基于机智云宠物管理系统总体设计

在我国饲养宠物的人越来越多，但忙碌于工作、生活等原因没有更多的时间，以更好照顾管理宠物，因此对饲养宠物工具的要求也越来越高。目前在市场上宠物喂食系统部分是人工喂养，多半是半自动喂养，产品比较单一，在一定程度上无法满足人们的智能化需求。

针对目前市场的需求，整合市场上单一产品的优点，本文基于机智云平台技术设计了一款智能宠物管理系统。本系统以 Cortex-M4 为内核的 STM32F429 芯片为核心，通过机智云整合单片机、WiFi 物联网实现对宠物智能喂养与管理的功能。

机智云平台技术在我国饲养宠物的人越来越多，但忙碌于工作、生活等原因没有更多的时间，以更好照顾管理宠物，因此对饲养宠物工具的要求也越来越高。目前在市场上宠物喂食系统部分是人工喂养，多半是半自动喂养，产品比较单一，在一定程度上无法满足人们的智能化需求。

针对目前市场的需求，整合市场上单一产品的优点，本文基于机智云平台技术设计了一款智能宠物管理系统。本系统以 Cortex-M4 为内核的 STM32F429 芯片为核心，通过机智云整合单片机、WiFi 物联网实现对宠物智能喂养与管理的功能。

机智云平台技术

从 2014 年推出的机智云，为开发者提供物联网云平台、硬件通信、终端 APP 一体化产品服务和云服务，为有物联网管理需求的客户提供连接、运营管理、数据分析等服务。用户可以自定义统计分析，对机智云 SDK 进行二次开发，使智能硬件设备接入机智云后的功能更加完善，更加便于管理。

机智云的功能可以概括为连接硬件设备，存储分析数据并保证数据的安全性，通过唯一的标识码链接主控设备后控制设备。物联网的价值源于万物互联的“智能化”，机智云为企业提供智能硬件自助开发工具及物联网行业解决方案。机智云开发系统示意图如图1所示。

 

宠物管理系统总体设计

宠物管理系统由硬件系统、软件系统组成。硬件系统包括主控模块、电机模块、液晶屏显示操作模块、传感器模块、电源模块和摄像头模块。软件系统首先要开发环境搭建，完成MDK 软件安装、USB 串口驱动安装、ST-LINK安装，采用 C++/C 语言和单片机 C51 等语言来编写模块化程序。

软件系统主要实现机智云物联网功能，并在手机开发相应 APP系统。机智云物联网系统一方面远程控制移动终端，利用网络和底层控制相关功能，实物搭建完毕和下载好程序，上传好数据，就可以通过液晶屏、自动检测、手机 APP 进行发送指令；另一方面把数据上传到机智云端，机智云的服务器就会对收到的数据进行处理和分析，将结果上传到控制终端，并在终端中显示，这种形式克服了时间和区域问题，能精确地了解宠物的活动状况。系统设计如图2所示。

硬件系统设计

本文的控制系统以Cortex-M4 为内核的 STM32F429 芯片为控制核心，通过温湿度传感器对宠物屋的空气温度、湿度实现实时监测 ；利用嵌入式与物联网技术，通过温湿度传感器和激光传感器的应用，并借助 Andriod APP 终端实现对宠物的远程观察。该系统可以实时监测相关参数，并以此判断当前的物理环境状况，自动调节温度、湿度以及投放食物量等相关操作。

主控模块使用了STM32F429 芯 片、CH340G 芯片、AT24C02 芯片；电机模块使用了微型130小电机来控制风扇转动，使用立式的型号为ZGA37RH 电机控制喂食的阀门和清理粪便；液晶显示屏模块用于显示温湿度和激光测量距离实物的高度等；传感器模块由温度传感器、湿度传感器组成；电源模块有两种供电模式，USB 供电模式和电池供电模式；摄像头模块用于观察宠物的活动状况。

► WiFi 通信模块

WiFi 联网属于办公和家庭使用的短距离无线技术，具有速度快、可靠性高等特点。本系统选用的 ESP8266 WiFi 模块芯片是一款串口转无线芯片模块，内部自带固件，用户操作简单，无需编写时序信号。

► 传感器模块

温湿度传感器模块包括温湿度显示、自动调节温湿度、人工调节温湿度等，有三大执行元件，DTH11 温湿度传感器、5V 电热片和 5V/1A 直流小电机 ZGA37RH。本设计中，当DTH11 温湿度传感器给主控系统传输的数据高于设定值时，主控系统发送一个信号使直流小电机开始工作降温；当数据低于设定值时，主控系统发送一个信号使电热片工作升温。

► 供电模式选择

为了防止电热片与直流小电动机启动和关闭时，电流过大影响芯片和温湿度传感器，系统采用分开供电模式 。

DTH11 的电源来自于主控板 STM32F429IGT 开发板的电源端口，而电热片和直流小电动机的电源直接采用 18650 锂电池来供电。电热片和直流小电动机均采用PWM 脉冲信号控制，但不是直接使用 PWM 脉冲信号控制，而是使用两个小继电器单独控制电热片和直流小电动机。主控模块用 PWM脉冲信号来控制继电器，从而间接控制电热 片和直流小电动机的启动和关闭。采用继电器来控制的方案是经过综合考虑的，不仅经济、安全，且使用简单。

软件系统设计

整个软件系统设计是基于 μC/OS- Ⅲ 操作系统和STemWin图形界面系统进行设计。首先对 μC/OS-Ⅲ 操作系统和 STemWin 图形系统移植；接着编写各个模块的驱动代码，为每个模块开启相应的任务，分配好栈和优先级，同时利用仿真器制作相应的按钮控件，并在 Visual C++ 6.0上进行测试 ；最后将测试好的控件代码移植到工程中，这样就可以通过μC/OS-Ⅲ对图形界面的相关控件任务进行调用并显示，根据宠物家园的硬件系统进行模块化编写，而程序使用 IAR 软件进行编写。

► 机智云物联网

在该系统应用的物联网技术是市面上的智能喂食系统版和集合版，把单一的宠物喂食系统的优点结合起来，设计一个更加完美和符合市场需求的产品，即原来产品的升级版，以实现对宠物远程实时监控的功能。宠物管理系统远程实时监控主要功能有两点，包括用户手机 APP软件与喂养装置和清理粪便装置进行通信；在安卓 APP上随时都可以观察宠物的活动状态。

物联网网络架构分为应用层、网络层、感知层。通过上面分析，通信模块主要是基于 IEEE 802.11 协议的 WiFi 低功耗SoC广域网，工作在 2.4 GHz/5 GHz频段，可以借助于互联网、云概念和智能终端，更加方便地对任何物体进行连接。

物联网对所连接的设备的通信协议要求有以下三点：

* 联网的每一物件均可寻址；

* 联网的每一物件可通信；

* 联网的每一物件可控制。

为满足以上要求，该系统采用 WiFi联网的方式， 使硬件系统成为可通信可控制的网络体。机智云物联网网络架构如图3所示。

► 手机APP开发

本系统所用远程控制的客户端是基于机智云开发的安卓APP控制。根据机智云部署步骤和调试步骤，在机智云平台开发 SoC 模式，创建安卓APP的操作步骤如图4所示，成功地把硬件系统接入到机智云服务。

在创建机智云服务之前需要先下载机智云安卓 APP 开源框架， 并准备好 Eclipse 开源框架编译环境。导入项目到 Eclipse 工程后，根据开源框架包结构的说明，修改 UIConfig.json 文件，在这里可以配置工程的配置信息。正确填写机智云的 Product Key，APP ID，APP Secret 后，工程就可以部署运行。云端会自动生成一个仿真设备，可模拟真实设备上报数据的行为。

在实体设备还未开发完成的情况下，开发者可以利用机智云提供的虚拟设备工具进行 APP 调试，测试远程控制设备的功能。其中，在 WiFi 链接模式时，当 WiFi 通信在无优先级或者 BT/ZB 优先级较高的情况下，可以人为中断 WiFi 工作，只需通过 GPIO 口来区分各个通信的优先级。利用联网的 IP 地址与安卓 APP 连接，通过该端口发送参数信息，并通过 APP 界面显示。

要实现机智云 APP 与硬件设备联调，首先要使手机和硬件设备连接到同一个网络上，通过网络向服务器发出请求，并且获得相应的信息。信息的传递是双向的， 机智云 APP 可以控制硬件设备，若手动操作硬件设备，APP 界面上相应的数据也会变化。该系统相应的安卓 APP 界面如图5所示。

系统测试

系统测试过程如下：

1）首先在机智云平台上的开发者中心打开开发完成的 Android APP—宠物管理系统，依次点击“在线调试设备”“启动虚拟设备”。在页面上有生成已开发的宠物管理系统的二维码，手机下载机智云，进入机智云 APP 扫描二维码进行绑定。进行电脑模拟虚拟设备控制和手机 APP 操作 按钮进行测试。在模拟设备和手机 APP 上操作有数据并且在仿真软件无误显示的话，证明在线测试成功。

2）把手机 APP 与实物进行连接，宠物家园系统处于启动状态，在手机终端 APP 添加实物设备。进行一键配置时，尝试多次配置并失败。排查网络问题，随后分别连接 WiFi 和 4G 网络进行配置，配置并没成功。最后更换安卓手机后，配置成功，开始进行远程控制各个模块。

3）远程控制时发现手机 APP 中显示温湿度与硬件设备液晶显示屏上数值不对应，手机 APP 中需要延时很长时间，数值才更新，并且多个按钮没有添加松手检测，以至于要一直按着按钮才能使其工作。

4）排查代码的不严谨而导致的延时问题，经过优化代码后，调试成功。其中，进行 APP 调试时开发 APP 是难点；个人对 Java 语言不太熟悉的情况下，应用 WiFi 连接设备和 APP 的连接调试，花费不少时间。

系统总结

为了方便人们更好地管理宠物，设计基于 STM32 和机智云平台进行二次开发的智能宠物管理系统。该系统整合 WiFi 联网模块和传感器技术，实现随时随地远程观察宠物状况、控制管理宠物喂食以及清理等服务，从根本上解决由于时间距离关系不能更好地照顾宠物的需求。机智云开发平台操作简单方便，兼容性好，系统安全性能高。

从 2014 年推出的机智云，为开发者提供物联网云平台、硬件通信、终端 APP 一体化产品服务和云服务，为有物联网管理需求的客户提供连接、运营管理、数据分析等服务。用户可以自定义统计分析，对机智云 SDK 进行二次开发，使智能硬件设备接入机智云后的功能更加完善，更加便于管理。

机智云的功能可以概括为连接硬件设备，存储分析数据并保证数据的安全性，通过唯一的标识码链接主控设备后控制设备。物联网的价值源于万物互联的“智能化”，机智云为企业提供智能硬件自助开发工具及物联网行业解决方案。机智云开发系统示意图如图1所示。

 

宠物管理系统总体设计

宠物管理系统由硬件系统、软件系统组成。硬件系统包括主控模块、电机模块、液晶屏显示操作模块、传感器模块、电源模块和摄像头模块。软件系统首先要开发环境搭建，完成MDK 软件安装、USB 串口驱动安装、ST-LINK安装，采用 C++/C 语言和单片机 C51 等语言来编写模块化程序。

软件系统主要实现机智云物联网功能，并在手机开发相应 APP系统。机智云物联网系统一方面远程控制移动终端，利用网络和底层控制相关功能，实物搭建完毕和下载好程序，上传好数据，就可以通过液晶屏、自动检测、手机 APP 进行发送指令；另一方面把数据上传到机智云端，机智云的服务器就会对收到的数据进行处理和分析，将结果上传到控制终端，并在终端中显示，这种形式克服了时间和区域问题，能精确地了解宠物的活动状况。系统设计如图2所示。

硬件系统设计

本文的控制系统以Cortex-M4 为内核的 STM32F429 芯片为控制核心，通过温湿度传感器对宠物屋的空气温度、湿度实现实时监测 ；利用嵌入式与物联网技术，通过温湿度传感器和激光传感器的应用，并借助 Andriod APP 终端实现对宠物的远程观察。该系统可以实时监测相关参数，并以此判断当前的物理环境状况，自动调节温度、湿度以及投放食物量等相关操作。

主控模块使用了STM32F429 芯 片、CH340G 芯片、AT24C02 芯片；电机模块使用了微型130小电机来控制风扇转动，使用立式的型号为ZGA37RH 电机控制喂食的阀门和清理粪便；液晶显示屏模块用于显示温湿度和激光测量距离实物的高度等；传感器模块由温度传感器、湿度传感器组成；电源模块有两种供电模式，USB 供电模式和电池供电模式；摄像头模块用于观察宠物的活动状况。

► WiFi 通信模块

WiFi 联网属于办公和家庭使用的短距离无线技术，具有速度快、可靠性高等特点。本系统选用的 ESP8266 WiFi 模块芯片是一款串口转无线芯片模块，内部自带固件，用户操作简单，无需编写时序信号。

► 传感器模块

温湿度传感器模块包括温湿度显示、自动调节温湿度、人工调节温湿度等，有三大执行元件，DTH11 温湿度传感器、5V 电热片和 5V/1A 直流小电机 ZGA37RH。本设计中，当DTH11 温湿度传感器给主控系统传输的数据高于设定值时，主控系统发送一个信号使直流小电机开始工作降温；当数据低于设定值时，主控系统发送一个信号使电热片工作升温。

► 供电模式选择

为了防止电热片与直流小电动机启动和关闭时，电流过大影响芯片和温湿度传感器，系统采用分开供电模式 。

DTH11 的电源来自于主控板 STM32F429IGT 开发板的电源端口，而电热片和直流小电动机的电源直接采用 18650 锂电池来供电。电热片和直流小电动机均采用PWM 脉冲信号控制，但不是直接使用 PWM 脉冲信号控制，而是使用两个小继电器单独控制电热片和直流小电动机。主控模块用 PWM脉冲信号来控制继电器，从而间接控制电热 片和直流小电动机的启动和关闭。采用继电器来控制的方案是经过综合考虑的，不仅经济、安全，且使用简单。

软件系统设计

整个软件系统设计是基于 μC/OS- Ⅲ 操作系统和STemWin图形界面系统进行设计。首先对 μC/OS-Ⅲ 操作系统和 STemWin 图形系统移植；接着编写各个模块的驱动代码，为每个模块开启相应的任务，分配好栈和优先级，同时利用仿真器制作相应的按钮控件，并在 Visual C++ 6.0上进行测试 ；最后将测试好的控件代码移植到工程中，这样就可以通过μC/OS-Ⅲ对图形界面的相关控件任务进行调用并显示，根据宠物家园的硬件系统进行模块化编写，而程序使用 IAR 软件进行编写。

► 机智云物联网

在该系统应用的物联网技术是市面上的智能喂食系统版和集合版，把单一的宠物喂食系统的优点结合起来，设计一个更加完美和符合市场需求的产品，即原来产品的升级版，以实现对宠物远程实时监控的功能。宠物管理系统远程实时监控主要功能有两点，包括用户手机 APP软件与喂养装置和清理粪便装置进行通信；在安卓 APP上随时都可以观察宠物的活动状态。

物联网网络架构分为应用层、网络层、感知层。通过上面分析，通信模块主要是基于 IEEE 802.11 协议的 WiFi 低功耗SoC广域网，工作在 2.4 GHz/5 GHz频段，可以借助于互联网、云概念和智能终端，更加方便地对任何物体进行连接。

物联网对所连接的设备的通信协议要求有以下三点：

* 联网的每一物件均可寻址；

* 联网的每一物件可通信；

* 联网的每一物件可控制。

为满足以上要求，该系统采用 WiFi联网的方式， 使硬件系统成为可通信可控制的网络体。机智云物联网网络架构如图3所示。

► 手机APP开发

本系统所用远程控制的客户端是基于机智云开发的安卓APP控制。根据机智云部署步骤和调试步骤，在机智云平台开发 SoC 模式，创建安卓APP的操作步骤如图4所示，成功地把硬件系统接入到机智云服务。

在创建机智云服务之前需要先下载机智云安卓 APP 开源框架， 并准备好 Eclipse 开源框架编译环境。导入项目到 Eclipse 工程后，根据开源框架包结构的说明，修改 UIConfig.json 文件，在这里可以配置工程的配置信息。正确填写机智云的 Product Key，APP ID，APP Secret 后，工程就可以部署运行。云端会自动生成一个仿真设备，可模拟真实设备上报数据的行为。

在实体设备还未开发完成的情况下，开发者可以利用机智云提供的虚拟设备工具进行 APP 调试，测试远程控制设备的功能。其中，在 WiFi 链接模式时，当 WiFi 通信在无优先级或者 BT/ZB 优先级较高的情况下，可以人为中断 WiFi 工作，只需通过 GPIO 口来区分各个通信的优先级。利用联网的 IP 地址与安卓 APP 连接，通过该端口发送参数信息，并通过 APP 界面显示。

要实现机智云 APP 与硬件设备联调，首先要使手机和硬件设备连接到同一个网络上，通过网络向服务器发出请求，并且获得相应的信息。信息的传递是双向的， 机智云 APP 可以控制硬件设备，若手动操作硬件设备，APP 界面上相应的数据也会变化。该系统相应的安卓 APP 界面如图5所示。

系统测试

系统测试过程如下：

1）首先在机智云平台上的开发者中心打开开发完成的 Android APP—宠物管理系统，依次点击“在线调试设备”“启动虚拟设备”。在页面上有生成已开发的宠物管理系统的二维码，手机下载机智云，进入机智云 APP 扫描二维码进行绑定。进行电脑模拟虚拟设备控制和手机 APP 操作 按钮进行测试。在模拟设备和手机 APP 上操作有数据并且在仿真软件无误显示的话，证明在线测试成功。

2）把手机 APP 与实物进行连接，宠物家园系统处于启动状态，在手机终端 APP 添加实物设备。进行一键配置时，尝试多次配置并失败。排查网络问题，随后分别连接 WiFi 和 4G 网络进行配置，配置并没成功。最后更换安卓手机后，配置成功，开始进行远程控制各个模块。

3）远程控制时发现手机 APP 中显示温湿度与硬件设备液晶显示屏上数值不对应，手机 APP 中需要延时很长时间，数值才更新，并且多个按钮没有添加松手检测，以至于要一直按着按钮才能使其工作。

4）排查代码的不严谨而导致的延时问题，经过优化代码后，调试成功。其中，进行 APP 调试时开发 APP 是难点；个人对 Java 语言不太熟悉的情况下，应用 WiFi 连接设备和 APP 的连接调试，花费不少时间。

系统总结

为了方便人们更好地管理宠物，设计基于 STM32 和机智云平台进行二次开发的智能宠物管理系统。该系统整合 WiFi 联网模块和传感器技术，实现随时随地远程观察宠物状况、控制管理宠物喂食以及清理等服务，从根本上解决由于时间距离关系不能更好地照顾宠物的需求。机智云开发平台操作简单方便，兼容性好，系统安全性能高。