【IoT毕设】STM32+机智云AIoT+远程智能型宠物喂养系统开发
摘要:为了解决人们居家喂养宠物的困扰和关注宠物健康，文中针对传统机械式宠物喂养系统的不足之处，开发一种基于物联网的宠物喂养系统。首先构建以机智云物联网平台为通信枢纽的宠物喂养系统总体框架。然后重点设计系统的硬件和软件，控制电路以STM32F103C8T6微控制器为核心，根据收到的指令数据，控制电机驱动模块驱动直流电机投放和收集饲料，启用音乐播放模块和LED与宠物进行互动；软件设计通过AndroidStudio开发手机应用作为上位机，用于设定并显示喂养参数，进行实时远程控制，用C语言开发与控制电路相匹配的下位机程序。最后通过样机对系统进行测试。结果表明：系统的定时喂养时间误差不超过1min，饲料实际投放量最大误差约为10g，具有一定的可靠性。通过应用电子技术，解决了传统机械式宠物喂养系统无法实时远程控制，动态调整饲料投放量的缺点，同时残料收集功能保证宠物每顿能吃上新鲜的饲料，能够胜任居家宠物喂养工作。
0引言
随着物联网技术的发展，物联网在社会生产生活的各个方面得到了广泛的应用，万物互联的趋势不断加强。例如应用于工业制造生产车间中监测量化能源消耗，实现能源的高效管理。而随着智能农业时代的到来，物联网更广泛地应用于农业中，如：在农业温室大棚中，物联网系统采集分析相关参数，控制大棚设备工作，降低劳动强度，提升蔬菜品质；应用于农业节水灌溉中，管理和配置水资源，节约水电资源；应用于梅花鹿精准养殖，监测和控制鹿场信息，提高自动化程度；应用于水产养殖，实时监测养殖塘水质参数的变化并进行调节。
随着我国社会经济的发展，人民生活水平不断提高，人们以饲养宠物来舒缓情感，猫狗是其中主要的宠物类型。相关数据显示，2019年我国现有宠物猫狗总数近1亿只，同比增长8.4%，宠物行业迅速发展。但由于工作或旅行等原因，准时喂养宠物是不小的困扰，如果长期一次性投喂过多的饲料，宠物会养成暴饮暴食的习惯，不利于宠物的健康成长。同时，作为哺乳动物，猫犬也有情绪，长时间独处容易患有分离焦虑症。
为了解决人们居家饲养宠物的困扰，本文将物联网在农业畜牧养殖中的应用扩展到居家宠物的喂养，开发了一套基于物联网的宠物喂养系统。该系统具有远程实时控制饲料投放、定时自动喂养和音乐娱乐功能。
1系统总体架构设计
系统总体框架包括上位机、机智云（Gizwits）和下位机三部分，依托机智云实现上位机和下位机之间的远距离通信。系统整体运行流程如下：手机APP通过MQTT协议与机智云服务器相连；再通过WiFi和esp8266模块与STM32F103C8T6微控制器进行双向通信，控制其他模块的执行。系统架构如图1所示。
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图1远程宠物喂养机总体架构
1）上位机：是以机智云自助开发平台提供的源代码为基础，使用AndroidStudio进行二次开发的移动手机APP。通过与机智云服务器相连接，在手机APP操作界面实现喂养系统参数的设定和显示，并将相应的指令数据下发给下位机。
2）机智云：为上位机、下位机提供稳定灵活的数据接入服务，保证数据的安全可靠。小批量非商用产品可以免费使用，适合对小批量特定功能的产品进行快速开发。同时还具有数据挖掘和分析等服务，能够为后续产品成熟进行大规模商用提供决策意见。
3）下位机：以STM32F103C8T6微控制器为核心，接收处理来自上位机的指令数据，控制其他模块进行相应事务的处理。主要执行的动作包括残余饲料的清扫收集、添加新的饲料和播放音乐呼唤宠物进食。
2系统硬件设计
系统的硬件设计主要是以STM32F103C8T6微控制器为核心的下位机控制电路设计，其中STM32F103C8T6为意法半导体公司出品的中低端32位ARM微控制器，内核是Cortex-M3，工作频率为72MHz，集成多种外设功能，本次开发主要使用到Timer、UART和GPIO功能。控制电路主要由串口通信设备、直流电机驱动和直流降压模块构成，图2为系统控制电路连接示意图。
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图2控制电路连接示意图
2.1串口通信设备
WiFi通信模块和音乐播放模块是系统使用到的串口通信设备，均通过串口与微控制器相连通信。其中，WiFi通信模块为乐鑫公司所生产的ESP8266，内部集成了32位的MCU。使用方案有MCU方案和SOC方案，分别支持WiFi协议栈和实时操作系统功能。本次开发采用独立MCU方案，ESP8266只负责传递指令数据，不做处理。
而DFPlayer是DFRobot出品的音乐播放模块，本身集成了MP3、WAV、WMA的硬解码，可以对TF卡进行驱动，支持FAT16、FAT32文件系统，多种控制模式可选。通过简单的串口指令，DFPlayer能够完成播放指定的音乐、调节音量以及如何播放音乐等功能。本次开发用到无校检和的串口指令，格式为7EFF06xx00xxxxEF，由起始、版本号、字节数、命令类型、反馈、命令高字节、命令低字节、结束等8个字节组成。
2.2直流电机驱动
宠物喂养系统添加和清扫饲料的功能由直流电机实现，为了尽量减少清料和加料所需的时间，经过预先试验，最终选取转速为1800r/min，功率为15W的24V直流电机。直流电机的运转和停止受继电器控制，驱动继电器闭合需要较大的电流。由于STM32芯片I/O口出来的电流较小，所以采用具有续流作用的ULN2003A芯片对控制电流进行放大。直流电机的工作电压大于单片机的工作电压，为了防止单片机发生过压烧毁，在控制电路和工作电路中采用光耦隔离元件进行电路隔离，同时也可以降低工作电路对控制电路的干扰。
2.3直流降压模块
直流降压模块负责将24V的外接电源降压输出为可供系统其他模块使用的电压。由于STM32核心板工作电压为5V且可以输出3.3V的电压，直流电机的工作电压直接由外接电源提供，所以直流降压模块需要对外输出5V的直流电压。直流降压模块由LM7812和LM7805系列三端稳压器构成，外围元件较少。对24V直流电压进行逐级稳压，能够保障电路安全，同时提供了多种规格的电压，为后续添加不同工作电压的器件提供了方便。
3系统软件设计
机智云用数据点描述设备的功能和参数，具有不同的读写类型和数据类型。在进行系统软件设计开发前，在机智云自助开发平台创建产品项目，并根据产品功能设置相关的数据点，机智云平台会生成相应的APP源码和通信协议，沟通整个系统的通信。在上述的基础上进行系统软件开发更方便快捷，包括上位机的APP开发和下位机的单片机程序编写。
3.1上位机软件设计
机智云智能自助开发平台提供的APP源码具有注册登录、设备绑定与设备控制等APP控制的常用功能，也可以根据产品的需要进行二次开发，实现第三方注册登录、消息推送和界面设计等。官方提供的原始界面每个操作设置独自占据一行，空间利用率低，无法在手机屏幕上完全显示所有的操作设置内容，需要上拉。针对原始操作界面的不足，对APP源码中的activity＿gos＿device＿control.xml文件进行重写，新的操作界面根据不同的功能分成三部分，界面显得紧凑简洁。
机智云Aiot开发平台提供的虚拟设备在线调试功能，可通过数据界面模拟显示真实设备上报数据的过程。当操作手机APP改变设置参数或操作指令时，数据界面对应的数据点状态会发生相应的改变，可以快速验证设备数据点的数据收发情况和APP功能是否有误。经过测试，修改后编译的手机APP功能实现正常，图3为测试手机APP的结果。
3.2下位机软件设计
机智云提供SoftAp和AirLink两种入网模式，传入gizwitsSetMode（）函数的参数不同，可实现配置入网模式或恢复出厂设置等功能。宠物喂养系统需要进行远程控制，故采用AirLink入网模式。上位机下发指令或数据给下位机通过gizwitsEventProcess（）函数实现，该函数将上位机指令或数据的改变处理为不同的事件，然后在事件中进行具体的处理。本设计通过在事件发生处理流程中改变事件标志位或数据，影响主函数流程的执行，具体处理在主函数中。gizwitsHandle（）函数实现下位机上传数据给上位机的功能，根据机智云数据类型格式，在该函数中完成设备数据点的封装处理和上报。
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图3测试手机APP结果
下位机上电后，控制系统会进行相应的初始化，如开启系统时钟和中断，配置串口通信等；然后连接网络，通过机智云服务器与上位机进行实时通信，接收指令数据。事件标志位会根据指令数据发生改变，主程序的主循环会不断判断当前事件标志位状态，执行相应操作。例如开启定时自动喂养模式后，会置位自动喂养事件标志位，当到达设定的喂养时间点时，会触发单片机执行自动喂养程序，按照用户预先设定的参数对宠物进行喂养。主程序流程如图4所示。
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图4主程序流程
4系统测试
根据上述的设计，完成宠物喂养系统电路板的制作和程序的烧写，电路板实物图如图5所示。为了验证宠物喂养系统能否胜任宠物喂养工作，对宠物喂养系统进行出料量和定时喂养时间的测试。
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图5宠物喂养系统电路板实物图
4.1系统出料量测试
经过前期的预试验，最终确定加料电机运行8s，从储料桶中掉落饲料20g作为一份标准的饲料，在单片机程序中进行设置。根据查阅的资料，成年犬类一顿需要大约135g饲料。为了留有余量，设置宠物喂养系统最大投放8份饲料，即160g饲料。对每一份饲料的投放进行了5次测量，将测量的数据从小到大排列，如表1所示。
表1出料量测试数据
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从表1的数据中可以看出，宠物喂养系统实际的出料量与理论的出料量趋势一样且相近，但整体上实际出料量比理论出料量偏少，主要原因在于控制电机的运行时间以秒为单位，精确度有限。虽然无法精确控制每次饲料的投放量，但通过控制电机运行时间控制饲料投放量是一种简单直接的方法，可以在设置饲料投放份数时，多设置一份饲料，增加饲料投放量，满足宠物的进食需求。宠物喂养系统有残料收集功能，可以收集宠物进食后残余的饲料。
4.2系统定时喂养时间测试
为了较准确地得知系统执行定时自动喂养的时间，通过PC端的串口助手输出调试信息，显示下位机接收并处理上位机下发的定时喂养指令和数据，如图6所示。
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图6定时调试信息
图6的调试信息显示，在进行自动喂养模式时间设置时，当前网络时间为9时15分22秒，取9时15分作为系统时间基准。由于通信协议的原因，微控制器通过机智云获取网络时间后输出，需要微控制器处于空闲状态。所以9时17分32秒是执行自动喂养的时间，而设置的3个喂养时间点中的一个是9时17分，这表明系统的定时喂养时间误差不超过1min。因为在系统软件设计时，为了手机操作界面简洁和操作方便，只能设置喂养时间的小时和分钟。
在单片机定时喂养时间设置程序中，通过机智云获取当前网络时间，舍弃了秒钟后作为系统时间基准。设置的喂养时间的秒钟位默认为零，只精确到了分钟，所以定时喂养的时间误差出现在秒钟上。实际测试结果与系统程序设计的结果相符合，表明系统定时喂养具有可靠性。
5结论
通过Android技术、物联网技术和单片机技术，在硬件和软件上实现了宠物喂养系统的实时远程控制、饲料投喂和互动娱乐功能。在实际测试中，宠物喂养系统工作稳定，能有效完成喂养宠物的任务。整个宠物喂养系统具有较强的实用性，适用于居家宠物喂养，也可以扩展到畜牧养殖或水产养殖中的饲料投放管理上。
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