)(de)一款智(zhi)能(neng)寵(chong)(chong)(chong)物(wu)屋(wu)。
2、用戶(hu)需求分析(xi)
2.1 功能需求
目前市場上寵物屋(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)功能比較單一,無法全面地照顧寵物。市場上現有的(de)(de)(de)(de)寵物屋(wu)(wu)實現了監(jian)測溫(wen)濕度(du)、喂食(shi)器(qi)和鏟屎裝(zhuang)置,并(bing)沒(mei)有除(chu)異味、殺菌消毒、監(jian)測寵物睡眠質(zhi)(zhi)量情(qing)況(kuang)以(yi)及監(jian)控功能。本(ben)文所設(she)計(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)產品(pin)(pin)都是根據(ju)用(yong)戶的(de)(de)(de)(de)需求而設(she)計(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de),以(yi)監(jian)測溫(wen)濕度(du)并(bing)調節、殺菌消毒、監(jian)測寵物的(de)(de)(de)(de)睡眠質(zhi)(zhi)量情(qing)況(kuang)以(yi)及監(jian)控功能作為(wei)基本(ben)功能,喂食(shi)器(qi)和鏟屎裝(zhuang)置作為(wei)附加裝(zhuang)置,不僅可(ke)以(yi)減輕用(yong)戶的(de)(de)(de)(de)成(cheng)本(ben)負擔,而且也可(ke)以(yi)根據(ju)用(yong)戶的(de)(de)(de)(de)需求定制產品(pin)(pin)。
2.2 安全(quan)需求
現(xian)有(you)的(de)寵物(wu)屋具有(you)不通風的(de)缺陷。本文設(she)計(ji)的(de)產(chan)(chan)品從寵物(wu)和產(chan)(chan)品兩方面來考(kao)慮
1)外殼前后都需要(yao)(yao)預(yu)留雞(ji)蛋(dan)大的洞口,以防寵物在(zai)里面(mian)呼吸不暢,重(zhong)者導致死亡;(2)用橡膠制(zhi)品以三角形的形式放置產品底(di)部,然后再設計一個圓盤放在(zai)橡膠制(zhi)品底(di)下,一方(fang)面(mian)可以固定寵物屋,另一方(fang)面(mian)也(ye)可以移動寵物屋,方(fang)便用戶打掃衛生(sheng);(3)喂食器要(yao)(yao)降低重(zhong)心,以防寵物將食物和水打翻,傷及寵物自身(shen)和他人。
3、寵物屋功能設計(ji)及工(gong)作原(yuan)理
3.1 采集溫濕(shi)度并(bing)調(diao)節溫濕(shi)度功能
本產(chan)品智能寵物屋系統采(cai)用(yong)DHT11數(shu)字溫(wen)(wen)濕度(du)傳(chuan)感器(qi)(qi)來監測溫(wen)(wen)濕度(du)[1]。DHT11溫(wen)(wen)濕度(du)傳(chuan)感器(qi)(qi)從功能需求(qiu)上來說是一種(zhong)已經(jing)經(jing)過校準的數(shu)字型溫(wen)(wen)濕度(du)傳(chuan)感器(qi)(qi),應用(yong)數(shu)字模塊采(cai)集技術和(he)(he)溫(wen)(wen)濕度(du)傳(chuan)感技術,能夠保證產(chan)品測量溫(wen)(wen)濕度(du)時具有較高的可靠性和(he)(he)穩定性。
溫(wen)濕度(du)傳感器可實現溫(wen)度(du)和(he)濕度(du)的(de)實時采(cai)集(ji),用來采(cai)集(ji)寵物屋內的(de)溫(wen)濕度(du),并在(zai)顯示屏(ping)和(he)App上(shang)面顯示溫(wen)濕度(du)的(de)具體數值。用戶(hu)可在(zai)機智(zhi)云App上(shang)面設定目標溫(wen)度(du),然后驅動制熱或制冷裝置使寵物屋內達到(dao)合適的(de)溫(wen)度(du)。
3.2 紅外感應(ying)監(jian)測寵物(wu)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Wi Fi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(neng)寵物(wu)屋采用UV紫外(wai)線(xian)發光(guang)二(er)極(ji)管(guan)做成一(yi)款(kuan)殺菌(jun)(jun)消毒(du)(du)(du)燈。由(you)于(yu)紫外(wai)線(xian)具有(you)很強(qiang)的除(chu)菌(jun)(jun)消毒(du)(du)(du)能(neng)力,所以將紫外(wai)線(xian)殺菌(jun)(jun)消毒(du)(du)(du)燈放置在(zai)寵物(wu)屋內圍繞成一(yi)圈,實現寵物(wu)屋內無(wu)死角除(chu)菌(jun)(jun)消毒(du)(du)(du),紫外(wai)線(xian)光(guang)束(shu)越(yue)集中,寵物(wu)屋內除(chu)菌(jun)(jun)效果越(yue)好。當寵物(wu)貓(mao)離開(kai)寵物(wu)屋時,用戶可通過(guo)機智云App打開(kai)UV紫外(wai)線(xian)殺菌(jun)(jun)消毒(du)(du)(du)燈進行殺菌(jun)(jun)消毒(du)(du)(du)。
3.4 監控功能
監控(kong)功能(neng)的實(shi)現裝置主要由3部分組成:esp32CAM攝像頭、電源模塊和機(ji)智云App。在寵(chong)物屋(wu)正上(shang)方安裝SG90舵機(ji)調整esp32CAM攝像頭的角度查看寵(chong)物的實(shi)時狀態、喂食器和鏟屎裝置,通過藍(lan)牙通信(xin)將畫面傳送到機(ji)智云App的人機(ji)界面控(kong)制端(duan)。
3.5智能喂(wei)食喂(wei)水
喂食(shi)器是智能(neng)寵物屋的(de)附(fu)加裝(zhuang)置,根據(ju)用(yong)戶(hu)的(de)需求選擇是否安裝(zhuang)智能(neng)喂食(shi)器裝(zhuang)置。智能(neng)喂食(shi)器裝(zhuang)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(tong)過壓(ya)力(li)傳感器(qi)實時檢測貓盆(pen)的(de)(de)重(zhong)量,當貓盆(pen)食物的(de)(de)重(zhong)量低于(yu)系(xi)統設定值時,壓(ya)力(li)傳感器(qi)將(jiang)信(xin)號(hao)(hao)傳遞(di)給Arduino主(zhu)控(kong)(kong)芯(xin)片,主(zhu)控(kong)(kong)芯(xin)片對收(shou)到的(de)(de)信(xin)號(hao)(hao)進行分析和處理,然后驅動SG90舵機(ji)(ji)打開閥門釋放食物或水(shui)。用(yong)戶也可以查看監控(kong)(kong)操作機(ji)(ji)智云App手動喂食喂水(shui)。
3.6 寵物(wu)排泄(xie)物(wu)清(qing)理和(he)空氣(qi)凈化功(gong)能(neng)
鏟屎裝(zhuang)置也是該寵物(wu)屋的(de)附加裝(zhuang)置,用戶(hu)可根據(ju)實用性和需求選擇是否安裝(zhuang)鏟屎裝(zhuang)置,當(dang)寵物(wu)排便后,驅動電機帶(dai)動擋板將體(ti)積(ji)大的(de)貓砂塊從左到右(you)推進(jin)垃圾桶;若空(kong)(kong)(kong)氣(qi)(qi)中出現臭味,空(kong)(kong)(kong)氣(qi)(qi)質(zhi)量傳感器檢測到臭味,就會將數(shu)據(ju)反饋給單片(pian)機,Arduino主控芯(xin)片(pian)處理數(shu)據(ju)之后直接啟動負(fu)離子空(kong)(kong)(kong)氣(qi)(qi)凈化器。
負離子(zi)空(kong)氣(qi)凈化器含有(you)(you)活性炭過(guo)濾層(ceng),不(bu)(bu)但可以(yi)吸附有(you)(you)害氣(qi)體(ti),還可以(yi)除異味,從(cong)而改善空(kong)氣(qi)質量(liang)[2]。鏟(chan)屎裝置和空(kong)氣(qi)凈化功能(neng)不(bu)(bu)但解決了寵物的(de)居住環境問(wen)題,同時也減輕了主人的(de)負擔。
3.7機智云App遠(yuan)程操控
寵(chong)物(wu)屋(wu)的(de)(de)(de)軟件部分是利用機智云(yun)開發的(de)(de)(de)一(yi)(yi)款(kuan)App,用戶可以(yi)通過(guo)機智云(yun)App的(de)(de)(de)監(jian)控界面(mian)實時(shi)查(cha)看寵(chong)物(wu)的(de)(de)(de)當前(qian)情況、查(cha)看寵(chong)物(wu)屋(wu)的(de)(de)(de)溫(wen)濕度數值等,通過(guo)監(jian)控查(cha)看喂食器確定是否需要喂食和喂水,同(tong)時(shi)還可以(yi)通過(guo)監(jian)控查(cha)看鏟屎裝置是否需要清(qing)理寵(chong)物(wu)的(de)(de)(de)排泄物(wu),這一(yi)(yi)系列(lie)操作可以(yi)實現遠程操控,即使用戶在(zai)上班、出差和旅(lv)游時(shi),也不(bu)用擔心寵(chong)物(wu)在(zai)家里無人照顧。
4、寵物屋系(xi)統總(zong)體架構
智能寵物屋系(xi)統總(zong)體架(jia)構由兩部(bu)分(fen)組成。一(yi)部(bu)分(fen)是(shi)硬件系(xi)統,另一(yi)部(bu)分(fen)是(shi)軟(ruan)件系(xi)統。
4.1 硬(ying)件(jian)系統
本產(chan)品(pin)是(shi)一款主(zhu)要(yao)由寵物(wu)屋(wu)、喂食器(qi)、鏟屎裝置和監控(kong)組成的智能寵物(wu)屋(wu)。寵物(wu)屋(wu)、喂食器(qi)和鏟屎裝置這(zhe)3個部分主(zhu)要(yao)是(shi)以Arduino作為主(zhu)控(kong)芯片,通過(guo)esp8266WiFi模(mo)塊將軟件和硬件連接起來。用(yong)戶可使用(yong)軟件實現設(she)定溫(wen)(wen)度值(zhi)、調(diao)節寵物(wu)屋(wu)內的溫(wen)(wen)度、殺菌(jun)消毒、記錄寵物(wu)的睡眠狀(zhuang)態(tai)、喂食、喂水、鏟屎等功能;監控(kong)設(she)備可實時監控(kong)寵物(wu)的動(dong)態(tai)。
硬件系統架構(gou)主要(yao)由Arduino單片機、esp32CAM攝像頭、esp8266WiFi模塊、電源系統模塊、繼電器(qi)(qi)模塊、負離子(zi)發(fa)生器(qi)(qi)、DHT11溫濕度傳(chuan)感器(qi)(qi)、SG90舵機、紅外感應傳(chuan)感器(qi)(qi)、空氣(qi)質量(liang)傳(chuan)感器(qi)(qi)、12864OLED顯示屏、UV紫外線發(fa)光二極管和LED發(fa)光二極管組成。硬件系統架構(gou)如圖1所示
圖1 硬件(jian)系統架構
4.2軟件系統
軟(ruan)件(jian)(jian)系統設計如圖(tu)2所示。軟(ruan)件(jian)(jian)系統開發首先搭建機智(zhi)云(yun)開發環境(jing),利用(yong)機智(zhi)云(yun)平臺(tai)上的(de)App代碼賽博坦(tan)工(gong)具開發智(zhi)能寵物屋App[3],并使(shi)用(yong)機智(zhi)云(yun)平臺(tai)的(de)TCP/IP通信協議(yi)[4],實現機智(zhi)云(yun)的(de)物聯網功能,通過服務器使(shi)軟(ruan)件(jian)(jian)和硬件(jian)(jian)連接起來。
在做軟件(jian)系統的過(guo)程(cheng)中,程(cheng)序員首(shou)先要定義模(mo)組信息,利(li)用機(ji)智(zhi)云(yun)(yun)自帶的一些組件(jian)設計軟件(jian)界(jie)面(mian),然后為各個(ge)模(mo)塊編寫代碼,通(tong)過(guo)Wi Fi模(mo)塊與云(yun)(yun)平臺和產品設備進(jin)行數(shu)據(ju)傳輸,使每個(ge)模(mo)塊都能(neng)夠實(shi)現(xian)相應(ying)的功能(neng),最(zui)后對機(ji)智(zhi)云(yun)(yun)App進(jin)行測試(shi)。
5系統測(ce)試
(1) App和硬(ying)件設備通(tong)過(guo)(guo)esp8266Wi Fi模塊連接(jie)之后,打開軟件界面就可以看到(dao)攝(she)像頭拍攝(she)的(de)畫面,通(tong)過(guo)(guo)舵(duo)機就可以調節攝(she)像頭的(de)角度,能(neng)夠實時監(jian)測寵物的(de)動態[5];
(2) 寵物屋內(nei)的(de)溫(wen)(wen)濕度(du)(du)(du)傳感器監(jian)測(ce)溫(wen)(wen)濕度(du)(du)(du)并(bing)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)比較低的(de)時候,可以輸(shu)入具體(ti)數值驅(qu)動加熱(re)片升高(gao)寵物屋內(nei)的(de)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du);
(3) 紅外感(gan)應傳感(gan)器檢(jian)測到(dao)寵(chong)物離開寵(chong)物屋就會顯示(shi)寵(chong)物的睡眠時(shi)間;
(4) 寵物(wu)離開寵物(wu)屋后(hou)可以(yi)啟動殺菌消毒功(gong)能;
(5) 如果(guo)寵物(wu)想要吃食物(wu)喝水,用戶可以打開舵機(ji)閥門釋放食物(wu)和水;
(6)除(chu)此之外,負(fu)離(li)子空(kong)氣凈化器(qi)不需要軟(ruan)件(jian)的控制,當空(kong)氣質(zhi)量傳感器(qi)檢測到異味,可以自動開啟負(fu)離(li)子空(kong)氣凈化器(qi)。經過多次實驗測試,該產(chan)品最終達(da)到了(le)預期的實驗效果。
圖2 軟件系統(tong)設(she)計
6 結語
本(ben)文研究(jiu)了基于(yu)Arduino和機(ji)智(zhi)云平臺的(de)智(zhi)能(neng)寵物(wu)(wu)屋(wu)系統,利用(yong)機(ji)智(zhi)云平臺、Wi Fi模塊、Arduino單片機(ji)和相(xiang)關傳感器所設計了一款智(zhi)能(neng)寵物(wu)(wu)屋(wu)。本(ben)產品還有需(xu)要改進的(de)地方(fang),比如功耗(hao)問題,上班族為寵物(wu)(wu)購買智(zhi)能(neng)寵物(wu)(wu)屋(wu),本(ben)身(shen)就(jiu)是一筆大(da)的(de)開銷,如果功耗(hao)比較大(da),對用(yong)戶而言也是一種用(yong)電負擔。
日后會基于功耗問題對寵(chong)物屋進行(xing)改進,同時也(ye)要規劃智能寵(chong)物屋并入智能家居,讓寵(chong)物也(ye)能感受(shou)到智能化(hua)產品帶來的舒適性,減輕用戶的負擔(dan),解(jie)決寵(chong)物在無(wu)人照(zhao)料的情(qing)況也(ye)能夠生存(cun)的問題。
