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、研究目(mu)的(de)
近年(nian)來養寵(chong)(chong)(chong)物(wu)的人越(yue)來越(yue)多(duo),相(xiang)信每位主人都不希望自己的愛寵(chong)(chong)(chong)受到傷害,設計本產品(pin)的目(mu)的是給寵(chong)(chong)(chong)物(wu)提(ti)供干(gan)凈、舒適、安全的生(sheng)存環境(jing),幫助主人更加方(fang)便(bian)和更好地照料(liao)寵(chong)(chong)(chong)物(wu)。
當主(zhu)人上班、出(chu)差或旅游(you)時(shi),寵(chong)物(wu)(wu)的(de)(de)生(sheng)存就無法(fa)得到保障(zhang),因此(ci)本文就基(ji)于Arduino和機智(zhi)(zhi)云平臺的(de)(de)智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)寵(chong)物(wu)(wu)屋(wu)進行(xing)研究,幫助主(zhu)人解決短期(qi)或長(chang)期(qi)不在(zai)家時(shi)無法(fa)照料(liao)寵(chong)物(wu)(wu)的(de)(de)問題。隨著(zhu)智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)家居(ju)的(de)(de)快速發(fa)展,未來(lai)的(de)(de)某(mou)一天智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)寵(chong)物(wu)(wu)屋(wu)也會并(bing)入智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)家居(ju),讓(rang)寵(chong)物(wu)(wu)也能(neng)(neng)感(gan)受(shou)到智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)化帶(dai)來(lai)的(de)(de)舒適和便利。本文是以寵(chong)物(wu)(wu)貓作為對(dui)象而研究的(de)(de)一款智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)寵(chong)物(wu)(wu)屋(wu)。
2、用戶需求分析
2.1 功能(neng)需(xu)求
目前(qian)市場上寵物(wu)(wu)屋的(de)(de)(de)功能比(bi)較(jiao)單一,無法全面地(di)照顧寵物(wu)(wu)。市場上現有的(de)(de)(de)寵物(wu)(wu)屋實(shi)現了監測(ce)溫濕度、喂(wei)食器和(he)鏟屎(shi)裝(zhuang)置,并沒有除異(yi)味、殺菌消毒、監測(ce)寵物(wu)(wu)睡眠質量情(qing)況以及監控功能。本(ben)文(wen)所設計的(de)(de)(de)產(chan)品都是根據(ju)(ju)用(yong)(yong)戶的(de)(de)(de)需求而(er)設計的(de)(de)(de),以監測(ce)溫濕度并調節(jie)、殺菌消毒、監測(ce)寵物(wu)(wu)的(de)(de)(de)睡眠質量情(qing)況以及監控功能作為(wei)基本(ben)功能,喂(wei)食器和(he)鏟屎(shi)裝(zhuang)置作為(wei)附加裝(zhuang)置,不僅可(ke)以減(jian)輕用(yong)(yong)戶的(de)(de)(de)成(cheng)本(ben)負(fu)擔,而(er)且也可(ke)以根據(ju)(ju)用(yong)(yong)戶的(de)(de)(de)需求定制產(chan)品。
2.2 安全(quan)需(xu)求(qiu)
現有的(de)(de)寵物(wu)屋具有不通風的(de)(de)缺陷(xian)。本文設計的(de)(de)產品從寵物(wu)和(he)產品兩方面來考慮
1)外殼前后都需要預留雞(ji)蛋大的洞口,以防寵(chong)物(wu)(wu)在里面(mian)(mian)(mian)呼吸不(bu)暢,重者導致死亡;(2)用橡(xiang)膠制品以三角(jiao)形的形式(shi)放置(zhi)產品底部,然后再設(she)計一個圓盤放在橡(xiang)膠制品底下,一方面(mian)(mian)(mian)可(ke)(ke)以固定寵(chong)物(wu)(wu)屋(wu),另一方面(mian)(mian)(mian)也可(ke)(ke)以移動(dong)寵(chong)物(wu)(wu)屋(wu),方便用戶打(da)掃衛生;(3)喂食器要降(jiang)低重心,以防寵(chong)物(wu)(wu)將食物(wu)(wu)和水打(da)翻,傷及寵(chong)物(wu)(wu)自身和他人。
3、寵(chong)物屋功能設計及(ji)工作(zuo)原理
3.1 采(cai)集溫濕度并調(diao)節溫濕度功能
本(ben)產品智(zhi)能寵(chong)物屋(wu)系統采用DHT11數字(zi)溫(wen)濕(shi)(shi)(shi)度(du)傳(chuan)感器(qi)(qi)來(lai)(lai)監(jian)測溫(wen)濕(shi)(shi)(shi)度(du)[1]。DHT11溫(wen)濕(shi)(shi)(shi)度(du)傳(chuan)感器(qi)(qi)從功能需求上來(lai)(lai)說是一種已經(jing)經(jing)過校(xiao)準的(de)數字(zi)型溫(wen)濕(shi)(shi)(shi)度(du)傳(chuan)感器(qi)(qi),應用數字(zi)模塊采集技術(shu)和(he)溫(wen)濕(shi)(shi)(shi)度(du)傳(chuan)感技術(shu),能夠保證產品測量溫(wen)濕(shi)(shi)(shi)度(du)時具有較(jiao)高的(de)可靠性和(he)穩(wen)定性。
溫(wen)(wen)(wen)濕度(du)傳感器可實(shi)現(xian)溫(wen)(wen)(wen)度(du)和(he)濕度(du)的(de)(de)實(shi)時采集,用來(lai)采集寵物屋內的(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)濕度(du),并(bing)在(zai)顯示屏和(he)App上(shang)面顯示溫(wen)(wen)(wen)濕度(du)的(de)(de)具體數值(zhi)。用戶可在(zai)機智云App上(shang)面設定目標溫(wen)(wen)(wen)度(du),然后驅動制熱或制冷(leng)裝置使(shi)寵物屋內達到合適(shi)的(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)度(du)。
3.2 紅外感應監測寵物(wu)休(xiu)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(sha)菌消毒功能
本產品智能寵物(wu)屋(wu)采(cai)用UV紫(zi)(zi)(zi)外(wai)線發光二極管做成一款殺(sha)菌(jun)消(xiao)毒(du)(du)燈。由于紫(zi)(zi)(zi)外(wai)線具有很強的除菌(jun)消(xiao)毒(du)(du)能力(li),所以將紫(zi)(zi)(zi)外(wai)線殺(sha)菌(jun)消(xiao)毒(du)(du)燈放置在寵物(wu)屋(wu)內圍繞成一圈,實現寵物(wu)屋(wu)內無(wu)死角(jiao)除菌(jun)消(xiao)毒(du)(du),紫(zi)(zi)(zi)外(wai)線光束越集中,寵物(wu)屋(wu)內除菌(jun)效果越好。當寵物(wu)貓離開寵物(wu)屋(wu)時,用戶可通過機智云App打開UV紫(zi)(zi)(zi)外(wai)線殺(sha)菌(jun)消(xiao)毒(du)(du)燈進行殺(sha)菌(jun)消(xiao)毒(du)(du)。
3.4 監控功能
監(jian)控功能(neng)的實現裝(zhuang)置主(zhu)要由3部分組成:esp32CAM攝像頭、電源模塊和(he)機(ji)智(zhi)(zhi)云App。在寵物屋正(zheng)上(shang)方安裝(zhuang)SG90舵(duo)機(ji)調整(zheng)esp32CAM攝像頭的角度查(cha)看寵物的實時(shi)狀態、喂(wei)食(shi)器和(he)鏟(chan)屎(shi)裝(zhuang)置,通過藍牙通信將畫面(mian)傳送到機(ji)智(zhi)(zhi)云App的人機(ji)界面(mian)控制端。
3.5智(zhi)能(neng)喂食喂水
喂(wei)食(shi)器(qi)(qi)是(shi)智(zhi)能寵物屋(wu)的附加(jia)裝置(zhi),根據用戶(hu)的需求(qiu)選擇是(shi)否安裝智(zhi)能喂(wei)食(shi)器(qi)(qi)裝置(zhi)。智(zhi)能喂(wei)食(shi)器(qi)(qi)裝置(zhi)包括主控芯片(pian)Arduino、壓力傳(chuan)感器(qi)(qi)、esp8266WiFi芯片(pian)和SG90舵機。
該功能是通過(guo)壓(ya)力傳感器(qi)實時檢測貓盆的重量,當貓盆食(shi)物的重量低于(yu)系(xi)統設定值時,壓(ya)力傳感器(qi)將信號(hao)傳遞給(gei)Arduino主控芯(xin)片,主控芯(xin)片對收(shou)到的信號(hao)進行(xing)分析和處理,然后驅動(dong)SG90舵(duo)機打開閥門(men)釋放食(shi)物或水(shui)。用戶也(ye)可以查看監控操作機智云App手動(dong)喂食(shi)喂水(shui)。
3.6 寵物(wu)(wu)排(pai)泄物(wu)(wu)清理和空(kong)氣凈化功(gong)能
鏟屎裝置也是該寵(chong)物(wu)(wu)屋的(de)附加裝置,用(yong)戶可(ke)根據實(shi)用(yong)性(xing)和需求選(xuan)擇是否安裝鏟屎裝置,當寵(chong)物(wu)(wu)排(pai)便后,驅動電機(ji)帶動擋板將(jiang)體積大的(de)貓砂塊從左到右推進垃圾桶;若(ruo)空氣(qi)(qi)中出現(xian)臭(chou)味,空氣(qi)(qi)質量(liang)傳感器(qi)檢(jian)測到臭(chou)味,就會(hui)將(jiang)數(shu)據反饋給單片機(ji),Arduino主(zhu)控芯片處理數(shu)據之后直接啟動負離子空氣(qi)(qi)凈(jing)化(hua)器(qi)。
負離子(zi)空氣凈(jing)化器(qi)含(han)有活性炭過(guo)濾層,不但(dan)可(ke)以吸(xi)附有害氣體,還可(ke)以除異味,從而改善空氣質(zhi)量[2]。鏟屎裝置和空氣凈(jing)化功能(neng)不但(dan)解決了(le)(le)寵物的居住(zhu)環(huan)境問題,同時(shi)也減輕(qing)了(le)(le)主(zhu)人的負擔。
3.7機智云(yun)App遠程操控
寵(chong)物屋(wu)的軟件部(bu)分是利(li)用機智云開發的一(yi)(yi)款(kuan)App,用戶可(ke)以通(tong)過機智云App的監控(kong)界面實時查(cha)看(kan)寵(chong)物的當前情況、查(cha)看(kan)寵(chong)物屋(wu)的溫濕度數值(zhi)等,通(tong)過監控(kong)查(cha)看(kan)喂食器確(que)定(ding)是否需要喂食和喂水(shui),同時還可(ke)以通(tong)過監控(kong)查(cha)看(kan)鏟屎裝置是否需要清理寵(chong)物的排(pai)泄物,這(zhe)一(yi)(yi)系列操作可(ke)以實現遠程操控(kong),即使用戶在上班、出差和旅游時,也不用擔心寵(chong)物在家里無人照顧。
4、寵物屋系統(tong)總體架(jia)構(gou)
智能寵物(wu)屋系統總體架構由兩部(bu)(bu)分組(zu)成。一(yi)部(bu)(bu)分是硬(ying)件(jian)系統,另(ling)一(yi)部(bu)(bu)分是軟(ruan)件(jian)系統。
4.1 硬件(jian)系統
本產品是(shi)一款主(zhu)要(yao)由寵物(wu)屋、喂(wei)食器(qi)、鏟屎裝置和(he)(he)監(jian)控組成的(de)(de)(de)智能寵物(wu)屋。寵物(wu)屋、喂(wei)食器(qi)和(he)(he)鏟屎裝置這3個部(bu)分主(zhu)要(yao)是(shi)以Arduino作為主(zhu)控芯片,通過esp8266WiFi模塊將軟件(jian)(jian)和(he)(he)硬件(jian)(jian)連接起來。用戶(hu)可使用軟件(jian)(jian)實現設(she)定(ding)溫度值、調節(jie)寵物(wu)屋內(nei)的(de)(de)(de)溫度、殺菌(jun)消毒、記錄寵物(wu)的(de)(de)(de)睡眠狀態(tai)、喂(wei)食、喂(wei)水、鏟屎等功能;監(jian)控設(she)備(bei)可實時(shi)監(jian)控寵物(wu)的(de)(de)(de)動態(tai)。
硬件系(xi)統(tong)架構主要由Arduino單片機(ji)、esp32CAM攝像(xiang)頭、esp8266WiFi模(mo)塊(kuai)、電(dian)源(yuan)系(xi)統(tong)模(mo)塊(kuai)、繼(ji)電(dian)器(qi)(qi)(qi)模(mo)塊(kuai)、負離子發(fa)生(sheng)器(qi)(qi)(qi)、DHT11溫濕度(du)傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)(qi)、SG90舵(duo)機(ji)、紅(hong)外(wai)感應傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)(qi)、空(kong)氣質量傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)(qi)、12864OLED顯示屏、UV紫(zi)外(wai)線發(fa)光(guang)二極管(guan)和LED發(fa)光(guang)二極管(guan)組成。硬件系(xi)統(tong)架構如圖1所示
圖1 硬件(jian)系(xi)統(tong)架(jia)構(gou)
4.2軟件系統(tong)
軟(ruan)件(jian)(jian)系統設(she)計如圖2所示。軟(ruan)件(jian)(jian)系統開(kai)發(fa)首先(xian)搭建機(ji)智(zhi)(zhi)云開(kai)發(fa)環境,利用機(ji)智(zhi)(zhi)云平臺上的App代碼賽博坦工具(ju)開(kai)發(fa)智(zhi)(zhi)能(neng)寵物(wu)(wu)屋App[3],并使(shi)用機(ji)智(zhi)(zhi)云平臺的TCP/IP通信協議[4],實現(xian)機(ji)智(zhi)(zhi)云的物(wu)(wu)聯(lian)網(wang)功能(neng),通過服(fu)務(wu)器使(shi)軟(ruan)件(jian)(jian)和硬件(jian)(jian)連接起來。
在(zai)做軟件(jian)(jian)系統(tong)的過程(cheng)中,程(cheng)序員(yuan)首先要(yao)定義模(mo)組信息,利用(yong)機智云自(zi)帶的一些組件(jian)(jian)設計(ji)軟件(jian)(jian)界面,然(ran)后為各個模(mo)塊(kuai)編寫代碼,通過Wi Fi模(mo)塊(kuai)與云平臺和(he)產品設備進(jin)行(xing)數(shu)據傳輸(shu),使每個模(mo)塊(kuai)都能(neng)(neng)夠(gou)實現相應的功能(neng)(neng),最后對機智云App進(jin)行(xing)測(ce)試。
5系統測試
(1) App和(he)硬件設(she)備通過esp8266Wi Fi模塊連接之(zhi)后,打(da)開軟件界面就可(ke)以看到攝(she)像(xiang)頭(tou)(tou)拍攝(she)的畫面,通過舵機(ji)就可(ke)以調節攝(she)像(xiang)頭(tou)(tou)的角度,能夠實時監測寵物(wu)的動態(tai)[5];
(2) 寵物屋(wu)內的溫(wen)濕度(du)傳感器監測溫(wen)濕度(du)并溫(wen)度(du)比較低的時候,可(ke)以輸(shu)入具(ju)體(ti)數值驅動(dong)加熱片(pian)升高寵物屋(wu)內的溫(wen)度(du);
(3) 紅(hong)外感應傳(chuan)感器(qi)檢測到寵物(wu)離(li)開寵物(wu)屋就會顯(xian)示寵物(wu)的睡眠時間;
(4) 寵物離開寵物屋(wu)后可以啟(qi)動(dong)殺菌消毒功能;
(5) 如(ru)果(guo)寵(chong)物(wu)想(xiang)要吃食(shi)物(wu)喝水(shui),用戶可以打開舵機(ji)閥門(men)釋放食(shi)物(wu)和水(shui);
(6)除此之外,負離(li)子空(kong)氣凈(jing)化(hua)器(qi)(qi)不需要軟件的控制,當空(kong)氣質量傳感(gan)器(qi)(qi)檢測到(dao)異味,可以自(zi)動(dong)開(kai)啟負離(li)子空(kong)氣凈(jing)化(hua)器(qi)(qi)。經過(guo)多次實驗測試(shi),該產(chan)品最終達到(dao)了預(yu)期(qi)的實驗效(xiao)果。
圖2 軟(ruan)件系統設計
6 結(jie)語
本(ben)文(wen)研究了(le)基于Arduino和機智(zhi)(zhi)云(yun)平(ping)(ping)臺的智(zhi)(zhi)能寵物(wu)(wu)屋(wu)系統,利用機智(zhi)(zhi)云(yun)平(ping)(ping)臺、Wi Fi模(mo)塊(kuai)、Arduino單(dan)片機和相關傳感(gan)器所(suo)設計了(le)一款智(zhi)(zhi)能寵物(wu)(wu)屋(wu)。本(ben)產品還有需(xu)要(yao)改進的地(di)方,比如(ru)功(gong)耗(hao)(hao)問(wen)題,上班族為寵物(wu)(wu)購(gou)買(mai)智(zhi)(zhi)能寵物(wu)(wu)屋(wu),本(ben)身就是一筆大的開銷,如(ru)果功(gong)耗(hao)(hao)比較大,對用戶而言也是一種用電負擔。
日后會基(ji)于功耗問題(ti)對寵(chong)(chong)物屋進(jin)行改進(jin),同(tong)時也要規劃智能(neng)(neng)寵(chong)(chong)物屋并入智能(neng)(neng)家居,讓寵(chong)(chong)物也能(neng)(neng)感受到智能(neng)(neng)化產(chan)品帶(dai)來的(de)(de)舒適性,減輕用戶的(de)(de)負擔,解決寵(chong)(chong)物在無(wu)人(ren)照料的(de)(de)情況也能(neng)(neng)夠(gou)生存的(de)(de)問題(ti)。
