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摘要：針對目前市場上寵物投食器產品功能單一、智能化不足的特點，本文設計了一種基于單片機與人工智能云平臺相融合的智能寵物投食器。利用單片機自動處理和控制溫濕度、壓力、攝像頭、報警器、舵機等多傳感器設備，通過Wifi模塊實現與人工智能云平臺的數據交互。測試表明，該設備既能實現本地的自動投食喂養，又能通過遠程實時監測與智能控制，從而保證寵物在無人照看時的智能化喂養。
關鍵詞：嵌入式系統；寵物投食器；單片機；云平臺
1引言
物聯網技術的迅速發展，給人們的生活方式帶來了許多變革和便利[1]。在生活中，寵物主人常常因工作忙碌或外出遠行而無法按時喂養寵物，導致寵物無法正常進食，影響寵物健康及生命安全。智能化的寵物投食器能夠有效減輕寵物喂養的負擔，從而得到人們的關注。相比于傳統的寵物喂養方式的弊端，智能寵物投食器是一種采用單片機技術來實現自動投食和主動喂養的嵌入式設備，給寵物愛好者和小型飼養的企業帶來了很大的便利[2-5]。目前，市面上存在的寵物自動喂食機大多數只具備定時喂食的功能[6]。這些自動投食常常不會根據寵物的實際情況進行喂食，一旦寵物生病或不想進食，食物易回潮、變質。寵物喂養者已不滿足于簡單的寵物定時喂養，在外出時需要遠程智能監測并了解寵物進食與健康狀態，甚至能與寵物互動交流[7-10]。為此，本文利用單片機與人工智能云平臺技設計了一種功能豐富的遠程實時智能喂養系統。
2系統結構原理
寵物智能喂食系統的設計原理及創新之處在于，單片機C51采集多傳感器數據通過esp8266-Wifi模塊實時上傳到人工智能云平臺實現寵物投食和健康數據的分析處理[10]，對異常數據設置報警功能，及時遠程提醒寵物主人。同時用戶可以使用手機APP、計算機等移動終端，通過因特網遠程控制寵物喂食并監控寵物進食和活動情況。如圖1所示，投食器的主控單片機采集控制多傳感器數據，包括壓力傳感器、蜂鳴器、攝像頭、舵機、溫濕度傳感器、語音控制模塊等設備。實現多傳感器的聯通和自動處理，同時數據上傳到網絡和用戶APP，能有效幫助寵物主人進行分析并判斷是否該給寵物投喂食物。人工智能云平臺的主要作用是設置異常數據報警，如寵物體溫異常、厭食或進食異常時會及時提醒主人主動監控。
3系統設計
3.1電路設計
單片機電路原理如圖2所示。
3.2硬件設計
壓力傳感器負責檢測總食物盤中的總剩余食物含量。它由壓力敏感元件和信號處理元件組成。通過敏感元件采集壓力信號，信息處理元件將壓力信號轉換成可用的輸出電信號的器件或裝置。按不同的測試壓力類型，壓力傳感器可分為表壓傳感器、差壓傳感器和絕壓傳感器。蜂鳴器負責在機器自動投喂結束后發出聲音吸引寵物過去食用。蜂鳴器采用壓電式蜂鳴器采集信號。攝像頭主要用于觀察食物剩余含量以及投喂器周邊狀況，例如寵物在吃飯或進行其他休閑活動時主人想看則能夠打開APP查看。舵機是用于操縱投食器裝置轉動的一種執行部件，由電動機、傳動部件和離合器組成。舵機通過各傳感器參數情況來選擇投喂食物的量，如果上頓寵物不夠吃，下頓可以稍微增加一些（舵機開放的時間長一些），如果上頓有剩余，則下頓可適當減少食量。語音模塊負責用戶在外時通過語音模塊和寵物交流和互動，幫助寵物們解悶。
3.3系統結構設計
系統的內部結構見圖3，包括儲糧區與出糧口。出糧口處設置有舵機，并焊接在一小塊可移動的擋板，在舵機發生轉動時帶動擋板，實現自動出糧；而儲糧容器使用密封性好、遮光性強的材質，以達到更好地儲存寵物糧食，避免密封性不好導致糧食變質，影響寵物的健康。寵物的盛食容器內部還設有壓力傳感器，能夠精確測量出食物的份量，幫助寵物合理飲食。其外部結構包括音響、攝像頭、食物容器及寵物籠及Wifi模塊等，如圖4所示。
3.4系統軟件流程
本系統的軟件設計包含傳感器數據采集模塊、單片機固件控制模塊、ESP8266Wifi模塊、智能云平臺節點、手機APP模塊等內容。其遠程控制的流程如圖5所示。
4測試方法
4.1傳感器硬件測試
零點的檢測，用萬用表的電壓檔檢測在沒有施加壓力的條件下，傳感器的零點輸出。這樣保證傳感器的零點偏差在正常范圍之內?；菟雇ㄈ珮螂娐窓z測，主要檢測傳感器的電路是否正確。利用萬用表的歐姆檔，測量輸入端與輸出端的阻抗。這兩個阻抗就是壓力傳感器的輸入、輸出阻抗。檢測傳感器是否正常。加壓檢測，給傳感器供電，人工加壓后檢測傳感器輸出端的電壓變化，并調整傳感器參數。采用直流激勵法對舵機的自然頻率、靈敏程度、直流電阻等參數進行測試。通過測試可以發現舵機在轉動時會有一點點的延遲現象，從而計算出轉動之前所需要的反應時間。過期的轉動可以設定轉動的角度。在轉動后還可以設定舵機返回原位時所需要的時間。這樣舵機就能夠實現定時發生角度的轉動和定時返回原來的角度。也可以通過APP用手機來人工控制舵機的轉動。
4.2ESP8266接入智能云平臺測試
ESP8266模塊包含VCC、EN、GND、UTXD、URXD等基本引腳。通過串口連接USB-TTL下載工具，寫入連接開放的智能云平臺（如機智云、阿里云）等服務器地址、端口以及連接密鑰等相關參數[11-12]。ESP8266也可以采用AT指令模式完成網絡連接功能，通過MQTT協議實現與智能云平臺的數據傳輸測試。硬件采集的數據上傳至智能云平臺完成數據處理。在智能云平臺上設置溫濕度、壓力、食物用量等數據異常的報警功能。
4.3APP測試
圖6寵物投食遠程監控APP手機端APP實現實時數據的傳遞。用戶也可主動使用APP登錄智能云平臺實時監測或操控并分析各種傳感器數據，及時了解食物是否剩余過多或者食用完畢。智能投食器的定時投喂能夠很好地解決寵物主人們忘記喂食；攝相頭和語音模塊的添加實現了主人與寵物們進行互動。智能寵物遠程監測的APP功能模塊如圖6所示。
5結語
本文設計了一種基于單片機(C51、STM32)和云平臺的智能寵物投食器。單片機連接傳感器采集的數據通過串口連接ESP8266模塊實現數據通訊；WiFI模塊通過燒錄固件后連接到智能云平臺節點實現數據的遠程交互功能。在此基礎上設計了手機APP，方便用戶遠程對寵物進行定時、定量、自動投食喂養。在單片機自動控制的基礎上融合了開源的智能云平臺技術，可以對寵物健康數據和進食狀態進行實時監控和雙向互動，是一種功能較豐富的智能化投食器。
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作者：黃萬轉 吳曉剛 單位：興義民族師范學院信息技術學院